李會(huì)兵，孫國(guó)先

（西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

目前，引信安全系統(tǒng)由機(jī)械式安全系統(tǒng)、機(jī)電式安全系統(tǒng)和全電子安全系統(tǒng)（ESAD）組成。全電子安全系統(tǒng)是由沖擊片雷管結(jié)合不含敏感火工品發(fā)展起來(lái)的第三代引信安全系統(tǒng)[1-3]。全電子安全系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的不可逆的環(huán)境信息，自主識(shí)別并解除保險(xiǎn)后，起爆輸入信號(hào)的有效確認(rèn)決定了起爆的時(shí)機(jī)、方位和空間,進(jìn)而提高戰(zhàn)斗部的有效毀傷效果。當(dāng)多路起爆輸入信號(hào)同時(shí)滿足預(yù)先設(shè)定的起爆閾值要求時(shí)，對(duì)其進(jìn)行識(shí)別與處理至關(guān)重要。

對(duì)于起爆輸入信號(hào)的識(shí)別，文獻(xiàn)[4]提出了利用MEMS加速度傳感器將碰撞目標(biāo)產(chǎn)生的過(guò)載信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，利用“閾值+時(shí)間窗”的算法對(duì)導(dǎo)彈碰撞目標(biāo)過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)載信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，但是利用該方法進(jìn)行識(shí)別時(shí)，時(shí)間窗寬度設(shè)置相對(duì)較小，當(dāng)多路起爆輸入信號(hào)同時(shí)輸入時(shí)，存在漏識(shí)別或者晚識(shí)別到有效輸入信號(hào)的可能，實(shí)時(shí)性較差。文獻(xiàn)[5]提出了將引信起爆輸入信號(hào)進(jìn)行AD采集，采集結(jié)果平滑濾波和信號(hào)最大值、最小極值判斷等處理，對(duì)起爆輸入信號(hào)的有效性進(jìn)行確認(rèn)，但是該方法只對(duì)低頻起爆輸入信號(hào)有效，對(duì)于導(dǎo)彈碰撞目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生的微秒級(jí)多路輸入信號(hào)，不能有效識(shí)別，可能造成瞎火，可靠性不高。

針對(duì)ESAD中多路起爆輸入信號(hào)同時(shí)滿足起爆要求時(shí)，識(shí)別可靠性不高，實(shí)時(shí)性較差的問(wèn)題，提出了ESAD中多路起爆輸入信號(hào)優(yōu)化識(shí)別方法。

1 研究基礎(chǔ)

1.1 觸發(fā)過(guò)載輸入信號(hào)

目前,在導(dǎo)彈飛行時(shí)，觸發(fā)引信與目標(biāo)直接撞擊，通過(guò)碰撞過(guò)載感知目標(biāo)信息[6-7]，若感知的過(guò)載信息滿足預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)起爆條件，則輸出起爆信號(hào)，引爆戰(zhàn)斗部。隨著導(dǎo)彈導(dǎo)引精度、直接力控制等新技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中直接碰撞目標(biāo)的概率在增大[8]，觸發(fā)引信的重要性也越來(lái)越重要。在設(shè)計(jì)觸發(fā)引信時(shí)，表征引信在碰觸目標(biāo)時(shí)反應(yīng)速度的指標(biāo)為靈敏度。靈敏度設(shè)計(jì)時(shí)基于安全性的考慮，防止誤輸出，設(shè)計(jì)觸發(fā)過(guò)載小于某一個(gè)值（200 g）時(shí)，不能啟動(dòng)；但是基于工作可靠性的考慮，保證可靠有效的輸出，大于等于某一個(gè)值（300 g）時(shí)，必須啟動(dòng)。為了避免觸發(fā)引信的觸發(fā)開(kāi)關(guān)因彈體振動(dòng)，意外閉合而可能導(dǎo)致任務(wù)失敗[9],利用MSMS加速度傳感器感應(yīng)撞擊目標(biāo)時(shí)的觸發(fā)過(guò)載，根據(jù)導(dǎo)彈的軸向?qū)⒏袘?yīng)到的過(guò)載信號(hào)分解為X方向、Y方向和Z方向，每個(gè)方向感應(yīng)各自方向過(guò)載的大小，輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，采用微控制器軟件進(jìn)行識(shí)別，能夠有效地提高觸發(fā)過(guò)載的可靠性和實(shí)時(shí)性。在實(shí)際飛行試驗(yàn)中，根據(jù)彈體與目標(biāo)碰撞的著角不同，MEMS加速度傳感器3個(gè)方向感受的過(guò)載值大小不同[4]，需要通過(guò)軟件算法，對(duì)X、Y、Z方向進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，確認(rèn)某一個(gè)方向的觸發(fā)過(guò)載滿足預(yù)先設(shè)定的起爆條件，輸出起爆信號(hào)。

