目标硬层识别技术及电路设计Word格式.docx
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原创性声明
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所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。
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本声明的法律责任由本人承担。
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摘要
随着科技的不断进步和在军事应用上的持续深化，在现代战争中，作战双方的军事力量不断增强，打击手段推陈出新，重要军事目标已经坚固化和地下化，这大大促进了侵彻技术和钻地武器的发展。
侵彻弹药对硬目标实施精确毁伤的起爆控制方式主要有四种：
计时起爆、计层/计空穴起爆、计行程起爆和介质识别起爆。
其中，计层起爆方式就是当目标为多层硬目标时，引信电路采集和处理高g值加速度传感器传输来的减加速度信号，计算出侵彻战斗部穿透目标的层数，控制战斗部在预定的目标层起爆。
本文的主要内容就是针对侵彻过程中可能发生的干扰和产生的原因，研究在使用计层方式控制侵彻弹药炸点时的抗干扰问题，从而为侵彻引信的研制提供技术支持。
本文主要研究侵彻过程中引信计层控制的抗干扰问题，从而精确的控制炸点。
首先讨论了干扰可能产生的原因，确定了干扰层干扰和双峰干扰两种主要干扰形式，并分析了两种干扰在加速度计输出上的特点，然后根据它们产生的特点建立了抗干扰系统的模型。
在MATLAB中的SIMULINK模块中，利用编写的模拟信号，基于算法对抗干扰系统进行了仿真，结果是理论上可行。
为了克服传统的使用DSP和单片机等控制核心在信号采集过程中可能会造成的延时，根据抗干扰系统模型设计了一套纯硬件电路，实现抗干扰的功能，并完成了电路板制作和调试。
测试结果表示：
电路能够完成抗干扰的功能，对干扰层引起的干扰和双峰干扰均避免了计层的错误，精确地控制了炸点。
关键词：
侵彻引信，计层，加速度，抗干扰，定时器
HardTargetIdentificationTechnologyandCircuitDesign
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentsoftechnologyanddeeplyapplicationsinmilitary,themilitarystrengthofbothsidesinwarfareisgrowinginmodernwar,Themethodsofassaultareconstantlyupdated,butatthesametime，Theimportantmilitarytargetshavealsobeenruggedisedandunderground.Thedevelopmentofpenetrationtechnologyandburrowweaponshasbeenputforwardhigherrequirements.Therearemainlyfourkindsofmethodstocontroltheinitiationofhardtargetpenetrationammunitionaccuratedamage:
timingblasting,void/layeridentificationinitiation,depthinitiation,mediumrecognitioninitiation.Amongthem,theMethodoflayeridentificationmeansthatwhenthetargetishardmulti-target,fuzecircuitisacquisitionedandprocessedthesignaltransmissionfromhigh-gaccelerationsensors,thencalculatedthepenetratedlayersofthepenetrationwarhead,Inordertothecontrolthewarheaddetonationintheintendedtargetlayer.Thepossibilityofinterferencegeneratesandthereasonstheircauseisdiscussedinthisdesign.TheperformanceofAnti-jammingisresearchedwhenadoptinglayeridentificationinitiation.Technicalsupportisprovidedinthispaperforthedevelopmentofthepenetrationfuze.
Anti-jammingpropertyismainlyresearchedwhenadoptinglayeridentificationinitiationinthispaper.Inordertocontroloftheburstpointprecisely.Firstly,thecausesofinterferencemaybeproducedisdiscussed,theinterferencelayerandbimodalinterferencearedeterminedthetwomainformsofinterference.Then,Anti-jammingsystemwasestablishedthemodelaccordingtothecharacteristicsoftheinterferences’produce.EstablishingmoduleintheMATLABSIMULINK,whichusinganalogsignalsofredacting,jammingsystemaresimulatedbasedonthealgorithm,theresultistheoreticallypossible.InordertoovercomethetimedelaymaycausedinprocessofsignalacquisitionwhenusetraditionalwayofusingDSPandMCUcontrolcore.Asetofpurehardwarecircuitwasdesignedinthispaper,whichrealizingthefunctionofanti-interference.ThenmakePCBtodebuggingcircuit.
