劉宗寶， 高世橋， 牛少華， 劉海鵬， 管延偉

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

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侵徹起爆控制系統(tǒng)的過載信息實時采集處理與侵深識別技術

劉宗寶， 高世橋， 牛少華， 劉海鵬， 管延偉

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

為提高侵徹起爆控制系統(tǒng)的實時性，基于狀態(tài)網絡設計和引信的模塊化設計理論，以高速實時信號處理器(DSP)為核心，結合16位高采樣率A/D轉換器AD7656，并用全硅振蕩器取代石英晶體，構建了可抗高沖擊過載的微型化(φ40.0 mm)信息實時處理侵徹起爆控制系統(tǒng)；針對傳統(tǒng)侵徹過載信號濾波方法的局限性，提出并應用了兩種自適應信號快速處理方法，實現(xiàn)了信息的實時處理；半實物仿真和實際侵徹混凝土靶相結合的方案驗證了此系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了起爆控制系統(tǒng)在高沖擊環(huán)境中的起爆控制.

起爆控制系統(tǒng)；侵徹；實時處理； DSP

硬目標智能引信的關鍵技術包括兩大部分：一是過載信號的實時采集和記錄；二是對這些信號的在線實時處理并實時控制. 在信號實時采集方面，國內外都有了很多技術進展，但在侵徹信號在線實時處理并實時控制方面卻還存在許多亟需解決的問題. Sandia國家實驗室的小型侵徹加速度記錄儀[1]，每通道采樣頻率12 kHz，功率為1.5 W，數(shù)據(jù)保持時間為60 d，加速度記錄儀尺寸φ5.08 cm×12.94 cm，可以進行3軸加速度測試；加拿大Controlex公司研制的非易失性固態(tài)記錄儀CM343，能夠承受105g的侵徹過載，采樣頻率為100 kHz，存儲容量為1 Mb，12位AD采樣，16位數(shù)據(jù)寬度的FLASH存儲器.

與國外相比，國內在硬目標智能侵徹起爆控制系統(tǒng)方面起步較晚，技術上還存在一定差距，但也取得了一些成果. 北京理工大學于2003年研制出了侵徹過載測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)基于CPLD，能夠完整記錄彈丸在侵徹過程中的過載曲線[2]；中北大學于2005，2009和2010年分別研制了基于CPLD[3]、FPGA的一種高沖擊隨彈固態(tài)記錄器[4]和基于MSP430的一種用于多層侵徹加速度測試的彈載測試儀，并用于彈體侵徹多層混凝土靶實驗；南京理工大學分別以C8051F310和VRS51L3074作為數(shù)據(jù)處理模塊的核心，設計了高沖擊加速度存儲測試系統(tǒng). 此外兵總212所、203所、西安機電信息研究所等單位也在侵徹起爆控制系統(tǒng)方面開展了較多的研究.

由于侵徹過程作用時間非常短，數(shù)據(jù)量又特別大，在這樣極短時、大數(shù)據(jù)量的背景下，如何通過軟硬件的設計以及算法的提出解決侵徹信號在線實時處理并實時控制，將是一個很關鍵的問題. 本文研究了侵徹起爆控制系統(tǒng)的軟硬件設計，實現(xiàn)了侵徹過程中過載信息的實時采集處理與侵深識別.

1 系統(tǒng)的總體設計

硬目標侵徹起爆控制系統(tǒng)的狀態(tài)網絡如圖1所示，系統(tǒng)上電后計時等待，待系統(tǒng)各狀態(tài)穩(wěn)定后，進入待觸發(fā)狀態(tài)；在觸發(fā)信號到來后系統(tǒng)實時存儲信號：在狀態(tài)主鏈，應用侵深算法進行實時侵徹深度的判斷，達到指定侵深(或侵徹層數(shù))之后發(fā)出起爆控制信號；在狀態(tài)副鏈，系統(tǒng)采集存儲完成后進入信息保持狀態(tài)并等待數(shù)據(jù)讀出.

基于引信的模塊化設計理論[5]，現(xiàn)代引信設計可分為引信的模塊化設計和模塊化引信設計，引信的模塊化設計是模塊化引信設計的基礎和前提. 引信各子系統(tǒng)不僅要有各自的子系統(tǒng)功能，還要有標準的連接方式和傳遞方式. 本文研究目標探測感知識別實體模塊系統(tǒng)，它由多個相互關聯(lián)的子系統(tǒng)組成，具有一定的層次結構和信息聯(lián)系；它是引信系統(tǒng)的核心，其進一步可分為信息接收(獲取)模塊，信息轉換功能模塊，DSP信息處理模塊和目標信息存儲模塊. 狀態(tài)網絡中采集存儲狀態(tài)主要由信息接收和轉換模塊完成，深度判斷狀態(tài)對應DSP信息處理模塊，信息保持狀態(tài)對應目標信息存儲模塊.