1.2 硬目標(biāo)侵徹引信過(guò)載識(shí)別方法

硬目標(biāo)侵徹引信在侵徹過(guò)程中，利用安裝于引信內(nèi)部的MEMS加速度傳感器對(duì)侵徹過(guò)程中的目標(biāo)信息進(jìn)行識(shí)別，感受撞擊目標(biāo)的過(guò)程[10-12]。利用MEMS加速度傳感器感受層目標(biāo)，確定引信與目標(biāo)的接觸策略，具體工作過(guò)程如下所示。

假設(shè)引信工作后，實(shí)時(shí)采集采樣傳感器輸出的值為a1，為3個(gè)預(yù)先設(shè)定的加速度閾值，設(shè)計(jì)識(shí)別一個(gè)有效目標(biāo)層的方法，如下：

1）引信上電后，連續(xù)采集傳感器輸出的過(guò)載信號(hào)，當(dāng)采集到3個(gè)加速度值滿足，時(shí)，認(rèn)為彈丸已經(jīng)碰擊目標(biāo)；

2）在確認(rèn)到彈丸已經(jīng)碰擊目標(biāo)后，繼續(xù)采集n1個(gè)加速度值（根據(jù)彈速預(yù)先設(shè)定），若有n2個(gè)大于或等于，則認(rèn)為彈丸整體已經(jīng)侵入有效目標(biāo)，不是異常振動(dòng)干擾；

3）根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間，延時(shí)一段時(shí)間t；

4）記錄彈體侵入的有效層數(shù)，判斷結(jié)果是否與預(yù)先設(shè)定的起爆層數(shù)一致，若滿足設(shè)定，則發(fā)出起爆信號(hào)，否則跳轉(zhuǎn)至1）繼續(xù)識(shí)別[9]。

1.3 發(fā)射過(guò)載識(shí)別方法

采用“閾值+時(shí)間窗”的方法，對(duì)發(fā)射過(guò)載進(jìn)行辨識(shí)，是引信設(shè)計(jì)中有效的方法之一。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件，進(jìn)行發(fā)射環(huán)境確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)解除。

利用“閾值+時(shí)間窗”的方法完成發(fā)射過(guò)載的識(shí)別，即在一個(gè)以采樣頻率為移動(dòng)速度的時(shí)間窗內(nèi)保存每次采集的發(fā)射過(guò)載值，并且對(duì)整個(gè)時(shí)間窗內(nèi)的閾值進(jìn)行判斷，如果滿足預(yù)先設(shè)定的閾值要求，則認(rèn)為識(shí)別到發(fā)射過(guò)載；否則繼續(xù)執(zhí)行采集，直到滿足要求[13]。利用這種方法能夠在一定條件下去除軟件識(shí)別過(guò)載時(shí)周期性的干擾信號(hào)，提高發(fā)射過(guò)載有效性的辨識(shí)能力。

