李煒昕，武海東，劉躍龍，王海濤

(1. 上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海 200090； 2. 上海市目標(biāo)識(shí)別與環(huán)境感知工程技術(shù)研究中心，上海 210090)

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基于靜電感應(yīng)的引信目標(biāo)探測(cè)傳感器研究*

李煒昕1,2，武海東1，劉躍龍1，王海濤1,2

(1. 上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海 200090； 2. 上海市目標(biāo)識(shí)別與環(huán)境感知工程技術(shù)研究中心，上海 210090)

摘要:針對(duì)復(fù)雜干擾環(huán)境中傳統(tǒng)引信目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定工作的問(wèn)題，探討了一種新型目標(biāo)探測(cè)體制. 基于靜電感應(yīng)基本理論，建立了靜電引信探測(cè)傳感器模型，設(shè)計(jì)和制作了高靈敏度的靜電引信探測(cè)傳感器和微弱信號(hào)檢測(cè)電路. 在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下對(duì)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明： 理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨于一致； 輸出電壓與系統(tǒng)增益、目標(biāo)電荷、相對(duì)速度和距離相關(guān)； 所設(shè)計(jì)電路能夠滿足引信的探測(cè)要求，可對(duì)靜電引信目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的工程化設(shè)計(jì)提供參考.

關(guān)鍵詞:靜電感應(yīng)； 方位探測(cè)； 引信； 傳感器； 靜電場(chǎng)

0引言

隨著空中來(lái)襲目標(biāo)的迅速發(fā)展，在隱身技術(shù)、人工有源干擾，甚至惡劣的電磁環(huán)境情況下，基于無(wú)線電、激光原理的傳統(tǒng)探測(cè)體制存在明顯缺陷或不足，甚至無(wú)法正常工作失去作戰(zhàn)效能. 由于探測(cè)問(wèn)題是如何充分利用目標(biāo)及其周圍環(huán)境信息的問(wèn)題，僅僅通過(guò)使用先進(jìn)的信息處理技術(shù)和高效處理算法顯然已經(jīng)不能滿足復(fù)雜干擾環(huán)境下的目標(biāo)探測(cè)，而采用不受現(xiàn)有電子對(duì)抗的新型探測(cè)體制無(wú)疑是一種最佳解決方案.

靜電探測(cè)[1]就是通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)的靜電場(chǎng)而獲得目標(biāo)信息的探測(cè)方法，因其能夠有效地克服傳統(tǒng)探測(cè)方式探測(cè)距離近、抗干擾能力差及效費(fèi)比低等問(wèn)題，使得人們?cè)跉夤虄上嗔鲄?shù)測(cè)量、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、靜電隔墻探測(cè)、狙擊手方位探測(cè)及空中飛行目標(biāo)的方位探測(cè)等領(lǐng)域進(jìn)行了許多相關(guān)研究. 1965年，空軍實(shí)驗(yàn)室J.E. Nanevicz等人[2]研制了兩種能夠測(cè)量空中飛行彈丸的電荷和速度的傳感器； 1975年，Law[3]首次提出了靜電感應(yīng)電極上的感應(yīng)電流與運(yùn)動(dòng)粒子所帶電荷之間的數(shù)學(xué)關(guān)系； J. B. Gajewski和Y. Yan教授[4-5]針對(duì)環(huán)形電極建立了靜電傳感器的數(shù)學(xué)模型，主要由絕緣管道、金屬電磁屏蔽罩和檢測(cè)電極組成； S. N. Murnane[6]等人提出使用鏡像電荷法描述靜電電極上感應(yīng)電荷與固體顆粒帶電量的關(guān)系； 隨后，Maciej A. Noras[7]等人提出了基于變?nèi)荻O管/MIS/MOS結(jié)構(gòu)的靜電場(chǎng)傳感器，為靜電領(lǐng)域的深入研究提供了技術(shù)基礎(chǔ).

國(guó)外對(duì)靜電傳感器的研究已經(jīng)相當(dāng)深入和廣泛，而在國(guó)內(nèi)靜電傳感器的研究起步較晚，在可查文獻(xiàn)中所研究傳感器主要應(yīng)用于民用研究領(lǐng)域[8-10]，對(duì)于靜電引信目標(biāo)的探測(cè)方法尚不成熟. 本文以靜電引信為研究對(duì)象，基于靜電感應(yīng)原理，建立靜電探測(cè)模塊數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了電流檢測(cè)式靜電探測(cè)傳感器，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究.

