李煒昕，武海東，劉躍龍，王海濤

(1. 上海無線電設備研究所，上海 200090； 2. 上海市目標識別與環(huán)境感知工程技術研究中心，上海 210090)

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基于靜電感應的引信目標探測傳感器研究*

李煒昕1,2，武海東1，劉躍龍1，王海濤1,2

(1. 上海無線電設備研究所，上海 200090； 2. 上海市目標識別與環(huán)境感知工程技術研究中心，上海 210090)

摘要:針對復雜干擾環(huán)境中傳統(tǒng)引信目標探測系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作的問題，探討了一種新型目標探測體制. 基于靜電感應基本理論，建立了靜電引信探測傳感器模型，設計和制作了高靈敏度的靜電引信探測傳感器和微弱信號檢測電路. 在實驗室環(huán)境條件下對探測系統(tǒng)進行實驗研究，結(jié)果表明： 理論分析和實驗結(jié)果趨于一致； 輸出電壓與系統(tǒng)增益、目標電荷、相對速度和距離相關； 所設計電路能夠滿足引信的探測要求，可對靜電引信目標探測系統(tǒng)在復雜環(huán)境下的工程化設計提供參考.

關鍵詞:靜電感應； 方位探測； 引信； 傳感器； 靜電場

0引言

隨著空中來襲目標的迅速發(fā)展，在隱身技術、人工有源干擾，甚至惡劣的電磁環(huán)境情況下，基于無線電、激光原理的傳統(tǒng)探測體制存在明顯缺陷或不足，甚至無法正常工作失去作戰(zhàn)效能. 由于探測問題是如何充分利用目標及其周圍環(huán)境信息的問題，僅僅通過使用先進的信息處理技術和高效處理算法顯然已經(jīng)不能滿足復雜干擾環(huán)境下的目標探測，而采用不受現(xiàn)有電子對抗的新型探測體制無疑是一種最佳解決方案.

靜電探測[1]就是通過檢測目標的靜電場而獲得目標信息的探測方法，因其能夠有效地克服傳統(tǒng)探測方式探測距離近、抗干擾能力差及效費比低等問題，使得人們在氣固兩相流參數(shù)測量、航空發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測、靜電隔墻探測、狙擊手方位探測及空中飛行目標的方位探測等領域進行了許多相關研究. 1965年，空軍實驗室J.E. Nanevicz等人[2]研制了兩種能夠測量空中飛行彈丸的電荷和速度的傳感器； 1975年，Law[3]首次提出了靜電感應電極上的感應電流與運動粒子所帶電荷之間的數(shù)學關系； J. B. Gajewski和Y. Yan教授[4-5]針對環(huán)形電極建立了靜電傳感器的數(shù)學模型，主要由絕緣管道、金屬電磁屏蔽罩和檢測電極組成； S. N. Murnane[6]等人提出使用鏡像電荷法描述靜電電極上感應電荷與固體顆粒帶電量的關系； 隨后，Maciej A. Noras[7]等人提出了基于變?nèi)荻O管/MIS/MOS結(jié)構(gòu)的靜電場傳感器，為靜電領域的深入研究提供了技術基礎.

國外對靜電傳感器的研究已經(jīng)相當深入和廣泛，而在國內(nèi)靜電傳感器的研究起步較晚，在可查文獻中所研究傳感器主要應用于民用研究領域[8-10]，對于靜電引信目標的探測方法尚不成熟. 本文以靜電引信為研究對象，基于靜電感應原理，建立靜電探測模塊數(shù)學模型，設計了電流檢測式靜電探測傳感器，并進行了相關實驗研究.

1靜電傳感器探測機理

圖1　靜電傳感器探測原理示意圖Fig.1　Principle sketch maps of electrostatic sensor detection

一個帶電量為Q的帶電物體A與不帶電的導體B相互靠近，由于施感電荷A產(chǎn)生的電場和感應電荷所產(chǎn)生的場相互作用，會使導體B內(nèi)部的電荷重新分布達到靜電平衡狀態(tài)，這個過程通常都是在極短時間內(nèi)完成(約為10～19 s). 本文用來檢測目標靜電水平的靜電傳感器就是基于這一原理，荷電目標在經(jīng)過靜電傳感器感應電極的時候，感應電極不與目標直接接觸即獲取感應電荷，在理想情況下傳感器信號調(diào)理電路獲取感應電極輸出信號的原理如圖1 所示.

