祝豪杰， 秦會斌

(杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018)

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基于磁傳感器的磁近炸引信探測系統(tǒng)設(shè)計

祝豪杰， 秦會斌

(杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018)

摘要:基于磁傳感器的磁近炸引信探測系統(tǒng)，適用于非接觸探測系統(tǒng)。以提高探測的范圍和穩(wěn)定性為目的，設(shè)計了可控放大濾波電路和復(fù)位置位電路等。為提高探測的時效性和精確性，提出了改進(jìn)型的濾波算法、檢測算法等方法。優(yōu)化改進(jìn)后的系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，能夠有效探測到鐵磁性物體的移動，論證了方案的可行性，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:磁近炸引信; 可控放大濾波電路; 濾波算法; 檢測算法

0引言

傳統(tǒng)的引信引爆方式主要采用瞬間觸發(fā)的方式，如,目標(biāo)物體踩到地雷，空投導(dǎo)彈等，這種引爆條件簡單但效果不理想，埋入地面的彈藥不能造成毀傷。在這種背景下，人們開始尋求不需要接觸目標(biāo)，同時又能在相對于目標(biāo)的最佳位置引爆的引信，即近炸引信。德國最早在20世紀(jì)30年代開始研究近炸引信，隨后前蘇聯(lián)、美國、日本等國家相繼開始進(jìn)行近炸引信的研究[1]。近炸引信一般由探測系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和引爆系統(tǒng)組成，它的工作原理是，利用探測系統(tǒng)對目標(biāo)源進(jìn)行檢測并把得到的物理場信號轉(zhuǎn)換成電信號，傳遞給信號處理系統(tǒng)，通過信號處理系統(tǒng)的判斷是否引爆[2]。國內(nèi)外的磁引信技術(shù)多用于精確制導(dǎo)導(dǎo)彈上，用于對導(dǎo)彈的姿勢方向進(jìn)行修正[3]，基于磁傳感器的探測系統(tǒng)，常用于車輛檢測[4]。

本文設(shè)計了基于磁傳感器的引信系統(tǒng)，探測的目標(biāo)相對于車輛要小很多，例如：大型的槍械類武器。

1磁近炸引信的工作原理

系統(tǒng)磁傳感器為霍尼韋爾公司的HMC1001。磁傳感器能夠?qū)⒋艌鲂盘栟D(zhuǎn)換成電信號，當(dāng)該區(qū)域出現(xiàn)鐵磁材料構(gòu)成的物體時，附近磁場就會發(fā)生變化，導(dǎo)致磁傳感器輸出的電信號發(fā)生改變。它依據(jù)磁阻效應(yīng)，在給鎳鐵導(dǎo)磁合金通電的情況下，施加一個垂直于電流方向的磁場，合金的電阻會會發(fā)生變化[5]，如圖1所示。

圖1　磁傳感器工作原理Fig 1　Operating principle of magnetic sensor

2系統(tǒng)框架設(shè)計

硬件框圖如圖2所示。磁阻傳感器將得到的弱磁場信號轉(zhuǎn)換成電信號，傳遞給一級放大電路，再經(jīng)過耳機(jī)反饋放大，得到放大信號傳遞給單片機(jī)采樣處理，最后通過單片機(jī)點亮LED代替引爆信號。

圖2　系統(tǒng)硬件框圖Fig 2　Hardware block diagram of system

2.1放大電路設(shè)計

HMC1001的輸出信號為差模信號，但含有大量的共模信號，設(shè)計時使用儀表放大器芯片AD623來抑制共模信號。AD623具有高共模抑制比，能夠有效抑制共模信號，具有優(yōu)秀的失真性能[6]。典型電路圖如圖3(a)所示，增益大小可以通過電阻R控制。

圖3　一級放大電路和二級放大電路設(shè)計Fig 3　Design of level 1 amplif circuit and second ary amplifier circuit

如圖3(b)所示，二級放大的電壓經(jīng)過濾波電路后，給單片機(jī)進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣電壓的大小來控制DA芯片的輸出，直到采樣電壓穩(wěn)定在電壓幅值的中段，單片機(jī)選用PIC16F886 ，它自帶10位的AD采樣。