2 多路起爆輸入信號(hào)優(yōu)化識(shí)別方法

對(duì)于多路起爆輸入信號(hào)都滿足起爆條件時(shí)，識(shí)別可靠性不高、實(shí)時(shí)性較差的問(wèn)題，提出了ESAD中多路起爆輸入信號(hào)優(yōu)化識(shí)別方法，即采用并行滑動(dòng)采集多路起爆輸入信號(hào)，在一個(gè)采樣周期T內(nèi)，對(duì)每一路起爆輸入信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，并保存采樣結(jié)果，在每一路相應(yīng)的時(shí)間窗內(nèi)，用最新的采集數(shù)據(jù)替換最舊的采集數(shù)據(jù)，并且判斷時(shí)間窗內(nèi)每一路起爆輸入信號(hào)的采樣結(jié)果是否滿足預(yù)先設(shè)定的閾值要求，若滿足，則認(rèn)為起爆輸入信號(hào)有效，輸出起爆信號(hào)；否則繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè)采樣周期T。多路起爆輸入信號(hào)優(yōu)化識(shí)別方法能夠?qū)崿F(xiàn)在單內(nèi)核控制器中的多路準(zhǔn)并行處理。具體方法如圖1所示。

圖1 多路起爆輸入信號(hào)優(yōu)化識(shí)別方法

并行滑動(dòng)采集多路起爆輸入信號(hào)，在一個(gè)采樣周期內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)每一路輸入信號(hào)的采集點(diǎn)數(shù)，提高采樣頻率，增加此路信號(hào)有效性識(shí)別的寬度，提高識(shí)別多路輸入信號(hào)的可靠性，降低出現(xiàn)誤識(shí)別輸入信號(hào)的概率；且當(dāng)多路輸入信號(hào)同時(shí)滿足要求時(shí)，與串行采集執(zhí)行完某一路后進(jìn)行有效性判斷相比，并行滑動(dòng)采集在每一個(gè)采樣點(diǎn)利用滑窗采集后，都進(jìn)行是否起爆的有效性判斷，可以提高多路起爆信號(hào)同時(shí)輸入時(shí)的實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間。

圖1以四路起爆輸入方式為例說(shuō)明并行滑動(dòng)采集多路起爆輸入信號(hào)，即以指令起爆，X、Y、Z方向觸地過(guò)載為例說(shuō)明多路起爆輸入信號(hào)優(yōu)化識(shí)別方法。先設(shè)定每一個(gè)輸入方式的時(shí)間窗，再設(shè)定一個(gè)采集周期內(nèi)每一個(gè)輸入方式需要采集的次數(shù)Q（該方法中，指令起爆一個(gè)周期內(nèi)的采集次數(shù)Q=3；X方向過(guò)載、Y方向過(guò)載和Z方向過(guò)載的采集次數(shù)Q=1）；然后在一個(gè)采樣周期T內(nèi)，分別依次采集指令起爆、X方向觸地過(guò)載、Y方向觸地過(guò)載、Z方向觸地過(guò)載，將采集的數(shù)據(jù)保存在與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間窗內(nèi)，且每次采集的最新結(jié)果data最新總是替換時(shí)間窗內(nèi)最久保存的數(shù)據(jù)data最舊，最后判斷在該次采集時(shí)刻，相應(yīng)的時(shí)間窗中保存的有效數(shù)據(jù)是否滿足起爆要求，若滿足起爆要求，則輸出起爆信號(hào)；否則繼續(xù)循環(huán)依次采集，直到某一路輸入信號(hào)滿足設(shè)定要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該方法的可行性，在試驗(yàn)室中搭建驗(yàn)證環(huán)境，采用軟件編寫(xiě)并行滑動(dòng)采集多路起爆輸入信號(hào)的過(guò)程，模擬四路起爆輸入信號(hào)：指令起爆，X、Y、Z方向觸地過(guò)載進(jìn)行軟件算法驗(yàn)證。模擬輸入驗(yàn)證框圖如圖2所示。