1靜電傳感器探測(cè)機(jī)理

圖1　靜電傳感器探測(cè)原理示意圖Fig.1　Principle sketch maps of electrostatic sensor detection

一個(gè)帶電量為Q的帶電物體A與不帶電的導(dǎo)體B相互靠近，由于施感電荷A產(chǎn)生的電場(chǎng)和感應(yīng)電荷所產(chǎn)生的場(chǎng)相互作用，會(huì)使導(dǎo)體B內(nèi)部的電荷重新分布達(dá)到靜電平衡狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程通常都是在極短時(shí)間內(nèi)完成(約為10～19 s). 本文用來(lái)檢測(cè)目標(biāo)靜電水平的靜電傳感器就是基于這一原理，荷電目標(biāo)在經(jīng)過(guò)靜電傳感器感應(yīng)電極的時(shí)候，感應(yīng)電極不與目標(biāo)直接接觸即獲取感應(yīng)電荷，在理想情況下傳感器信號(hào)調(diào)理電路獲取感應(yīng)電極輸出信號(hào)的原理如圖1 所示.

根據(jù)高斯定理，得出金屬電極表面任意一點(diǎn)的電荷密度

(1)

式中：ε為空氣的介電常數(shù)，Ean為該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度. 則感應(yīng)電極靠近荷電目標(biāo)一側(cè)所帶的異號(hào)電荷總量

(2)

式中：S為感應(yīng)電極帶異號(hào)電荷的面積.

當(dāng)荷電目標(biāo)和感應(yīng)電極之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)電場(chǎng)發(fā)生變化引起電極感應(yīng)電荷改變，從而導(dǎo)致電流變化

(3)

通過(guò)式(3)可知電流的變化量與目標(biāo)電場(chǎng)的變化值相關(guān)，利用靜電信號(hào)調(diào)理電路檢測(cè)該變化電流，可得到兩者之間的運(yùn)動(dòng)信息.

2傳感器數(shù)學(xué)模型的建立

空中飛行器其表面必定產(chǎn)生連續(xù)分布的表面電荷，且電荷分布受外部形狀、飛行速度和周圍環(huán)境等多種復(fù)雜因素的影響，分別建立電荷模型較為困難. 根據(jù)文獻(xiàn)[8]的分析結(jié)果，得出在探測(cè)距離為3～5倍飛行器長(zhǎng)度范圍以上時(shí)，電荷隨機(jī)分布的電場(chǎng)與點(diǎn)電荷電場(chǎng)強(qiáng)度之差低于1%，可將電荷模型簡(jiǎn)化為點(diǎn)電荷模型.

圖2　靜電場(chǎng)分布示意圖Fig.2　Diagram of electrostatic field distribution

彈丸尺寸相對(duì)于彈目脫靶距離較小，根據(jù)上述分析可以將彈丸近似作為點(diǎn)電荷進(jìn)行處理.

(4)

式中：x，y，z表示目標(biāo)在感應(yīng)電極平面以O(shè)為原點(diǎn)的坐標(biāo)值. 式(4)可看作點(diǎn)電荷在Z軸方向的靜電場(chǎng).

對(duì)式(1)進(jìn)行微分計(jì)算可得

(5)

同樣，利用高斯定理將任意時(shí)刻與過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的差值代入傳感器計(jì)算模型，可以推導(dǎo)出傳感器的輸出電壓

(6)

式中：A為感應(yīng)電極有效面積，g為傳感器增益，th為彈丸飛到傳感器過(guò)零點(diǎn)(距傳感器最近時(shí)刻)的時(shí)間.

3傳感器電路設(shè)計(jì)

圖3　靜電傳感器組成框圖Fig.3　The block diagram of the electrostatic sensor

在荷電目標(biāo)接近探測(cè)傳感器的過(guò)程中，荷電顆粒在靜電傳感器周圍產(chǎn)生的靜電場(chǎng)在不斷的發(fā)生波動(dòng)，致使靜電傳感器探極上的感應(yīng)電荷也在不斷的波動(dòng)，由于感應(yīng)電信號(hào)的波動(dòng)反映了靜電荷水平變化的信息，感應(yīng)電荷的變化在電極中誘導(dǎo)出nA或pA數(shù)量級(jí)的感應(yīng)電流，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將電荷的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，輸入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，加以適當(dāng)?shù)男畔⑻幚砑纯色@得靜電目標(biāo)的位置信息. 其中，靜電傳感器由感應(yīng)電極、Q/V轉(zhuǎn)換電路、前置電流放大電路、高增益放大電路、濾波電路和電壓跟隨電路構(gòu)成，如圖3 所示.