2.2置位復(fù)位電路設(shè)計

磁阻傳感器在受到磁場強(qiáng)度大于5 Gs時，輸出信號會嚴(yán)重變形。為減少這種影響，需要利用磁開關(guān)技術(shù)來消除過去磁歷史的影響。傳感器有一條S/R電流帶，只需要給與高于4 A、脈寬大于2 μs的脈沖電流，就可以重新對準(zhǔn)磁區(qū)域方向，恢復(fù)傳感器的靈敏度[7]。復(fù)位電路如圖4所示，復(fù)位信號由單片機(jī)提供。

圖4　置位復(fù)位電路Fig 4　Set-reset circuit

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)功能通過硬件和軟件的配合實現(xiàn)，軟件部分包括單片機(jī)采樣功能、置位復(fù)位信號、二級放大反饋程序設(shè)計、濾波算法和檢測算法[8]等。其中,濾波算法和檢測算法是本系統(tǒng)軟件設(shè)計的關(guān)鍵，其流程圖如圖5所示。

圖5　濾波算法和檢測算法流程圖Fig 5　Flow chart of filtering algorithm and detection algorithm

3.1濾波算法設(shè)計

數(shù)字濾波可以有效提高采樣的精確度，本系統(tǒng)設(shè)計的濾波算法結(jié)合滑動濾波算法和脈沖干擾算法的優(yōu)點，流程如圖5所示。假設(shè)初次采樣的樣本數(shù)目為N，則存在N個采樣值，X1，X2，X3,…,Xn。算法實現(xiàn)過程如下：

1)初次采樣使用排序算法把N個采樣點按從小到大排列得到新的序列Y1，Y2，Y3,…,Yn。

2)去掉Y1和Yn，剩下的n-2個數(shù)值取平均值作為濾波輸出。

3)新的一次濾波時，獲取2個新的采樣值，插入到上次采樣后的n-2個數(shù)值中。

4)重復(fù)步驟(2),(3)。

本系統(tǒng)的濾波算法，能有效濾除脈沖干擾，保證數(shù)據(jù)平滑性的同時具有較高的時效性，能夠快速反映環(huán)境變化對系統(tǒng)造成的影響，除了初次采樣需要完整的排序算法，非初次采樣的排序，只需要將數(shù)值插入到排好序的采樣樣本中，降低了算法計算周期。

3.2檢測算法設(shè)計

為檢測移動金屬對磁傳感器輸出造成的變化，通過將采樣電壓控制在幅值中段區(qū)間來方便檢測。不同環(huán)境下傳感器輸出電壓不同，利用DAC7311輸出電壓控制采樣電壓達(dá)到中段區(qū)間，然后進(jìn)入檢測算法。系統(tǒng)用到檢測算法是根據(jù)采樣得到的電壓設(shè)定合適的閾值，再實時監(jiān)測采樣電壓，如圖5所示。這里以采樣電壓高于上限閾值為例：

1)當(dāng)檢測到采樣電壓高于閾值，儲存該電壓值；

2)重新設(shè)定閾值，計數(shù)器加1，延遲0.1 s；

3)再一次采樣當(dāng)前電壓值，若采樣電壓值高于閾值重復(fù)步驟(2),(3)，若采樣值在閾值范圍內(nèi)，計數(shù)器歸0；

4)若計數(shù)器達(dá)到5，則認(rèn)為有目標(biāo)經(jīng)過，給與后續(xù)電路信號低于閾值的情況相同的方式處理，閾值需要根據(jù)多次的實驗才能確定，計數(shù)器的次數(shù)，可以根據(jù)實際情況作出調(diào)整。

4實驗結(jié)果與分析

運動目標(biāo)由人攜帶金屬物體代替，金屬物體選用常規(guī)格的滅火器。檢測位置方向與敏感軸方向如圖6所示。

圖6　檢測方式Fig 6　Mode of detection

對應(yīng)不同的距離D和不同的位置，檢測到的波形變化如圖7所示。

圖7　敏感軸方向和反方向檢測圖Fig 7　Detection diagram in sensitive axis direction and the opposite direction