圖2 模擬輸入驗(yàn)證框圖

測(cè)試判斷條件：在試驗(yàn)過(guò)程中，利用試驗(yàn)室模擬碰撞過(guò)程，如果模擬輸出有效值（高電平），則表明利用并行滑動(dòng)采集多路起爆輸入信號(hào)的方法有效，正確識(shí)別到輸入信號(hào)；若模擬輸出無(wú)效值（低電平信號(hào)），則表示利用并行滑動(dòng)采集多路起爆輸入信號(hào)的方法沒(méi)有正確識(shí)別到輸入信號(hào)。

3.1 X、Y、Z 3個(gè)方向觸地過(guò)載輸入算法驗(yàn)證

引信觸發(fā)過(guò)載采用MEMS加速度傳感器進(jìn)行感應(yīng)[14-16]，為了驗(yàn)證該算法的有效性，在試驗(yàn)室環(huán)境模擬AD公司的MEMS加速度傳感器ADXL001碰撞目標(biāo)時(shí)[17]，將感受到的過(guò)載變化信息作為輸入，利用任意波形發(fā)生器進(jìn)行模擬，完成驗(yàn)證。

在X、Y、Z3個(gè)方向觸地過(guò)載輸入驗(yàn)證過(guò)程中，利用任意波形發(fā)生器模擬X方向過(guò)載（Q=1）、Y方向過(guò)載（Q=1）和Z方向過(guò)載（Q=1），驗(yàn)證X、Y、Z3個(gè)方向觸地過(guò)載起爆信號(hào)同時(shí)輸入時(shí)，驗(yàn)證并行滑動(dòng)采集算法的可靠性和實(shí)時(shí)性。

設(shè)定過(guò)載值D，當(dāng)D>250 g時(shí)，且過(guò)載維持寬度H>530μs時(shí)，過(guò)載值有效。利用任意波形發(fā)生器1、2、3分別模擬不同方向碰撞目標(biāo)的過(guò)載值，并利用同步信號(hào)控制任意波形發(fā)生器同步輸出預(yù)先設(shè)定信號(hào)的時(shí)機(jī)，模擬ESAD碰撞目標(biāo)時(shí)的過(guò)載變化情況。

MEMS加速度傳感器的初值為2.5 V（模擬0 g），變化0.6 V（模擬變化250 g），過(guò)載維持時(shí)間t設(shè)置為480μs、560μs、800μs。根據(jù)并行滑動(dòng)采集算法的設(shè)計(jì)，采樣周期T設(shè)置為53μs（采樣頻率約為18 kHz左右），當(dāng)過(guò)載維持時(shí)間大于530μs時(shí)，輸出起爆信號(hào)。設(shè)定的過(guò)載輸入波形如圖3所示，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 X、Y、Z方向模擬過(guò)載輸入

圖3 模擬碰合瞬間輸入波形

圖4 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

由圖4可以看出，在模擬碰撞目標(biāo)過(guò)程中，X、Y、Z3個(gè)方向都產(chǎn)生了觸地過(guò)載，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件，過(guò)載大于250 g，且過(guò)載維持時(shí)間大于530μs時(shí)，利用并行滑動(dòng)多路采集方法識(shí)別到有效輸入信號(hào)，并且輸出起爆信號(hào)。圖4中，Z向過(guò)載值、過(guò)載維持時(shí)間也滿足起爆輸入條件，但是并沒(méi)有輸出起爆信號(hào)，因?yàn)椴⑿谢瑒?dòng)多路采集已經(jīng)識(shí)別到了X方向的過(guò)載，且輸出了起爆信號(hào)。不存在晚識(shí)別其他輸入通道的情況，多次采集過(guò)程中得到的結(jié)論相同,因此不會(huì)存在晚識(shí)別的情況,提高了起爆輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)性。