根據(jù)高斯定理，得出金屬電極表面任意一點的電荷密度

(1)

式中：ε為空氣的介電常數(shù)，Ean為該點的電場強度. 則感應電極靠近荷電目標一側(cè)所帶的異號電荷總量

(2)

式中：S為感應電極帶異號電荷的面積.

當荷電目標和感應電極之間有相對運動時，相對電場發(fā)生變化引起電極感應電荷改變，從而導致電流變化

(3)

通過式(3)可知電流的變化量與目標電場的變化值相關，利用靜電信號調(diào)理電路檢測該變化電流，可得到兩者之間的運動信息.

2傳感器數(shù)學模型的建立

空中飛行器其表面必定產(chǎn)生連續(xù)分布的表面電荷，且電荷分布受外部形狀、飛行速度和周圍環(huán)境等多種復雜因素的影響，分別建立電荷模型較為困難. 根據(jù)文獻[8]的分析結(jié)果，得出在探測距離為3～5倍飛行器長度范圍以上時，電荷隨機分布的電場與點電荷電場強度之差低于1%，可將電荷模型簡化為點電荷模型.

圖2　靜電場分布示意圖Fig.2　Diagram of electrostatic field distribution

彈丸尺寸相對于彈目脫靶距離較小，根據(jù)上述分析可以將彈丸近似作為點電荷進行處理.

(4)

式中：x，y，z表示目標在感應電極平面以O為原點的坐標值. 式(4)可看作點電荷在Z軸方向的靜電場.

對式(1)進行微分計算可得

(5)

同樣，利用高斯定理將任意時刻與過零點時刻的差值代入傳感器計算模型，可以推導出傳感器的輸出電壓

(6)

式中：A為感應電極有效面積，g為傳感器增益，th為彈丸飛到傳感器過零點(距傳感器最近時刻)的時間.

3傳感器電路設計

圖3　靜電傳感器組成框圖Fig.3　The block diagram of the electrostatic sensor

在荷電目標接近探測傳感器的過程中，荷電顆粒在靜電傳感器周圍產(chǎn)生的靜電場在不斷的發(fā)生波動，致使靜電傳感器探極上的感應電荷也在不斷的波動，由于感應電信號的波動反映了靜電荷水平變化的信息，感應電荷的變化在電極中誘導出nA或pA數(shù)量級的感應電流，通過信號調(diào)理電路將電荷的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號，輸入數(shù)據(jù)采集設備，加以適當?shù)男畔⑻幚砑纯色@得靜電目標的位置信息. 其中，靜電傳感器由感應電極、Q/V轉(zhuǎn)換電路、前置電流放大電路、高增益放大電路、濾波電路和電壓跟隨電路構(gòu)成，如圖3 所示.

3.1感應電極

由于靜電傳感器的感應電極達到靜電平衡的長短，決定了其對電場變化的響應速度，文獻研究表明： 導體達到靜電平衡的時間與外電場的大小、導體的幾何尺寸無關，僅取決于導體的電導率，電導率越大(電阻率越小)，導體達到靜電平衡的時間就越短. 即無論傳感器探極的結(jié)構(gòu)如何，其探極的材料都要求具有良好的導電性，因此選擇電阻率小的材料作為傳感器的感應探極，而選擇電阻率極大的材料作為絕緣材料. 本文采用0.2 mm的銅箔作為傳感器探極材料，聚四氟乙烯作為探極與殼體之間的絕緣材料，信號引線采用單芯屏蔽線.

靜電感應電極輸出感應電荷信號是一種低頻的微弱信號(頻率0～2 kHz)[10]，且源阻抗較高，因此在檢測過程中即使有少量電荷從測量電極流入測試儀表或泄露掉，都會造成較大的測量誤差. 為了減少感應電極到高增益放大電路的分布電容的影響和外界干擾，提高信噪比，將交流電壓放大電路設置成前置放大器，對感應信號起阻抗匹配和初步的電荷放大作用.

3.2Q/V轉(zhuǎn)換電路

靜電傳感器有兩種等效電路，相應就有兩種信號轉(zhuǎn)換電路，即電壓放大器和電荷放大器. 因電荷放大器的靈敏度與電纜長度無關，且下線頻率較低，因而采用Q/V轉(zhuǎn)換電路，如圖4 所示. 其可測量的最大電流受運算放大器最大輸出電流的限制，可測最小電流受運算放大器輸入偏置電流的限制.