3.1感應(yīng)電極

由于靜電傳感器的感應(yīng)電極達(dá)到靜電平衡的長(zhǎng)短，決定了其對(duì)電場(chǎng)變化的響應(yīng)速度，文獻(xiàn)研究表明： 導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡的時(shí)間與外電場(chǎng)的大小、導(dǎo)體的幾何尺寸無(wú)關(guān)，僅取決于導(dǎo)體的電導(dǎo)率，電導(dǎo)率越大(電阻率越小)，導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡的時(shí)間就越短. 即無(wú)論傳感器探極的結(jié)構(gòu)如何，其探極的材料都要求具有良好的導(dǎo)電性，因此選擇電阻率小的材料作為傳感器的感應(yīng)探極，而選擇電阻率極大的材料作為絕緣材料. 本文采用0.2 mm的銅箔作為傳感器探極材料，聚四氟乙烯作為探極與殼體之間的絕緣材料，信號(hào)引線采用單芯屏蔽線.

靜電感應(yīng)電極輸出感應(yīng)電荷信號(hào)是一種低頻的微弱信號(hào)(頻率0～2 kHz)[10]，且源阻抗較高，因此在檢測(cè)過(guò)程中即使有少量電荷從測(cè)量電極流入測(cè)試儀表或泄露掉，都會(huì)造成較大的測(cè)量誤差. 為了減少感應(yīng)電極到高增益放大電路的分布電容的影響和外界干擾，提高信噪比，將交流電壓放大電路設(shè)置成前置放大器，對(duì)感應(yīng)信號(hào)起阻抗匹配和初步的電荷放大作用.

3.2Q/V轉(zhuǎn)換電路

靜電傳感器有兩種等效電路，相應(yīng)就有兩種信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，即電壓放大器和電荷放大器. 因電荷放大器的靈敏度與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，且下線頻率較低，因而采用Q/V轉(zhuǎn)換電路，如圖4 所示. 其可測(cè)量的最大電流受運(yùn)算放大器最大輸出電流的限制，可測(cè)最小電流受運(yùn)算放大器輸入偏置電流的限制.

圖4　I/V轉(zhuǎn)換電路Fig.4　I/V change-over circuit

電荷放大器輸出電壓與感應(yīng)電極電量Q之間的關(guān)系表達(dá)式為

(7)

轉(zhuǎn)換電路的輸出頻率為

(8)

3.3前置放大電路

由于靜電傳感器電極對(duì)荷電目標(biāo)的感應(yīng)信號(hào)非常微弱，且傳感器具有高內(nèi)阻的特點(diǎn)，因此需要將感應(yīng)信號(hào)輸入到測(cè)量電路的高輸入阻抗的前置放大器中變成低阻抗的輸出信號(hào)，再進(jìn)行后續(xù)電路的放大、濾波和采樣等信號(hào)處理.

圖5　前置放大電路Fig.5　Pre-amplifying circuit

前置放大電路主要由兩級(jí)構(gòu)成： 第一級(jí)采用低噪聲線性集成運(yùn)算放大器OPA128組成差分輸入的電壓跟隨器作為緩沖級(jí)，具有電路漂移小、共模抑制比高等特點(diǎn)； 第二級(jí)采用INA105構(gòu)成雙端輸入，單端輸出的差動(dòng)放大器，共模電壓可以相互抵消，具備較高的差模電壓增益. 當(dāng)R3=R4，R5=R6時(shí)，電路輸出信號(hào)的增益為

(9)

高增益電壓放大電路采用超精密運(yùn)放OP177，具有噪聲低、輸入阻抗高和輸出阻抗低等特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)增益控制電路實(shí)現(xiàn)1～2 000的增益.