DSP是運算密集型處理器，相比于事務型處理器(單片機)，半定制型處理器(FPGA)，DSP具有更快的運算速度，更適合侵徹過程中的實時信號處理. 席曉慧[6]采用TMS320VC5509A設計了可獲取橫向和軸向信號的起爆控制系統(tǒng)，不過并沒有系統(tǒng)樣機進行實彈打靶實驗，不能驗證系統(tǒng)在高速沖擊下的工作可靠性；劉杰[7]僅完成了基于F2812的彈載存儲測試的系統(tǒng)原理設計，沒有實物系統(tǒng)，也沒有侵徹試驗驗證系統(tǒng)的抗沖擊性能. 相比于VC5509A， F2812簡化了外圍電路的設計，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的微型化. 本文基于狀態(tài)網絡設計引信的模塊化設計理論，分4個模塊完成了高采樣率起爆控制系統(tǒng)，并進行了該起爆控制系統(tǒng)的沖擊測試.

1.1 系統(tǒng)的硬件構成

圖2為整個硬件系統(tǒng)的實物照片，電路板裝配完成后的直徑為φ40.0 mm，而F2812 PGF封裝的尺寸為26.2 mm×26.2 mm，幾乎達到了F2812系統(tǒng)的尺寸極限，真正實現(xiàn)了基于高性能處理器的微型化系統(tǒng)設計.基于DSP的硬目標侵徹起爆控制系統(tǒng)的硬件主要由傳感器、信號調理電路、模擬濾波電路、高采樣率A/D轉換電路、DSP處理器、數(shù)據(jù)存儲電路構成，其結構框圖如圖3所示. 整個系統(tǒng)以DSP處理器為控制核心，構成一個完整的硬件系統(tǒng).

1.2 信息獲取模塊

信息獲取模塊主要由高g值加速度傳感器及信號調理電路組成，可用于測量侵徹加速度的傳感器主要有壓阻式、壓電式、電容式. 由于壓電式具有良好的工作帶寬，本系統(tǒng)采用IEPE型壓電式加速度傳感器，恒流源供電，頻率響應范圍0～25 kHz，輸出信號范圍±5 V.

1.3 信息轉換功能模塊

傳感器的頻率響應范圍為0～25 kHz，考慮到高速侵徹過程對數(shù)據(jù)采集的需求，因此A/D轉換器采用ADI公司的高集成度、6通道16 bit逐次逼近型ADC，其功耗比最接近的同類雙極型ADC降低了60%，精度(±4LSB最大值積分線性誤差)是同類產品的2倍. AD7656在數(shù)據(jù)采集的過程中，DSP只需要發(fā)出啟動AD轉換的信號，不需要對采樣通道進行控制，這樣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度就完全不受DSP的限制，從而達到信號高速采集的目的.

1.4 DSP信息處理模塊

起爆控制系統(tǒng)以TMS320F2812處理器為核心，外圍電路主要有A/D轉換電路、JTAG仿真接口電路、電源電路、時鐘電路、RS232通訊電路、RAM與FLASH電路，圖4為DSP系統(tǒng)框圖. TMS320F2812是32位高性能處理器，若系統(tǒng)工作在150MIPS，時鐘周期6.67 ns，在AD7656的采樣時間(4 μs)內可以執(zhí)行600條指令，可以完成數(shù)據(jù)的高速采集并實時給出運算結果，實現(xiàn)侵徹過程中信息的實時處理. 目標信息存儲模塊存儲容量為512 k×16 bit，數(shù)據(jù)存儲時間為(512/250) s=2.048 s.

常用的石英晶體振蕩器的機械特性使其在高過載環(huán)境下晶體薄片易損壞(物理損壞或結構損壞)而停振[8]，一般的RC振蕩電路達不到較高的振蕩頻率. 硅振蕩器基于一個內部的RC時間常數(shù)來獲得振蕩頻率，具有與裸硅片相同的抗過載能力，達到2×105g，并且沒有磨損問題，穩(wěn)定性是石英晶體的10倍，因此本系統(tǒng)采用硅振蕩器取代傳統(tǒng)石英振蕩器.

