(1.陆军军官学院弹药工程教研室 合肥 230031)(2.陆军军官学院研究生管理大队 合肥 230031)

某封锁子弹对车辆目标的探测识别及起爆时机确定*

殷希梅1张运兵2

(1.陆军军官学院弹药工程教研室 合肥 230031)(2.陆军军官学院研究生管理大队 合肥 230031)

论文为某封锁弹武器系统针对战场车辆目标设计一种探测与识别方案,对应其自身及运动特性采用地震动信号探测与磁信号探测结合的探测与识别模式,筛选确定相应的微处理器及传感器,设计了硬件电路及相应软件流程,最后通过试验予以验证。试验证明:论文所采取的探测识别手段可有效分类识别战场车辆目标,排除震动类干扰信号,在攻击范围内起爆杀伤目标,抗干扰能力强,算法简单,易于硬件实现。

封锁弹; 车辆目标; 地震动探测; 磁探测

ClassNumberTJ413

1 引言

某封锁弹武器系统是一种集信息获取、传输、接收并显示和攻击为一体的、前方探测后方处理显示的新型武器系统。该系统主要用于封锁敌方情况不明确的区域、我方侦察手段不便或不能到达的区域、敌方可能出现并对我造成巨大威胁的区域、需要长期监控的区域等,如敌方机场跑道、港口、洞库、交通枢纽等,可直接攻击进入子弹群内的坦克、装甲车辆及人员等。该系统的使用,可实现部队对远距离战场特定区域实施全天时、全天候的侦察和封锁。对于提高在战场环境下炮兵的对敌侦察能力,扩大战场信息探测的范围,改变炮兵传统作战模式具有十分重要的意义。

战场地面目标一般分为人员、轮式车辆和履带车辆三类[1]。实际对轮式车辆和履带车辆的攻击方式基本相同,因此,本文研究封锁子弹对车辆目标(轮式、履带)的探测与识别,针对目标的本身特征和运动特征设计具体的探测和识别方案。

2 探测与识别理论

2.1 基于地震动信号的探测与识别

战场中车辆在地面上运动,即是对地面施以一定的激励。而地球介质非刚体,这种激励肯定会引起地面的震动,即地震波。固可通过对目标运动引起的地震动信号的研究分析来确定震源目标的性质[1]。

2.1.1 特征提取

针对人员、车辆的地震动和噪声特性,本系统主要对时域信号进行特征提取和分析。实际提取的信号有以下特征:

1)周围无地震激励时也会有一定幅度的地震动信号存在,这主要是由其他地域地震动信号传至此处的叠加,风和声波的干扰及电路中产生的信号干扰等组成,通常幅度较小,频率变化不大。

2)人员运动产生的地震动信号与车辆运动产生的地震动信号有着明显的区别。脚步信号频数一般不超过6步/秒,且是周期性的脉冲信号根据这个特征;而轮式车或履带式车产生的却是连续的信号,且主频一般大于20Hz。

2.1.2 过零数分析

分别取两类目标信号在一段时间内的时域信息,并按一定规则设定阈值,计算两类目标信号在一定时间内的过零数。若过零数差别足够大,就可以区分两类目标,同时,采集时间越长,数值差别越大,越容易区别[2]。

由于信号幅值随目标和传感器之间的距离的增大而减小,因此过零数分析采用的阈值不应为常数,而应随信号浮动,通常按以下公式获得实时阈值:

式中,max{xi}k-1、max{xi}k-2为本次观测的前两次观测数据的最大值。浮动比例因子P通常在0.4～0.6之间取值[1]。

分别抽取两类目标2s时间段的实测样本信号,浮动比例因子P取0.4,确定一个阈值Z,分别计算两类目标信号的过零数。将信号过零数小于Z的目标归为人员,将信号过零数大于Z的目标归为车辆。经试验验证正确识别率超过95%。由此可见,过零分析法能够有效地对人员和车辆目标进行分类。

2.2 基于磁异信号的车辆目标探测

提取目标的时域信号采用过零分析能够有效地区分人车目标,但实际战场情况复杂,存在各种各样的干扰信号。若仅依靠地震动信号的分类识别和信号强弱确定起爆时机则容易因以下几种状况使子弹误爆:

1)大批量车辆在附近经过,信号幅度超过阈值但目标未进入有效杀伤范围;