3.4濾波電路

經(jīng)過(guò)多級(jí)增益放大的信號(hào)除去有用信號(hào)本身的頻段外，還包含很多低頻和高頻噪聲，如環(huán)境、市電、高次諧波干擾等. 因此，在信號(hào)調(diào)理電路中需要設(shè)計(jì)截止頻率為2 kHz的低通濾波電路和50 Hz帶阻濾波電路對(duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行去噪.

圖6　50 Hz雙T帶阻濾波器Fig.6　50 Hz twin T band elimination filter

采用低電流噪聲和低輸入失調(diào)電壓的四運(yùn)放AD704構(gòu)成4極點(diǎn)低通濾波電路. 為了增強(qiáng)濾波電路的帶載能力，將電路中濾波電容接地端改接到集成運(yùn)放輸出端，得到壓控電源性低通濾波電路. 同時(shí)，在電路的后兩級(jí)接入由平衡電阻和旁路電容構(gòu)成的平衡電阻網(wǎng)絡(luò)，可有效提高濾波性能.

帶阻濾波器采用對(duì)稱型雙T阻容有源濾波器，由一個(gè)低通濾波電路和一個(gè)高通濾波電路并聯(lián)起來(lái)構(gòu)成，如圖6 所示.

濾波中心頻率為

(10)

(11)

3.5傳感器電路標(biāo)定

雙電極和陣列電極靜電探測(cè)引信均利用多通道靜電信號(hào)在某一時(shí)刻的幅值進(jìn)行計(jì)算，要求多個(gè)靜電探測(cè)電路具有較高的一致性，以提高探測(cè)精度. 因此，需要利用自制電場(chǎng)標(biāo)定裝置對(duì)靜電傳感器進(jìn)行一致性校準(zhǔn).

圖7　標(biāo)定裝置原理示意圖Fig.7　Schematic diagram of calibration device

標(biāo)定裝置由可調(diào)穩(wěn)壓電源、平板電容箱、分壓網(wǎng)絡(luò)、屏蔽箱和極板支柱等構(gòu)成，如圖7 所示. 根據(jù)處于不同電位的兩塊相互平行，且有無(wú)限尺度的導(dǎo)電極板之間存在均勻電場(chǎng)的原理，在兩相距一定距離的平行極板加上已知的穩(wěn)壓直流電壓，可精確計(jì)算感應(yīng)極板處的電場(chǎng)強(qiáng)度

(12)

式中：U為施加在兩極板間的直流電壓，d為感應(yīng)電極與上極板之間的距離.

4起爆控制技術(shù)

靜電引信通過(guò)探測(cè)目標(biāo)周圍的靜電場(chǎng)特征來(lái)獲取目標(biāo)信息并進(jìn)行適時(shí)起爆控制，從而提高目標(biāo)的最大毀傷能力.

雙電極靜電引信利用一對(duì)探測(cè)電極感應(yīng)目標(biāo)的電荷變化量，通過(guò)檢測(cè)兩電極的微弱電流差獲得目標(biāo)靜電場(chǎng)變化信息.

(13)

式中：v為相對(duì)速度，x為探測(cè)距離，y為脫靶量，θ為電極與彈軸的夾角.

圖8　雙電極探測(cè)模塊典型變化曲線Fig.8　The experimental curve of dual e-field detection module

在彈目交會(huì)過(guò)程中，典型變化曲線如圖8 所示，彈目在接近和彈目遠(yuǎn)離過(guò)程中的電場(chǎng)變化規(guī)律關(guān)于D點(diǎn)呈對(duì)稱性分布. 靜電引信利用過(guò)零點(diǎn)C的位置確定彈目交會(huì)過(guò)程中最佳起爆時(shí)刻，并通過(guò)AB和CD段曲線特征的變化來(lái)區(qū)分和識(shí)別目標(biāo)與干擾物.

AB段特征：F(t)<0，F(xiàn)′(t)<0，F(xiàn)″(t)<0.

CD段特征：F(t)>0，F(xiàn)′(t)>0.

多通道(本文僅介紹四通道)靜電引信采用矢量側(cè)向原理，利用陣列靜電傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電運(yùn)動(dòng)目標(biāo)方位的識(shí)別.

由于目標(biāo)靜電場(chǎng)的作用，如圖9 所示，在感應(yīng)電極對(duì)13和24上產(chǎn)生電勢(shì)差U13,U24，根據(jù)幾何關(guān)系，可得

(14)

(15)

式中： eR為電場(chǎng)單位矢量，L13, L24分別為電極13、和電極24方向上的矢量.

