杨　文，于文松，裴东兴，张　瑜，祖　静，2*

（1.中北大学计算机与控制工程学院，太原030051；2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051）

弹载弹丸参数测试技术的研究

杨文1，于文松1，裴东兴1，张瑜1，祖静1，2*

（1.中北大学计算机与控制工程学院，太原030051；2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051）

针对目前采用外弹道测试技术测量弹丸转速，炮口初速及章动参数难度大，装置复杂等问题，设计了弹载弹丸参数测试系统。该系统采用CC430芯片作为主控芯片，集控制功能和无线发送数据于一体。利用动态存储测试技术采集和存储地磁传感器产生的感应电动势信号，提出了解算弹丸炮口初速和基于希尔伯特变换法提取信号包络解算章动参数的新算法。通过对某型杀爆弹数据的分析，所得弹丸参数均在理论范围值内。

CC430；地磁传感器；动态存储测试；希尔伯特变换

对弹丸转速，炮口初速及章动参数的精确测量对火炮的设计和精确打击目标具有重要意义。目前，多采用雷达测速法，区截装置测试法，纸靶法等对弹丸炮口初速和章动参数进行测量。这些方法都属于外测法，容易受到外部环境的影响，并且测试装置比较复杂。本文介绍了一种基于动态存储测试技术和无线射频传输技术的弹载弹丸参数测试系统，通过精确测得的弹丸转速提出了解算弹丸炮口初速和章动参数的新方法［1-5］。

1　测试系统的工作原理

测试系统主要由CC430单片机、地磁传感器、ADC转换器、FLASH存储器组成。系统的原理框图如图1所示。在实弹发射前，测试系统处于低功耗状态。上电信号到来后，系统开始循环采样，并把数据存储在RAM中。当炮弹发射时，产生内触发信号，单片机开始高速采集地磁线圈随弹丸旋转切割地磁场产生的信号，并把数据存入闪存，直至到达落点接收机通过无线收发装置读取数据［6-9］。

图1　弹载弹丸转速-炮口初速测试系统

收稿日期：2015-05-06修改日期：2015-06-06

2　测试系统的设计

2.1地磁传感器的设计

地磁传感器的实物图如图2所示，薄膜线圈式传感器贴于单体外壳表面，根据法拉第电磁感应定律测量弹丸的转速。当弹丸高速自旋时，薄膜线圈切割地磁线产生感应电动势，通过感应电动势的变化可以测出弹丸的转速参数［10］。

图2　薄膜线圈式地磁传感器

2.2放大滤波电路的设计

地磁传感器的输出感应电动势信号是mV，所以需要使用放大电路对信号放大。由于地磁传感器会输出负压信号，需要给输入端一个共模电压。输入与输出电压的关系为：Vout=（Vin+-Vin-）G+VREF。其中，Vin+-Vin-为差动输出，VREF为正偏电压，G为放大倍数。为去除噪声干扰，运用大电阻、小电容组合设计了二阶低通滤波器。放大、滤波电路图分别如图3和图4所示。

图3　放大电路原理图

图4　滤波电路原理图

3　弹丸参数的测量

3.1弹丸转速的测量

弹载弹丸参数测试系统随弹飞行模拟图如图5所示。弹丸射出炮口后会沿弹道高速自旋，弹丸自旋时地磁线圈会切割磁场线产生感应电动势E，地磁线圈匝数为N，磁通量为φ，弹丸转速为w，θ为线圈旋转角度，S为线圈面积，B为地磁场强度，γ为弹丸轴线与地磁场间夹角。有

图5　弹丸飞行模拟图

当弹丸在出炮口的一段时间内弹丸运动轨迹近似一条直线，因此γ几乎不变。由推导可知，当sinθ取最大值时，地磁传感器输出的感应电动势E=-NBS·sinγ·w。

图6和图7分别为某型弹丸的实测转速信号曲线图和其100 ms内的展开图。

图6　转速信号曲线图

由图7可知，第1阶段为0～17 ms，由于弹丸在炮膛内运动，炮膛产生了一定的屏蔽导致输出信号较弱，第2阶段是在炮口处产生了爆破，引起的巨大冲击所致，第3阶段的信号是比较规律的正弦波。由转速测试原理可知，转速即为输出正弦信号的频率。将数据经过小波降噪后，基于求零点的方法得出半个周期的转速，连续求出相邻周期的平均转速再进行拟合，即可得到某一时间段的平均转速。

图7　100 ms内信号展开图

表1为弹丸出炮口后1 s内的测量转速值与理论值的对比结果，理论值与实测转速的相对误差小于3%，满足测试精度要求。

表1　弹丸1 s内测量与理论转速值

3.2弹丸炮口初速的解算

膛线绕炮弹旋转一周，在轴向移动的长度称为膛线的缠度，用η表示，D为弹丸口径。弹丸在膛内旋转2π，其轴向距离为ηD，有，其中dθ为在dt时间内弹丸旋转的角度，dl为弹丸在dt时间内弹丸轴向运动的距离。两边同除以dt，有，则v=.其中η与D都是确定值。运用转速解算炮口初速的结果与雷达测试结果如表2所示。

表2　炮口初速解算值与雷达测试结果

3.3章动参数的解算

弹丸出炮口后，一方面沿着弹轴高速自转，另一方面沿着弹道的切线做周期的摆动，即章动。随着弹丸的飞行章动的角度会不断变化，章动周期和章动角的获得对分析弹丸的飞行姿态及弹丸设计具有重要意义。图8为弹丸有章动的飞行模拟图，在有章动的情况下地磁传感器产生的感应电动势为E1，E1=·S·cosθ·sin（γ+δ）］。

仅由弹丸自旋产生的感应电动势

E=-NBS·sinγ·w，而E1=-NBS·sin（γ+δ）·w，

则可求得章动角δ。

图8　弹丸有章动模拟图

对转速信号滤波和去除基线处理后，通过希尔伯特变换法提取转速信号包络即为弹丸的章动曲线如图9所示。从图9可看出，弹丸的章动曲线近似于正弦信号。通过对曲线的分析，得出弹丸在0～3 s的章动周期值见表3。所得结果与理论分析相符，弹丸出炮口后章动角会逐渐变小，说明弹丸在飞行过程中逐渐趋稳，未发生空翻等异常现象。

图9　弹丸章动曲线图

表3　某型弹3 s内的章动周期值　单位：s

4　结束语

本文提出了一种基于动态存储测试技术运用弹丸转速信息解算弹丸参数的新方法。该系统以CC430单片机为主控芯片，集数据采集、存储和无线传输于一体。克服了传统外测法测试装置复杂，易受环境干扰难以获得完整数据的困难。设计系统实验测试结果与传统外测法测得的结果基本一致，说明该系统运行可靠，并简单易行。

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杨文（1987-），男，汉族，湖北荆州人，硕士，研究方向为动态测试与智能仪器，yangwen8136@163.com；

祖静（1933-），男，汉族，北京人，教授，博士生导师，主要研究方向为仪器科学与技术，动态测试与智能仪器等，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