由表1可以看出，模擬碰撞目標(biāo)過(guò)程時(shí)，在滿足預(yù)先設(shè)定的530μs瞬發(fā)度時(shí)間內(nèi)，都可以進(jìn)行過(guò)載采集，增加了X、Y、Z3個(gè)方向觸地過(guò)載的有效識(shí)別寬度，與參考文獻(xiàn)[4]中識(shí)別寬度占設(shè)定值相比，能夠提高到90%以上，使識(shí)別可靠性大大增強(qiáng)。且其他通道的干擾信號(hào)不影響有效通道的輸入，能夠有效剔除干擾，提高可靠性和實(shí)時(shí)性。

3.2 X、Y方向觸地過(guò)載和指令起爆輸入算法驗(yàn)證

采用任意波形發(fā)生器4，調(diào)節(jié)指令起爆（Q=3）的輸出寬度；利用任意波形發(fā)生器1和2，模擬碰撞目標(biāo)的X、Y方向觸地過(guò)載（Q=1），進(jìn)一步驗(yàn)證三路起爆輸入信號(hào)優(yōu)化識(shí)別方法的有效性[18-19]。過(guò)載輸入模擬情況與上文相同，瞬發(fā)度要求不大于530μs；設(shè)置指令起爆瞬發(fā)度不大于5 ms。設(shè)定輸入波形如圖5所示，實(shí)際測(cè)試波形如圖6所示，實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)

圖5 模擬過(guò)載輸入和指令超爆

由圖6可以看出，在模擬指令起爆輸入時(shí)，X、Y方向觸地過(guò)載都有周期性的干擾過(guò)載信號(hào)輸入，起爆輸出信號(hào)并沒(méi)有因?yàn)榇嬖诟蓴_過(guò)載輸入而影響瞬發(fā)度的輸出，對(duì)于干擾過(guò)載的輸入可以有效剔除，增強(qiáng)了識(shí)別的抗干擾能力和可靠性，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，得到的結(jié)果一致。

圖6 實(shí)際測(cè)試情況

由表2可以看出，當(dāng)指令起爆輸入信號(hào)輸入設(shè)定為5 ms時(shí)，指令起爆輸出瞬發(fā)度為4.7 ms，輸出起爆信號(hào)沒(méi)有任何延時(shí)，實(shí)時(shí)性較高，不存在由于識(shí)別X、Y方向過(guò)載，使得起爆延時(shí)輸出。當(dāng)X、Y方向過(guò)載輸入與指令起爆同時(shí)滿足條件時(shí)，并行滑動(dòng)識(shí)別算法識(shí)別到X、Y方向過(guò)載滿足要求，輸出起爆信號(hào)，瞬發(fā)度由4.7 ms變化為530μs，提高了多路起爆輸入信號(hào)都滿足起爆條件時(shí)的響應(yīng)時(shí)間。

4 結(jié) 論

文中提出了ESAD中多路起爆輸入信號(hào)的優(yōu)化識(shí)別方法。該方法在單核芯片中，采用準(zhǔn)并行方式實(shí)現(xiàn)了多路輸入信號(hào)的采集。在每一路輸入信號(hào)采集的時(shí)間窗內(nèi)，用最新采集結(jié)果替換最舊的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在固定時(shí)間窗內(nèi)采集結(jié)果進(jìn)行滑動(dòng)的先入先出控制模式[20]。通過(guò)判斷時(shí)間窗內(nèi)的輸入信號(hào)是否滿足預(yù)先設(shè)定的閾值要求，確定此路起爆輸入信號(hào)是否有效；否則繼續(xù)執(zhí)行下一路采樣。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用準(zhǔn)并行滑動(dòng)采集多路起爆輸入信號(hào)軟件算法，能夠同時(shí)識(shí)別X、Y、Z3個(gè)方向觸地過(guò)載以及指令起爆輸入信號(hào)，提高了多路輸入信號(hào)識(shí)別的可靠性和實(shí)時(shí)性，適用于對(duì)多路信號(hào)同時(shí)輸入進(jìn)行識(shí)別。