2)因封锁区域某发子弹起爆造成强烈震动信号,其它子弹探测其幅度超过阈值;

3)有其他种类弹药在封锁区域或附近起爆,强烈地震动信号超过子弹起爆阈值;

4)其他震动类干扰信号。

因此,为避免上述情况造成的误爆,需要针对目标的其他特征另增探测手段综合确定起爆时机。

战场中车辆目标一般都具有铁磁特性,处在空间某一位置时会改变所在位置周围空间的地磁场分布,产生磁场异常,如图1所示[3]。

图1 磁异现象示意图

由著名的磁偶极子公式可知:由磁性目标在探测位置产生的磁场强度大小与两者之间距离的立方成反比,距离越近磁场强度越大。因此,可通过对环境周围磁场强度的测量,确定车辆目标的存在和位置[4]。通过对地磁环境的探测抗干扰性好,环境适应能力强[5]。

3 总体设计

系统结构框图如图2所示,主要包括地震动传感器、磁传感器及其信号调理与放大电路,电源模块、控制模块、通信模块等。同时,考虑到降低噪声,提高信号的信噪比,减少系统电磁干扰以及体积功耗等方面的因素,还必须有一些必要的辅助电路。

图2 系统结构框图

4 探测电路设计

4.1 元器件选型

4.1.1 微处理器

系统选用了基于ARM核心的中等容量增强型32位微处理器STM32F103C8T6,如图4所示。其工作频率为72MHz,内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM),拥有丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。而且支持睡眠、停机和待机三种低功耗模式,可以在要求低功耗、短启动时间和多种唤醒事件之间达到最佳的平衡。一系列的省电模式保证了低功耗应用,非常适合本系统的低功耗要求。

4.1.2 地震动传感器

对现有的地震动传感器进行充分的结构分析和产品调研,最终选用了DX20动圈磁电式传感器。该传感器具有抗旋转结构,能够经受火炮发射的高过载和高速旋转环境。市场上的此传感器的尺寸较大,难以满足系统的小型化要求。为此,联系了有关工厂在原传感器的基础上进行了改造,生产了具有抗高过载和高旋转性能的小型地震动传感器。

4.1.3 磁传感器

从本系统实际出发,综合考虑实际传感器结构特点、体积、功耗、磁场探测范围和经济性等因素,采用霍尼韦尔公司的磁阻传感器HMC5883L,它是一种表面贴装的高集成模块,并带有数字接口的弱磁三轴磁阻传感器芯片,采用霍尼韦尔各向异性磁阻(AMR)技术,具有体积小、成本低、工作电压低、功耗低、高集成、易于装配、适用于电池供电的特点,主要应用于低成本磁场检测领域。

4.2 电路设计

4.2.1 地震动信号采集与调理接口电路

设计由多运放组合的放大电路如图3所示,采用了两级仪用放大器,两个对称的同相放大器U6A和U6B构成第一级,第二级U6C为差动放大器。每一级放大电路都附加了一个一阶低通滤波器以消除较高频环境噪声。选用合适的阻值容值,就可把信号限制在某一频率范围内。此外,由于采用单电源模式,供电电压为5V,因此需提供一偏置电压将参考电平拉高2.5V,由电源模块的5V电阻分压后经U6D的电压跟随器提供,以保证信号的完整性。为了提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的影响,在电路设计过程中严格保证各级反馈电阻的平衡匹配。严格保证R34=R46,R38=R42,R35=R43,R36=R44。由于运放U6A和U6B的参数匹配,所以放大电路的输入失调误差大为减小。第二级运放U6C的失调参数折算到放大器输入端的等效失调参数更小。所以该放大电路既满足电路稳定性要求,又可提供上千倍的增益。

图3 地震动信号放大及滤波电路

4.2.2 磁信号采集与调理接口电路

HMC5883L磁信号采集电路如图4所示。外接5V电源。C1(10)接一个4.7μF的电容用于储能,同时为避免VDD的电压被拉低,储能电容C1在充电时电流是受限的。SETC(12)与SETP(8)接一个0.22μF的电容以完成传感器的复位/置位,每次测量时,会自动完成置位/复位。首先一次置位脉冲产生后进行测量,然后一次复位脉冲产生后进行测量,两次测量的差值的一半将会被放置在三轴上每根轴的数据输出寄存器上。这样,在所有测量中传感器的内部偏差和温度漂移差值就可以被移除/抵消了。串行时钟(SCL)和串行数据(SDA)线需要微处理器和HMC5883L之间装有上拉电阻(即图中R40与R41)。引脚DRDY(15)为信号输出脚,接微处理器。