圖4　I/V轉(zhuǎn)換電路Fig.4　I/V change-over circuit

電荷放大器輸出電壓與感應電極電量Q之間的關系表達式為

(7)

轉(zhuǎn)換電路的輸出頻率為

(8)

3.3前置放大電路

由于靜電傳感器電極對荷電目標的感應信號非常微弱，且傳感器具有高內(nèi)阻的特點，因此需要將感應信號輸入到測量電路的高輸入阻抗的前置放大器中變成低阻抗的輸出信號，再進行后續(xù)電路的放大、濾波和采樣等信號處理.

圖5　前置放大電路Fig.5　Pre-amplifying circuit

前置放大電路主要由兩級構(gòu)成： 第一級采用低噪聲線性集成運算放大器OPA128組成差分輸入的電壓跟隨器作為緩沖級，具有電路漂移小、共模抑制比高等特點； 第二級采用INA105構(gòu)成雙端輸入，單端輸出的差動放大器，共模電壓可以相互抵消，具備較高的差模電壓增益. 當R3=R4，R5=R6時，電路輸出信號的增益為

(9)

高增益電壓放大電路采用超精密運放OP177，具有噪聲低、輸入阻抗高和輸出阻抗低等特點，通過調(diào)節(jié)增益控制電路實現(xiàn)1～2 000的增益.

3.4濾波電路

經(jīng)過多級增益放大的信號除去有用信號本身的頻段外，還包含很多低頻和高頻噪聲，如環(huán)境、市電、高次諧波干擾等. 因此，在信號調(diào)理電路中需要設計截止頻率為2 kHz的低通濾波電路和50 Hz帶阻濾波電路對接收到的微弱信號進行去噪.

圖6　50 Hz雙T帶阻濾波器Fig.6　50 Hz twin T band elimination filter

采用低電流噪聲和低輸入失調(diào)電壓的四運放AD704構(gòu)成4極點低通濾波電路. 為了增強濾波電路的帶載能力，將電路中濾波電容接地端改接到集成運放輸出端，得到壓控電源性低通濾波電路. 同時，在電路的后兩級接入由平衡電阻和旁路電容構(gòu)成的平衡電阻網(wǎng)絡，可有效提高濾波性能.

帶阻濾波器采用對稱型雙T阻容有源濾波器，由一個低通濾波電路和一個高通濾波電路并聯(lián)起來構(gòu)成，如圖6 所示.

濾波中心頻率為

(10)

(11)

3.5傳感器電路標定

雙電極和陣列電極靜電探測引信均利用多通道靜電信號在某一時刻的幅值進行計算，要求多個靜電探測電路具有較高的一致性，以提高探測精度. 因此，需要利用自制電場標定裝置對靜電傳感器進行一致性校準.

圖7　標定裝置原理示意圖Fig.7　Schematic diagram of calibration device

標定裝置由可調(diào)穩(wěn)壓電源、平板電容箱、分壓網(wǎng)絡、屏蔽箱和極板支柱等構(gòu)成，如圖7 所示. 根據(jù)處于不同電位的兩塊相互平行，且有無限尺度的導電極板之間存在均勻電場的原理，在兩相距一定距離的平行極板加上已知的穩(wěn)壓直流電壓，可精確計算感應極板處的電場強度

(12)

式中：U為施加在兩極板間的直流電壓，d為感應電極與上極板之間的距離.

4起爆控制技術

靜電引信通過探測目標周圍的靜電場特征來獲取目標信息并進行適時起爆控制，從而提高目標的最大毀傷能力.

雙電極靜電引信利用一對探測電極感應目標的電荷變化量，通過檢測兩電極的微弱電流差獲得目標靜電場變化信息.

(13)

式中：v為相對速度，x為探測距離，y為脫靶量，θ為電極與彈軸的夾角.

圖8　雙電極探測模塊典型變化曲線Fig.8　The experimental curve of dual e-field detection module

在彈目交會過程中，典型變化曲線如圖8 所示，彈目在接近和彈目遠離過程中的電場變化規(guī)律關于D點呈對稱性分布. 靜電引信利用過零點C的位置確定彈目交會過程中最佳起爆時刻，并通過AB和CD段曲線特征的變化來區(qū)分和識別目標與干擾物.