從圖7中可以看到,波形浮動隨著檢測距離的增加逐漸減少。最后做LED燈的測試，判斷有目標(biāo)經(jīng)過時，點亮LED代替引爆信號。在不同的距離各做8次測試，測試結(jié)果：測試距離為1.0 m，成功次數(shù)為8次；測試距離為1.5 m，成功次數(shù)為7次；測試距離為2.0 m，成功次數(shù)為2次。距離越近成功概率越高，距離到2.0 m時，系統(tǒng)無法正常檢測到。這同單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度、檢測算法和采樣精度都有關(guān)系，說明檢測算法的閾值對實驗結(jié)果有很大的影響。單片機(jī)自帶模/數(shù)轉(zhuǎn)換是10位的采樣精度，這意味著當(dāng)滿幅的電壓為5 V時，單片機(jī)能夠得到的最小采樣精度是5/210≈4.9 mV，同時設(shè)定的閾值有40 mV，這就導(dǎo)致一些人眼可以觀察到的波動，單片機(jī)可能會錯過，無法正常檢測出來。

5結(jié)束語

本文介紹了一種基于磁傳感器的磁引信探測系統(tǒng)的設(shè)計方法，設(shè)計了可控的二級放大電路，提高了磁傳感器的探測距離，對于小型的金屬目標(biāo)具有良好的探測效果。測試結(jié)果顯示：本設(shè)計可以達(dá)到預(yù)期的探測效果，證明了方案的可行性，為后續(xù)研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

[1]陳曉宇.激光近炸引信目標(biāo)探測與判別技術(shù)[D].西安：西安電子科技大學(xué), 2013.

[2]于靜, 孔敏, 王冬梅.基于電容傳感器的電容近炸引信炸高散布研究[J].傳感器與微系統(tǒng), 2013, 32(7):29-31.

[3]楊曉浩.地磁信號測姿技術(shù)在彈道修正引信中的應(yīng)用[D].南京:南京理工大學(xué), 2006.

[4]王震, 米東, 徐章遂.磁阻傳感器在弱磁測量中的應(yīng)用研究[J].儀表技術(shù), 2007(6):70-71.

[5]Versluijs J J, Bari M A, Coey J M D.Magnetoresistance of half-metallic oxide nanocontacts[J].Physical Review Letters, 2001, 87(2):026601.

[6]李棟.火箭彈用磁強(qiáng)計及姿態(tài)測試系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].太原：中北大學(xué), 2014.

[7]王麗穎, 支煒, 孫紅霞, 等.基于 HMC1022 磁阻傳感器的數(shù)字電子羅盤的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù), 2009(1):108-111.

[8]伍靈杰.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)字濾波算法的研究 [D].北京：北京林業(yè)大學(xué), 2010.

Design of magnetic proximity fuze detection system based on magnetic sensor

ZHU Hao-jie, QIN Hui-bin

(Hangzhou Dianzi University,Institute of Electron Devices & Application,Hangzhou 310018,China)

Abstract:Magnetic proximity fuze detection system which based on magnetic sensor is suitable for non-contact detection system.To enhance range of detection and stability, controllable amplifier filtering circuit and set-reset circuit are designed for the system.In order to improve timeliness and accuracy of detection,improved filtering algorithm and detection algorithm is proposed.System which is improved and optimized has good stability and adaptability, and it effectively detects moving of ferromagnetic objects, feasibility of the scheme is proved, and lay foundation for future studies.

Key words:magnetic proximity fuze; controllable amplifier filtering circuit; filtering algorithm; detection algorithm

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0115—03

收稿日期：2015—06—18

中圖分類號:TJ 43; TP 212

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)03—0115—03

作者簡介:

祝豪杰(1989-)，男，浙江寧波人，碩士研究生，主要研究方向移動目標(biāo)中近程探測、識別技術(shù)。