根據(jù)測(cè)得兩極板之間的電壓值，可實(shí)時(shí)求出靜電目標(biāo)的方位角

(16)

5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證靜電探測(cè)理論和傳感器設(shè)計(jì)的正確性，進(jìn)行了不同起爆控制技術(shù)下探測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn). 本系統(tǒng)主要對(duì)雙電極和四通道靜電傳感器探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行原理性驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由靜電傳感器探測(cè)陣列模塊、目標(biāo)模擬單元和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成. 靜電目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖9 所示，雙電極采用感應(yīng)電極2和4構(gòu)成電流檢測(cè)式傳感器，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡為圖9上軌跡1； 四通道電流檢測(cè)式傳感器各路獨(dú)立工作，運(yùn)動(dòng)軌跡為圖9上軌跡2.

雙電極探測(cè)模塊測(cè)試結(jié)果如圖8 所示，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的靜電傳感器及信息處理電路能夠準(zhǔn)確識(shí)別特征曲線AB，CD段，可為引信邏輯控制電路提供最佳起爆信號(hào).

圖10 為靜電目標(biāo)以軌跡2與感應(yīng)陣列電極交會(huì)時(shí)，靜電探測(cè)傳感器的輸出信號(hào)波形. 可以看出，探測(cè)陣列傳感器均可以獨(dú)立工作，輸出信號(hào)變化規(guī)律相似，通過(guò)后續(xù)解算算法可有效獲取不同時(shí)刻的目標(biāo)方位信息.

圖9　實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.9　Schematic diagram of experiment setup

圖10　四通道傳感器輸出信號(hào)波形Fig.10　Signals waveform of four-channel sensor

6結(jié)論

本文以靜電引信為研究對(duì)象，基于靜電感應(yīng)原理，建立靜電探測(cè)模塊數(shù)學(xué)模型； 采用高靈敏度、高輸入阻抗的前置放大電路，設(shè)計(jì)了電流檢測(cè)式靜電探測(cè)傳感器，并通過(guò)原理樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該探測(cè)模塊能夠準(zhǔn)確獲取彈目交會(huì)過(guò)程中目標(biāo)的特征曲線，對(duì)靜電目標(biāo)方位進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè). 后續(xù)研究中可在靜電傳感器的自適應(yīng)匹配控制、濾波設(shè)計(jì)和介質(zhì)環(huán)境影響等方面進(jìn)行深入探討，進(jìn)一步提高傳感器探測(cè)精度以及向智能化方向發(fā)展.

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Research on Energy Loss of Fuze Setting System Based on Magnetic Resonant Coupling in Complex Environment

LI Weixin1,2, WU Haidong1, LIU Yuelong1, WANG Haitao1,2

(1. Shanghai Institute of Radio Equipment, Shanghai 200090, China；2. Shanghai Target Identification and Environment Perception Engineering Technology Research Center, Shanghai 210090, China)

Abstract:In order to solve the problem that target-detect system of tradition fuze can not work stablely under complex interference circumstances, a novel target detection system is discussed. The mode of electrostatic fuze detection sensor is constructed , a high sensitivity electrostatic fuze detection sensor and a weak signal detection circuit are designed and fabricated. based on the basic theory of electrostatic induction.Under laboratory environment, detection system is studied experimentally. The results show that theoretic analysis is consistent with the experimental result. The output voltage is related to system gain, target charge, relative velocity as well as distance. The designed circuit satisfies the detection requirement of fuze and provides reference for engineering design of electrostatic fuze target detection system under complex circumstance.

Key words:electrostatic induction; direction detection; fuze; sensor; electrostatic field

文章編號(hào):1671-7449(2016)04-0341-06

收稿日期：2015-12-10

基金項(xiàng)目：總裝預(yù)研基金資助項(xiàng)目(9140A05020515HT82001)； 上海市科委工程技術(shù)研究中心建設(shè)基金資助項(xiàng)目(15DZ2250800)

作者簡(jiǎn)介：李煒昕(1986-)，男，工程師，主要從事引信目標(biāo)方位的探測(cè)與識(shí)別等研究.

中圖分類號(hào):TJ43

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.04.010