2 控制系統(tǒng)信息實時處理與識別技術

硬目標起爆控制系統(tǒng)軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集算法和侵徹深度識別算法. 軟件的工作流程如圖5所示. 首先在彈丸發(fā)射時，激活彈上的熱電池，在幾個毫秒的時間輸出穩(wěn)定的電壓. 侵徹起爆控制系統(tǒng)在供電穩(wěn)定以后，首先進行初始化操作，即數(shù)據(jù)空間分配、I/O端口定義等；然后系統(tǒng)軟件控制AD7656高速實時采集侵徹過程中的加速度，并應用算法1和算法2對采集到的加速度進行實時在線預處理(濾波)，如圖6所示，算法1、算法2分別為自適應拉伊達準則算法[9]和非線性自適應消噪算法[10]. 如果侵徹加速度信號含有較多高頻噪聲，則優(yōu)先選擇非線性自適應消噪算法，否則可選擇實時性更強的自適應拉伊達準則算法. 侵徹加速度預處理后進行標度變換，然后實時計算侵徹深度. 當侵徹深度達到預設起爆深度時，發(fā)出起爆信號；如果沒有滿足起爆條件，繼續(xù)進行AD采集與數(shù)據(jù)處理，重復上面的過程. 通過合理分配起爆控制系統(tǒng)軟件中信號高速采集算法、濾波算法和侵徹深度識別算法的時序，可以實現(xiàn)侵徹深度與信號高速采集、濾波的同步處理，達到對侵徹過程中的信息實時處理與識別的目的.

濾波是侵徹信號處理、目標識別和精確起爆控制的前提，在侵徹信號的濾波方法中，可分為3種：濾波電路、基于頻率的濾波方法和基于信號統(tǒng)計量的濾波方法. 基于濾波電路的濾波方法必然會增加起爆控制系統(tǒng)的體積和系統(tǒng)功耗，不利于系統(tǒng)的微型化. 由于侵徹信號是一種典型的非平穩(wěn)信號，頻率成分相互重疊，基于頻率的濾波方法難以提取“干凈”的剛體過載，因此基于信號統(tǒng)計量的濾波方法逐漸成為侵徹信號處理和分析的首選.

因此提出并應用了兩種實時性較強的自適應濾波算法，提高了目標實時識別的準確性，為侵徹起爆控制提供了可靠信息.

2.1 自適應拉伊達準則算法

由于拉伊達準則中固定判據(jù)|vi|>3σ，即以相同的置信水平處理數(shù)據(jù). 對于統(tǒng)計特性隨時間變化的侵徹過載信號，不能準確地濾除彈體結構響應和高頻噪聲. 將拉伊達準則中的判據(jù)3σ改為kσ，令k=k0+kw，k0為一個恒定的初始值，kw為k的變化梯度. 為了適應濾波的需要，可以通過改變梯度kw來調整k值. 一般情況下k值范圍為k∈[1.3，5.0]，此時判別準則表達式為

(1)

2.2 非線性自適應消噪算法

時間序列為{x1，x2，…，xN}，將此時間序列分成窗口大小為w=2n+1個點的若干小段，相鄰分段(區(qū)間)之間有n+1個點重合，因此此非線性算法的時間尺度為n+1. 每個分段采用階數(shù)為K的多項式擬合，第i和i+1個分段的擬合多項式分別表示為yi(l1)，yi+1(l2)，l1，l2=1，…，2n+1.

分段擬合曲線為：

(2)

式中K為多項式階數(shù)，一般取K=2.

權重為ω1，ω2為3次函數(shù)時曲線處處平滑(不只是連續(xù))，消除了間斷點，這對于侵徹過程中目標介質變化和介質材料的識別至關重要，此時

(3)

式中l(wèi)為重疊區(qū)域y(c)的長度，l=1，2，…，n+1.

算法流程如下：

① 在窗口i和i+1內，由最小二乘法計算系數(shù)a0，a1，…，aK和b0，b1，…，bK；

② 計算第i和i+1個分段的擬合多項式y(tǒng)i(l1)，yi+1(l2)；

③ 計算3階非線性權重ω1，ω2；

④ 計算重疊區(qū)域曲線y(c)=ω1y(i)(l1)+ω2y(i+1)(l2)；

⑤ 濾波窗口移動至第i+1和i+2區(qū)間，重復上面過程.

2.3 實時侵深識別

對于侵徹深度識別，用梯形積分法在線計算實時侵徹深度為

(4)

(5)

式中：at為t時刻的彈丸侵徹目標的加速度A/D轉換的數(shù)字量；vt-1為t-1時刻的彈體軸向速度；l(t-1)為t-1時刻彈體侵徹行程. 將速度積分式(4)帶入侵深公式(5)，得

(6)

侵徹加速度信號在線處理時，對每一個A/D采樣點得到的數(shù)據(jù)積分需要大量的DSP處理器指令周期以及頻繁的程序調用、中斷與返回，因此本系統(tǒng)中采用了下采樣的方法，即在線計算實時侵徹深度時，對高速率采樣得到的侵徹加速度信號進行一次下采樣. 實驗表明下采樣因子為4時，系統(tǒng)軟件中信號高速采集算法、濾波算法和侵徹深度識別算法的時序可以很好的匹配，系統(tǒng)在不損失精度的條件下可以實現(xiàn)信號的實時在線處理.

