楊　文，于文松，裴東興，張　瑜，祖　靜，2*

（1.中北大學計算機與控制工程學院，太原030051；2.中北大學電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051）

彈載彈丸參數(shù)測試技術(shù)的研究

楊文1，于文松1，裴東興1，張瑜1，祖靜1，2*

（1.中北大學計算機與控制工程學院，太原030051；2.中北大學電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051）

針對目前采用外彈道測試技術(shù)測量彈丸轉(zhuǎn)速，炮口初速及章動參數(shù)難度大，裝置復雜等問題，設(shè)計了彈載彈丸參數(shù)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CC430芯片作為主控芯片，集控制功能和無線發(fā)送數(shù)據(jù)于一體。利用動態(tài)存儲測試技術(shù)采集和存儲地磁傳感器產(chǎn)生的感應電動勢信號，提出了解算彈丸炮口初速和基于希爾伯特變換法提取信號包絡(luò)解算章動參數(shù)的新算法。通過對某型殺爆彈數(shù)據(jù)的分析，所得彈丸參數(shù)均在理論范圍值內(nèi)。

CC430；地磁傳感器；動態(tài)存儲測試；希爾伯特變換

對彈丸轉(zhuǎn)速，炮口初速及章動參數(shù)的精確測量對火炮的設(shè)計和精確打擊目標具有重要意義。目前，多采用雷達測速法，區(qū)截裝置測試法，紙靶法等對彈丸炮口初速和章動參數(shù)進行測量。這些方法都屬于外測法，容易受到外部環(huán)境的影響，并且測試裝置比較復雜。本文介紹了一種基于動態(tài)存儲測試技術(shù)和無線射頻傳輸技術(shù)的彈載彈丸參數(shù)測試系統(tǒng)，通過精確測得的彈丸轉(zhuǎn)速提出了解算彈丸炮口初速和章動參數(shù)的新方法［1-5］。

1　測試系統(tǒng)的工作原理

測試系統(tǒng)主要由CC430單片機、地磁傳感器、ADC轉(zhuǎn)換器、FLASH存儲器組成。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。在實彈發(fā)射前，測試系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。上電信號到來后，系統(tǒng)開始循環(huán)采樣，并把數(shù)據(jù)存儲在RAM中。當炮彈發(fā)射時，產(chǎn)生內(nèi)觸發(fā)信號，單片機開始高速采集地磁線圈隨彈丸旋轉(zhuǎn)切割地磁場產(chǎn)生的信號，并把數(shù)據(jù)存入閃存，直至到達落點接收機通過無線收發(fā)裝置讀取數(shù)據(jù)［6-9］。

圖1　彈載彈丸轉(zhuǎn)速-炮口初速測試系統(tǒng)

收稿日期：2015-05-06修改日期：2015-06-06

2　測試系統(tǒng)的設(shè)計

2.1地磁傳感器的設(shè)計

地磁傳感器的實物圖如圖2所示，薄膜線圈式傳感器貼于單體外殼表面，根據(jù)法拉第電磁感應定律測量彈丸的轉(zhuǎn)速。當彈丸高速自旋時，薄膜線圈切割地磁線產(chǎn)生感應電動勢，通過感應電動勢的變化可以測出彈丸的轉(zhuǎn)速參數(shù)［10］。

圖2　薄膜線圈式地磁傳感器

2.2放大濾波電路的設(shè)計

地磁傳感器的輸出感應電動勢信號是mV，所以需要使用放大電路對信號放大。由于地磁傳感器會輸出負壓信號，需要給輸入端一個共模電壓。輸入與輸出電壓的關(guān)系為：Vout=（Vin+-Vin-）G+VREF。其中，Vin+-Vin-為差動輸出，VREF為正偏電壓，G為放大倍數(shù)。為去除噪聲干擾，運用大電阻、小電容組合設(shè)計了二階低通濾波器。放大、濾波電路圖分別如圖3和圖4所示。

圖3　放大電路原理圖

圖4　濾波電路原理圖

3　彈丸參數(shù)的測量

3.1彈丸轉(zhuǎn)速的測量

彈載彈丸參數(shù)測試系統(tǒng)隨彈飛行模擬圖如圖5所示。彈丸射出炮口后會沿彈道高速自旋，彈丸自旋時地磁線圈會切割磁場線產(chǎn)生感應電動勢E，地磁線圈匝數(shù)為N，磁通量為φ，彈丸轉(zhuǎn)速為w，θ為線圈旋轉(zhuǎn)角度，S為線圈面積，B為地磁場強度，γ為彈丸軸線與地磁場間夾角。有

圖5　彈丸飛行模擬圖

當彈丸在出炮口的一段時間內(nèi)彈丸運動軌跡近似一條直線，因此γ幾乎不變。由推導可知，當sinθ取最大值時，地磁傳感器輸出的感應電動勢E=-NBS·sinγ·w。