Thetestresults:
Thisdesignverifiesthefeasibilityandaccuracyoftheanti-jamming.Avoidingthecountererrorwhenfacinginterferencelayerandbimodalinterfere.Burstpointiscontrolledprecisely.
Keywords：
Penetrationfuze,Layeridentificationinitiation，Accelerometer，anti-interference，Timer
第一章绪论
1.1课题研究的背景和意义
从近年来的几场局部战争中（例如美国发动的伊拉克战争），可以看到，美军先进的打击武器得到广泛的应用，打击的准确程度得到了极大的提高，智能化打击武器的发展迅速。
面对美军的打击，伊军则束手无策。
从战争的过程可以看到，不断发展的攻击型武器对现在防御的方式及防御能力甚至是防御思想提出了强有力的挑战[1]。
从古到今，攻与防就是一对矛与盾，这一对矛盾的博弈是军事技术发展的主要源动力之一。
各国家都在不遗余力的将各种先进的科技应用在武器装备中，因此而产生的高科技武器层出不穷[2]，防御的方法也不断的发展。
随着精确制导武器命中精度的不断提高，战争的首要选择是精确打击敌方重要目标，特别是在局部战争中，“外科手术式”的精确打击已成为现阶段最有效最常用的攻击手段之一[3]。
为了保护重要的军事设施，各国在防御技术上都进行了广泛而深入的研究，主要采取深埋地下和增加坚固防护层等措施。
为对付这些地下深埋、拥有5～7m厚的等效混凝土防护的军事目标，国外所采取的有效手段是发展侵彻能力更强的侵彻弹药。
在最近几场局部战争和冲突中，例如1990-1991年的海湾战争、1992-1995年的科索沃战争、2001年的阿富汗战争及2003-2011年的伊拉克战争等，侵彻弹药在摧毁敌方坚固目标和地下深层目标方面发挥了巨大威力，起到了重要的作用。
经过了几十年的研究与发展，侵彻弹药的威力越来越大，重量也越来越重。
而现代侵彻弹药发展趋势是灵巧、小型，战斗部功能也从原始的单一侵彻器到多功能体系战斗部系统发展。
典型的侵彻弹药见表1.1所示[4-7]。
表1.1典型的侵彻弹药类型
序号
侵彻弹药
类型
重量
（kg）
高爆炸药（kg）
侵彻混凝土深度（m）
国家
1
Lamcer
450
91/55
3.4-6.1
美/英
2
BROACH
英国
3
Mephisto
500
45/56
法/德
4
ATAP-HP-2
430
23
2.4-3.4
美国
5
AUP-3
750
55
6
BLU-109
885
243
1.5-2.4
7
BLU-113
2000
285
4.6-6.0
8
BLU-116
874
109
3.4
9
BLU-118/B
895
254
引信,是弹药系统的大脑，是其核心控制单元。
侵彻弹药能够实现其功能的核心部件必然是硬目标灵巧引信；
硬目标灵巧引信的本质就是高过载条件下的自适应炸点控制起爆技术；
硬目标灵巧引信主要是依靠内部算法的控制，来实现精确打击的。
对于引信内部算法的要求主要有简要、量小、实时性强、容易实现等四个方面的要求。
硬目标灵巧引信工作原理是根据侵彻过程，安装在引信电路上的高g值加速度计输出的加速度信号，通过内部的算法和内置的程序来控制侵彻弹药的炸点，控制侵彻弹药到达最佳位置时引爆，以达到最大的毁伤效能。
由此可见，硬目标灵巧引信的核心技术是：
高性能加速度传感器、自适应算法、实时处理器。