AB段特征：F(t)<0，F(xiàn)′(t)<0，F(xiàn)″(t)<0.

CD段特征：F(t)>0，F(xiàn)′(t)>0.

多通道(本文僅介紹四通道)靜電引信采用矢量側(cè)向原理，利用陣列靜電傳感器實現(xiàn)對帶電運動目標方位的識別.

由于目標靜電場的作用，如圖9 所示，在感應電極對13和24上產(chǎn)生電勢差U13,U24，根據(jù)幾何關系，可得

(14)

(15)

式中： eR為電場單位矢量，L13, L24分別為電極13、和電極24方向上的矢量.

根據(jù)測得兩極板之間的電壓值，可實時求出靜電目標的方位角

(16)

5實驗驗證

為驗證靜電探測理論和傳感器設計的正確性，進行了不同起爆控制技術下探測系統(tǒng)的準動態(tài)實驗. 本系統(tǒng)主要對雙電極和四通道靜電傳感器探測系統(tǒng)進行原理性驗證，實驗系統(tǒng)由靜電傳感器探測陣列模塊、目標模擬單元和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成. 靜電目標運動軌跡如圖9 所示，雙電極采用感應電極2和4構(gòu)成電流檢測式傳感器，目標運動軌跡為圖9上軌跡1； 四通道電流檢測式傳感器各路獨立工作，運動軌跡為圖9上軌跡2.

雙電極探測模塊測試結(jié)果如圖8 所示，結(jié)果表明所設計的靜電傳感器及信息處理電路能夠準確識別特征曲線AB，CD段，可為引信邏輯控制電路提供最佳起爆信號.

圖10 為靜電目標以軌跡2與感應陣列電極交會時，靜電探測傳感器的輸出信號波形. 可以看出，探測陣列傳感器均可以獨立工作，輸出信號變化規(guī)律相似，通過后續(xù)解算算法可有效獲取不同時刻的目標方位信息.

圖9　實驗示意圖Fig.9　Schematic diagram of experiment setup

圖10　四通道傳感器輸出信號波形Fig.10　Signals waveform of four-channel sensor

6結(jié)論

本文以靜電引信為研究對象，基于靜電感應原理，建立靜電探測模塊數(shù)學模型； 采用高靈敏度、高輸入阻抗的前置放大電路，設計了電流檢測式靜電探測傳感器，并通過原理樣機和實驗室準動態(tài)實驗，驗證了該探測模塊能夠準確獲取彈目交會過程中目標的特征曲線，對靜電目標方位進行實時探測. 后續(xù)研究中可在靜電傳感器的自適應匹配控制、濾波設計和介質(zhì)環(huán)境影響等方面進行深入探討，進一步提高傳感器探測精度以及向智能化方向發(fā)展.

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Research on Energy Loss of Fuze Setting System Based on Magnetic Resonant Coupling in Complex Environment

LI Weixin1,2, WU Haidong1, LIU Yuelong1, WANG Haitao1,2

(1. Shanghai Institute of Radio Equipment, Shanghai 200090, China；2. Shanghai Target Identification and Environment Perception Engineering Technology Research Center, Shanghai 210090, China)

Abstract:In order to solve the problem that target-detect system of tradition fuze can not work stablely under complex interference circumstances, a novel target detection system is discussed. The mode of electrostatic fuze detection sensor is constructed , a high sensitivity electrostatic fuze detection sensor and a weak signal detection circuit are designed and fabricated. based on the basic theory of electrostatic induction.Under laboratory environment, detection system is studied experimentally. The results show that theoretic analysis is consistent with the experimental result. The output voltage is related to system gain, target charge, relative velocity as well as distance. The designed circuit satisfies the detection requirement of fuze and provides reference for engineering design of electrostatic fuze target detection system under complex circumstance.

Key words:electrostatic induction; direction detection; fuze; sensor; electrostatic field

文章編號:1671-7449(2016)04-0341-06

收稿日期：2015-12-10

基金項目：總裝預研基金資助項目(9140A05020515HT82001)； 上海市科委工程技術研究中心建設基金資助項目(15DZ2250800)

作者簡介：李煒昕(1986-)，男，工程師，主要從事引信目標方位的探測與識別等研究.

中圖分類號:TJ43

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.04.010