图4 HMC5883L磁信号采集电路

5 识别软件设计

本文只涉及车辆的探测与识别,软件流程如图5所示。初始化主要将没有使用的引脚设置成上拉电阻输入形式以减小功耗;设置A/D转换、定时器及通信的串口参数。封锁初期为降低能耗子弹群进入静默值守状态,当震动信号超过门限,激活微处理器,微处理器每2ms采样一次地震动信号,取最近的500个采样点进行分类,若是车辆信号按信号强度确定目标距离,若信号源距离较远,启用通信模块将目标类型及位置坐标发回己方接收站;若信号源距离较近(10m),启动磁探测器区分干扰信号,确认目标后将目标类型及位置坐标发回己方接收站,目标距离最近时(信号刚由大变小时)起爆[6]。

图5 系统软件流程图

6 试验及结果分析

按设计的原理图制作PCB板,按软件流程图编写相应软件,对方案性能进行测试。测试中将震动及磁传感器按实际位置置于模拟子弹外部,模拟子弹放于地面,各模块可靠连接。让一辆轻型卡车(9.5t)从250m距离接近子弹,并从子弹旁经过,距子弹最近时5m,反复5次。测试震动传感器模块接口、磁传感器模块接口、点火模块接口和通信模块接口的信号电平,结果如表1所示。

表1 试验结果

由上表可看出,震动传感器可在约200m时探测到目标,磁传感器可在约10m时探测到目标,通信模块同时发送数据可知分类识别方案可靠识别出远距离和近距离车辆,点火模块作用时虽已进入子弹杀伤范围(10m),但距离并非最近,具体原因有待进一步研究。同时,系统对目标的探测距离与震源有关,车辆越大越重,产生的震动信号越强,引起周围的磁场变化也越强烈,系统对其实际探测范围越大,反之车辆越小越轻则对其探测距离越小。

7 结语

针对战场车辆目标,本文采取震动和磁探测结合的手段,选用相应元器件设计了信号采集及放大电路,根据预定算法编制软件流程,试验证明:此方法可在预定距离内分类识别战场车辆目标,当车辆进入攻击范围后就近起爆杀伤目标,抗干扰能力强,算法简单,易于硬件实现。

[1]张河.探测与识别技术[M].北京:北京理工大学出版社,2005.

[2]刘勇,赵河明,张亚,等.地面震动信号采集及分析技术研究[J].水电能源科学,2010(5):136-137.

[3]胡祥超.基于磁异信号的目标探测技术实验研究[D].长沙:国防科学技术大学,2005.

[4]谢白杨,李广亮,杨志恺.基于地磁技术的车辆检测传感器[J].杭州电子科技大学学报,2012(5):65-68.

[5]王庆飞,刘益良.地磁车辆检测器防非正常触发设计[J].重庆工学院学报,2008(2):26-29.

[6]王连福,王华,代秀娇,等.声磁复合探测系统设计及算法研究[J].中北大学学报,2005(5):67-71.

VehicleTarget’sDetectandIdentifyandDetonateOpportunityDetermineofABlockadeBomb

YIN Ximei1ZHANG Yunbing2

(1.Ammunition Engineering Staff Room, Army Officer Academy, Hefei 230031)

(2.Graduate Management Team, Army Officer Academy, Hefei 230031)

This article designed a detection and identification scheme to deal with battlefield vehicle target for a blockade bomb weapon system.Corresponding to its own motion characteristics, seismic signal detection combined with the magnetic signal detection are used.Screening the corresponding microprocessors and sensors, the hardware circuit and software process is design.Test proved that the detection and recognition means taken in this paper can effectively detect and identify battlefield vehicle target, eliminate vibrations interfering signals, detonate within attack range, anti-jamming capability is strong, and algorithm is simple and easily implemented in hardware.

blockade bomb, vehicle target, ground motion detection, magnetic detection

2014年3月14日,

:2014年4月29日

殷希梅,女,硕士,副教授,研究方向:信息化弹药弹载电路。张运兵,男,硕士研究生,研究方向:信息化弹药弹载电路。

TJ413DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.09.032