3 系統(tǒng)的測試

3.1 半實物仿真測試

利用開發(fā)的BITHRSS-01半實物仿真系統(tǒng)，對基于DSP的硬目標侵徹起爆控制系統(tǒng)進行了仿真測試. 運行此仿真系統(tǒng)，對比不同侵徹初速度(538，630，763，800 m/s)下采集到的侵徹加速度與試驗加速度(如圖6所示)及仿真侵徹位移(見表1)，采集到的侵徹加速度與試驗加速度十分吻合，并且仿真侵徹位移與實測位移的絕對誤差小于50 mm，相對誤差都在10%以內，表明此侵徹起爆控制系統(tǒng)采集處理數(shù)據(jù)準確可靠，系統(tǒng)誤差小，可以用于實際彈丸侵徹混凝土靶實驗中.

初速度/(m·s-1)侵徹深度實際值/m侵徹深度仿真值/m絕對誤差/mm相對誤差%5380531720488343428263005297305219783157630964340951612741380010333410036297428

3.2 侵徹混凝土靶測試

彈丸垂直侵徹混凝土靶試驗中，靶板為半無限厚混凝土，通過高速攝像機和測速裝置所測得的彈丸的著靶速度為355 m/s. 打靶實驗后，將彈丸從靶板中取出，并從彈丸內取出起爆控制系統(tǒng)，對彈丸侵徹深度進行測量，侵徹深度約為0.7 m. 將起爆控制系統(tǒng)與計算機連接讀取存儲數(shù)據(jù)，圖7(a)為本次測試中讀取的加速度-時間數(shù)據(jù)曲線，圖7(b)為積分得到的位移-時間曲線，初始速度為350 m/s，侵徹深度為0.6 m，積分所得速度和侵徹深度與測量值吻合很好，說明此侵徹起爆控制系統(tǒng)抗沖擊能力強. 仿真結果與侵徹混凝土靶實驗表明，所開發(fā)的起爆控制系統(tǒng)適合于彈丸侵徹的高速信號采集與處理，并且失真小，精度高，可以實現(xiàn)預期功能.

4 結 論

基于狀態(tài)網絡設計和引信的模塊化設計理論，以高速數(shù)字信號處理器F2812為核心，結合16位高采樣率A/D轉換器AD7656，設計了硬目標侵徹起爆控制系統(tǒng)；此系統(tǒng)中采用全硅振蕩器取代石英晶體，結合抗高沖擊的灌封材料與灌封工藝，在沖擊環(huán)境下可承受較高的沖擊過載. 針對傳統(tǒng)侵徹過載信號濾波方法的局限性，將自適應濾波算法應用于本系統(tǒng)中，通過合理分配起爆控制系統(tǒng)軟件中信號高速采集算法、濾波算法和侵徹深度識別算法的時序，實現(xiàn)了過載信息的實時處理與識別. 同時對硬目標侵徹起爆控制系統(tǒng)進行了半實物仿真及侵徹混凝土靶測試，測試結果表明本文設計的起爆控制系統(tǒng)信號實時處理性強，可擴展性和可靠性好，失真小，滿足了侵徹控制系統(tǒng)的需求，可以用于實際的工程應用中.

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(責任編輯：劉雨)

Real-Time Information Sampling and Processing and Penetration Depth Identification of Penetrating Detonation Control System

LIU Zong-bao， GAO Shi-qiao， NIU Shao-hua， LIU Hai-peng， GUAN Yan-wei

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

To improve the real-time performance of penetrating detonation system， a miniaturized (φ40.0 mm)hard target penetrating detonation system was proposed based on design theory of state network and modularization design of fuze systems. Equipped with real-time digital signal processor (DSP), high-sampling-rate AD7656 and silicon oscillator instead of crystal oscillator, the system could process information in real-time and bear high shock. For the limitations of traditional filtering methods, two adaptive and fast methods were proposed to improve the system and realize real-time over loading information process in penetration. Combining hardware-in-the-loop simulation test and field test, the penetrating detonation system is demonstrated to be reliable under shock loading.

detonation control system; penetration; real-time processing; digital signal processor

2015-01-12

國家自然科學基金資助項目(11372045)

劉宗寶(1988—)，男，博士生，E-mail:JAY7575@163.com；高世橋(1961—)，男，教授，博士生導師，E-mail:gaoshq@bit.edu.cn.

牛少華(1975—)，男，博士，講師，E-mail:shh@bit.edu.cn.

TJ 43

A

1001-0645(2016)10-1025-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.10.008