圖6和圖7分別為某型彈丸的實測轉(zhuǎn)速信號曲線圖和其100 ms內(nèi)的展開圖。

圖6　轉(zhuǎn)速信號曲線圖

由圖7可知，第1階段為0～17 ms，由于彈丸在炮膛內(nèi)運動，炮膛產(chǎn)生了一定的屏蔽導致輸出信號較弱，第2階段是在炮口處產(chǎn)生了爆破，引起的巨大沖擊所致，第3階段的信號是比較規(guī)律的正弦波。由轉(zhuǎn)速測試原理可知，轉(zhuǎn)速即為輸出正弦信號的頻率。將數(shù)據(jù)經(jīng)過小波降噪后，基于求零點的方法得出半個周期的轉(zhuǎn)速，連續(xù)求出相鄰周期的平均轉(zhuǎn)速再進行擬合，即可得到某一時間段的平均轉(zhuǎn)速。

圖7　100 ms內(nèi)信號展開圖

表1為彈丸出炮口后1 s內(nèi)的測量轉(zhuǎn)速值與理論值的對比結(jié)果，理論值與實測轉(zhuǎn)速的相對誤差小于3%，滿足測試精度要求。

表1　彈丸1 s內(nèi)測量與理論轉(zhuǎn)速值

3.2彈丸炮口初速的解算

膛線繞炮彈旋轉(zhuǎn)一周，在軸向移動的長度稱為膛線的纏度，用η表示，D為彈丸口徑。彈丸在膛內(nèi)旋轉(zhuǎn)2π，其軸向距離為ηD，有，其中dθ為在dt時間內(nèi)彈丸旋轉(zhuǎn)的角度，dl為彈丸在dt時間內(nèi)彈丸軸向運動的距離。兩邊同除以dt，有，則v=.其中η與D都是確定值。運用轉(zhuǎn)速解算炮口初速的結(jié)果與雷達測試結(jié)果如表2所示。

表2　炮口初速解算值與雷達測試結(jié)果

3.3章動參數(shù)的解算

彈丸出炮口后，一方面沿著彈軸高速自轉(zhuǎn)，另一方面沿著彈道的切線做周期的擺動，即章動。隨著彈丸的飛行章動的角度會不斷變化，章動周期和章動角的獲得對分析彈丸的飛行姿態(tài)及彈丸設(shè)計具有重要意義。圖8為彈丸有章動的飛行模擬圖，在有章動的情況下地磁傳感器產(chǎn)生的感應電動勢為E1，E1=·S·cosθ·sin（γ+δ）］。

僅由彈丸自旋產(chǎn)生的感應電動勢

E=-NBS·sinγ·w，而E1=-NBS·sin（γ+δ）·w，

則可求得章動角δ。

圖8　彈丸有章動模擬圖

對轉(zhuǎn)速信號濾波和去除基線處理后，通過希爾伯特變換法提取轉(zhuǎn)速信號包絡(luò)即為彈丸的章動曲線如圖9所示。從圖9可看出，彈丸的章動曲線近似于正弦信號。通過對曲線的分析，得出彈丸在0～3 s的章動周期值見表3。所得結(jié)果與理論分析相符，彈丸出炮口后章動角會逐漸變小，說明彈丸在飛行過程中逐漸趨穩(wěn)，未發(fā)生空翻等異?，F(xiàn)象。

圖9　彈丸章動曲線圖

表3　某型彈3 s內(nèi)的章動周期值　單位：s

4　結(jié)束語

本文提出了一種基于動態(tài)存儲測試技術(shù)運用彈丸轉(zhuǎn)速信息解算彈丸參數(shù)的新方法。該系統(tǒng)以CC430單片機為主控芯片，集數(shù)據(jù)采集、存儲和無線傳輸于一體?？朔藗鹘y(tǒng)外測法測試裝置復雜，易受環(huán)境干擾難以獲得完整數(shù)據(jù)的困難。設(shè)計系統(tǒng)實驗測試結(jié)果與傳統(tǒng)外測法測得的結(jié)果基本一致，說明該系統(tǒng)運行可靠，并簡單易行。

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楊文（1987-），男，漢族，湖北荊州人，碩士，研究方向為動態(tài)測試與智能儀器，yangwen8136@163.com；

祖靜（1933-），男，漢族，北京人，教授，博士生導師，主要研究方向為儀器科學與技術(shù)，動態(tài)測試與智能儀器等，Jingzu@pubilc.ty.sx.cn。

Study on the Missile Projectile Parameter Test Technology

YANG Wen1，YU Wensong1，PEI Dongxing1，ZHANG Yu1，ZU Jing1，2*
（1.School of Computer and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China）

In order to overcome the shortage of external measurement method on testing projectile speed and nutation parameters.A test system of missile projectile parameters was proposed.The system uses CC430 chip as main control chip，combines control and sending wireless data integration based on dynamic storage measurement technology collection and storage of the induced electromotive force signal produced by geomagnetic sensor.A new method is proposed to resolve calculation projectile muzzle velocity and envelope extraction solution nutation parameters on the Hilbert Transform.Through the analysis of the high explosive bomb data，the projectile parameters are met good for the range of theory.

CC430；geomagnetic sensor；dynamic memory test；Hilbert Transform

TP212.13；TJ410.6

A

1005-9490（2016）03-0667-04

EEACC：721010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.032