由于复杂的地下目标结构和层防护，引信必须拥有多种起爆控制方式，使毁伤效果最大化。
硬目标侵彻引信实现其功能的起爆方式主要有四种起爆方式：
计时起爆控制方式、计层/空穴起爆控制方式、计行程起爆控制方式、介质识别起爆控制方式[8-12]。
硬目标灵巧引信根据所要侵彻的目标不同，可以选择上述四种常用起爆控制方式中的一种或者多种进行结合使用，以实现精确控制炸点。
近些年各国在军备研究方面，主要的四种炸点控制方式中，计层的方式一直是研究力度和投入最大的一种，同样也是战争中应用也最广泛的炸点控制方式。
计层控制炸点方式的定义是：
当被打击的目标是含有多层掩体的硬目标时，引信内部安装的加速度传感器因为受到层的阻碍不断输出减加速度信号，同时引信内部电路实时的采集和处理该减加速度信号（如减加速度信号的峰度、导数、拐点等），从特征信息中分析出战斗部已经穿透目标的层数或者空穴数，然后感受弹药的位置，当感受到战斗部到达预定的目标层内部时发出起爆信号。
侵彻弹药打击目标如图1.1所示。
硬目标灵巧引信在使用的时候会安装在各种弹丸上，例如战争中经常用到的钻地弹、战术导弹、侵彻子弹、反大型水面舰艇侵彻战斗部、巡航导弹侵彻爆破战斗部等侵彻导弹系统，以达到针对不同性质的硬目标都能精确摧毁的效果。
图1.1多层目标的侵彻引信的工作原理
计层控制技术在打击的过程中除了作为独立的炸点控制方式外，还可以和计行程、计空穴、目标介质识别起爆等其他的起爆方式相结合，最大程度上达到对目标进行准确、灵活打击的要求。
计层控制炸点技术中，最关键的技术就是对于目标层的判断，只有准确的识别了目标层达到与否，才能准确的控制炸点，也就决定了对目标的毁伤程度。
在目前国内外的研究中，识别目标层主要的原理是：
处理引信上安装的加速度传感器输出的侵彻过程中的加速度信号，通过分析提取出的加速度信号的特征信息，再经过计算，识别出已经侵彻目标的层数，实现计层的目的。
根据上述原理，本课题的研究意义就是研究基于高g值加速度计传感器的计层控制识别技术，并能在硬件方面加以实现，为硬目标侵彻武器系统提供一种灵活有效的打击方式。
1.2国内外发展的现状
1.2.1国外研究现状
回望钻地武器的发展史，早在二战时期，盟军就开始研究了钻地武器，其中功能上与现在定义的侵彻弹药最为相似的武器就是英国的“双柜”（Tallboy）和“巨响”（GrandSlam）炸弹。
但这两种炸弹堪称“巨无霸”，体积和重量都巨大，只有很少几种飞机能够运载这两种炸弹，即使能够运载，飞机投弹的精度也较低。
在靶场实验的过程中，从来没有投中目标，就更别说实战中钻入地下掩体了，因此利用飞机投置这两种炸弹不实用。
在这场战争结束前不久，英国研制又出一种用来攻击潜艇的炸弹——“迪尼斯”（Disney），它可以侵彻5.8米的加固混泥土并起爆。
可惜由于战争很快结束了，“Disney”没又能够在战争中体现它的威力。
二战结束后，美国开始在钻地武器方面投入大量的人力物力，对钻地武器的材料、结构、侵彻引信技术、侵彻机理等都进行了深入研究，并做了大量实验[13]；
这些研究成果为侵彻武器的发展奠定了坚实的基础。
这期间，其他国家也开始开发各种侵彻武器，不过很少进行实战检验。
直到了1991年的海湾战争，美国对伊拉克境内的目标两次打击时使用刚研制成功的GBu-28型激光制导侵彻炸弹，打击效果惊人[14]。
从此，各国都看到了侵彻弹药的威力，开始加大对侵彻武器研发，侵彻武器技术进入了快速发展的道路。
如今，侵彻武器正在向智能化程度越来越高、精度越来越准确、侵彻深度越来越大和毁伤威力越来越大的方向发展[15]。
主要表现在新型战斗部的开发、核侵彻武器的开发以及先进智能灵巧引信的开发等方面。
硬目标智能灵巧引信是侵彻弹药的关键机构，它控制着弹药的炸点[16]。
世界各国都在努力加深对硬目标智能灵巧引信的研究。
根据已知相关情报资料,从20世纪90年代中期，欧洲各国如英国、法国、德国以及美国等就开始了硬目标侵彻智能引信（又称硬目标灵巧引信）的研发工作。
取得的成果是有不下几十种引信被研制出来,具有代表性的两种引信：
首先是德国和法国合作研制的可编程智能多功能引信（ProgrammableIntelligentMulti-PurposeFuze，PIMPF），其次是美国Motorola公司和阿兰特技术系统公司在其研制的硬目标灵巧引信（HTSF）的基础上,为美国空军研制的多作用硬目标引信（MEHTF）[17]。
（MEHTF）引信最大行程可达78米，采用通用尺寸外形，适用多种侵彻弹药。
它们的共同特点是通过高过载加速度传感器采集侵彻加速度信号,使用微控制器进行信号处理并，实现炸点精确控制[18]。
1.2.2国内研究现状
与国外侵彻武器和灵巧引信的发展状况相比，国内此方面的研究仍然处在一个初级阶段，主要表现为起步晚、投入少、发展慢等特点，与世界领先技术相比，相差很大。
不足之处主要体现在对于侵彻过程的研究和对于硬目标侵彻智能引信的研究上。
在对侵彻冲击信号特征详细分析的基础上，范锦彪等同志开发过一种名叫硬目标侵彻动态记录仪的仪器，该仪器通过装在中轴线上的弹载加速度计来记录炮弹的加速度信号，并采用一种先进的软防护技术，能使一枚高速飞行的测量炮弹在不损坏数据单元的情况下减速，能够测得大于一万个g的轴向冲击加速度。
理论方面，李蓉等提出一种实时计算硬目标侵彻着速的方法，利用侵彻过程中加速度上升沿来实时计算侵彻过程中的速度变化，为六种炸点控制方法中的计行程炸点控制提供了重要的理论依据。
在90年代前，国内使用的侵彻弹药引信大多数为固定延时引信，即在侵彻开始延时一段时间后引爆战斗部。
这种引信控制炸点的原理简单，也很单一，就只有延时作用一种使用方式。
最大的问题在于装定还需要人工操作，装定的延时时间一但确定，就不能随意更改，打击方式十分死板，就是确定时间的起爆控制方式。
1985年左右，国内就已经开始在延时时间可调侵彻引信和可编程控制侵彻引信方面进行了大量的研究。
这些年，在硬目标灵巧引信研究方面，我国在高过载加速度传感器技术、高过载下电子器件的保护和加固技术等领域已经取得了突破性的进展。
在高g值加速度传感器研制方面我国起步晚，但现在，能够抗7万个g的MEMS加速度传感器已被研制出并投入到实际使用中[19]。
在开发研制对量程超过10万g的加速度传感器方面上也取得一定成效，例如最大量程可达10万g国产的压阻式高g值加速度计、新型电容式加速度传感器，其达到千分之一测量精度和1kHz以上的频率响应，线性度好，满足硬目标侵彻的要求[20]。
但是必须认识到，在高g值MEMS加速度传感器的研究上仍存在许多不足，主要表现在三个方面，分别是耐高过载、高冲击达到10万个g的加速度传感器还停留在实验室水平；
可靠性还远不能满足战争的要求；
还不能实现较高精度的炸点控制[21]。
在硬目标侵彻引信方面，虽然我国在大力发展，并取得了一定的成果，但是
与国外相比仍有很大差距。
在整个侵彻引信起爆控制技术方面，最为成熟的是定时起爆控制技术，研究成果多、发展快的是计行程和目标介质识别起爆控制技术，计层/计空穴起爆控制技术方面有一定研究[22]。
目前，计层/计空穴起爆控制技术主要有两个研究方向，即基于MEMS的加速度传感器计层/计空穴起爆控制技术和机械计层起爆控制技术，特别是对于前者的研究力度逐年增强，但成果却仍然没有达到理想程度[23]。
总之，虽然我国目前在硬目标灵巧引信传感器和起爆控制技术方面取得了显著的成就，但是与世界上其他发达国家的先进技术相比，仍然存在不小的差距，需要增强国际交流，继续努力。
应该进一步加强科研上的投入和重视科研人员的培养，争取早日形成突破。
1.3本文主要工作
针对硬目标侵彻引信四种起爆方式中的计层控制起爆，利用高g值加速度传感器来获取侵彻信号，分析侵彻信号的特征信息进行初步的预处理，然后自己设计一套纯硬件电路系统实现层数识别计数处理的计层控制技术。
重点在于抗侵彻过程中的干扰层干扰和双峰干扰，提高炸点控制的精度。
内容主要包括以下几个方面的：
第1章：
绪论部分，通过查阅国内外本领域的文章，专业，论文等，宏观上介绍了硬目标侵彻计层控制技术的原理和研究背景、国内国外研究现状。
主要阐述了主要工作内容和完成此工作的意义，就是抗侵彻过程中可能存在的各种干扰，精确的控制炸点。
第2章：
计层原理介绍和分析干扰产生的原因。
首先介绍了典型硬目标的发展方向和基本特征，解释了计层控制炸点的原理，然后分析了侵彻的整个过程。
重点讨论了可能产生的各种干扰，特别是干扰层干扰和双峰干扰，分别分析了它们产生的原因、后果。
第3章：
提出原理及理论验证。
针对可能出现的各种干扰，分别提出解决办法。
重点提出了抗干扰层干扰和抗双峰干扰的方法，就是建立一个抗干扰系统模型，然后，简要的介绍了MATLAB软件和SIMULINK工具包，在SIMULINK中用虚拟的侵彻信号验证了所设计抗干扰系统的可行性。
第4章：
硬件电路的设计。
根据抗干扰系统模型，使用逻辑器件、计数器、定时器等设计一个纯硬件电路，克服了传统使用控制模块为核心的硬件电路可能带来的延时问题。
重点介绍了硬件电路中各个部分的作用和实现方法，并且分别介绍了所使用的模块。
第5章：
电路板制作和侵彻信号验证。
根据所设计的硬件电路，选好封装，在AltiumDesigner中设计，制作抗干扰系统电路板。
通过侵彻实验得到了弹药侵彻两层板的实测信号，将此信号作为抗干扰电路抗干扰系统电路板测试的输入信号。
通过调整延时时间，改变计层结果，验证其抗干扰性能和控制炸点的精确性。
第6章：
结论。
总结全文，提出存在的不足。
第二章计层原理及干扰分析
2.1典型的硬目标类型
早期，为了打击硬目标，人们发明并使用侵彻弹药，这种弹药打击飞机场效果良好，因为机场跑道面积大，隐蔽性差[24]。
随着防护技术的提高，绝大多数具有重要战略价值的目标以开始深埋与地下或进行多硬层保护，其保护结构如表2.1所示，多重保护措施下，致使现有的打击措施相形见绌。
土壤、岩石、混凝土以及钢板等，是这些目标的防护介质，再依托大地这一天然掩体，这些地下目标既难以侦查发现，又很难对其造成毁伤。
用地面作为分界线，将目标的掩体和防护设施划分为两种：
地上防护设施：
常见的这类防御掩体主要是机库、防御建筑、严密防护的指挥中心、通信中心和核武器相关设施等。
这其中，机库就属于典型的层和空穴相结合的复杂目标，它的掩体是一个类似“三明治”的结构，它的掩体的主要结构由包括：
地表土层、人造钢筋混凝土层和钢板组成。
特点主要表现在：
防护能力较强，普通炸弹只能对期表面进行打击，很难伤害真正的目标，毁伤效果很差。
除了机库外，核武器的相关设施的掩体结构就设计的更为复杂，甚至很多核设施的防护都能抗
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