弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法研究_孙亚杰.pdf

数据采集与处理测控技术2023 年第 42 卷第 7 期收稿日期:2022 12 17基金项目:武器装备预先研究项目(9090101020201)引用格式:孙亚杰，梁轲，马孟新，等 弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法研究 J 测控技术，2023，42(7):95 101SUN Y J，LIANG K，MA M X，et al Target Identification Method of Fuze Layer for Projectile Penetrating Multilayer Concrete Tar-get Plate J Measurement Control Technology，2023，42(7):95 101弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法研究孙亚杰，梁轲，马孟新，牛兰杰(西安机电信息技术研究所，陕西 西安710065)摘要:为解决侵彻多层混凝土靶板过载层间粘连影响引信计层精度的问题，提出了弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法。首先通过模态分析得到弹体一阶轴向固有频率;然后完成不同工况的侵彻动力学仿真，得到过载信号主频与弹体一阶轴向固有频率差距在 8%以内这一特性;并提出一种层目标识别方法，对过载信号进行低通滤波得到近似刚体过载;再根据自适应判层阈值、信号脉宽对近似刚体过载进行识别，识别当前层数;最后通过多个算例得到该方法的适用范围，即着角不大于 10、侵彻初速度为 400 900 m/s、靶板层数在 15 层以下。关键词:侵彻引信;层目标识别;自适应阈值;过载信号主频;固有频率中图分类号:TJ43文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)07 0095 07doi:10 19708/j ckjs 2023 07 014Target Identification Method of Fuze Layer for ProjectilePenetrating Multilayer Concrete Target PlateSUN Yajie，LIANG Ke，MA Mengxin，NIU Lanjie(Xi an Institute of Electromechanical Information Technology，Xi an 710065，China)Abstract:To solve the problem that the overload signal layer adhesion affecting the precision of the fuze meterlayer when the projectile penetrating multilayer concrete target，a method of target identification of the fuze lay-er for projectile penetrating multilayer concrete target plate is proposed Firstly，the first-order axial natural fre-quency of the projectile body is obtained by modal analysis The penetration dynamics simulation under differ-ent working conditions is completed，and the property that the difference between the main frequency of over-load signal and the first order axial natural frequency of the missile is less than 8%is obtained A layer targetrecognition method is proposed，by low-pass filtering the overload signal，approximate rigid body overload is ob-tained According to the adaptive layer detection threshold and overload duration，the approximate rigid body o-verload signal is identified and the current layer number is identified Finally，the application range of themethod is obtained by several examples，the angle is less than 10 degrees，the initial penetration velocity is400 900 m/s，and the number of layers of the target plate is less than 15Key words:penetration fuse;layer target recognition;adaptive threshold;master frequency of overload signal;natural frequency战斗部侵彻多层混凝土靶板过程中，引信要从加速度信号中获取目标的层数信息，从而控制战斗部在预定层起爆。在现代战争中，各国对地下指挥中心、机库等高价值目标的防护越来越复杂、坚固，迫使侵彻弹59药速度不断提高，以达到高效毁伤。但随着侵彻速度的提高，弹体侵彻多层混凝土靶板的过载信号会出现粘连，这对引信的计层识别能力提出了更高的要求。侵彻过载信号主要由 3 部分组成:刚体过载、应力波振荡形成的弹体结构响应、测试系统的振动和噪声1 2。文献 3 文献 5 对过载信号进行频谱分析，认为过载信号主频与弹体轴向固有频率接近，但没有深入研究不同工况对过载信号主频的影响。文献 6文献 12提出对过载信号进行低通滤波、小波分解等，可以消除侵彻过载的层间粘连，但没有研究滤波截止频率选取的依据。另外，传统使用固定阈值的层目标识别方法也难以满足引信的发展要求。本文提出弹体侵彻多层混凝土靶板的层目标识别方法:首先对过载信号进行低通滤波得到近似刚体过载;然后根据自适应判层阈值、信号脉宽对近似刚体过载信号进行识别，识别当前层数。1弹体模态分析1 1一维圆杆轴向振动特性弹体垂直侵彻时，弹靶作用力会激发出弹体的多种振动模态，使得弹体剧烈振动，主要以轴向振动为主。由应力波传播理论可知，一维圆杆轴向振动的固有频率为13 fi=iC2L(1)式中:i 为固有频率的阶数;C 为一维圆杆中弹性纵波波速;L 为一维圆杆长度。1 2弹体模态分析采用有限元软件对弹体进行模态分析，弹长 980mm，弹径 180 mm，材料为 38CrMnSiA，主要材料参数14 16 如表1 所示。采用 Ansys Workbench 建立弹体的有限元模型，如图 1 所示。表 138CrMnSiA 材料参数/g cm3E/GpaABCN7852110013 30 511 860 003 40232图 1弹体模态分析有限元模型在不加约束的情况下，对弹体进行模态分析，得到前两阶轴向固有频率 f1=3 027 Hz，f2=5 901 Hz，振型如图 2 所示。图 2(a)为弹体的第一阶轴向振型，呈现明显的轴向压缩变形，弹头及弹尾变形最为严重，是弹体侵彻过程中的主要受力方向，对测试信号做主要贡献;由图 2(b)第二阶轴向振型可以看出，弹头明显变粗，弹长变化很小，对测试信号影响不大，同样，其他高阶频率成分对测试信号影响较小。图 2弹体轴向振型表 2 为将弹体相关参数代入式(1)计算得到的轴向固有频率与模态分析得到的轴向固有频率对比，可以发现两者前两阶的固有频率差距均在 10%以上。这是因为式(1)在计算时，将真实弹体简化为理想的一维圆杆，没有考虑弹头卵形部等复杂结构。所以本文后续研究采用模态分析得到的固有频率。表 2式(1)计算结果与模态分析结果对比固有频率阶数式(1)计算结果/Hz模态分析/Hz相对误差/%一阶2 6453 027126二阶5 2905 9011042不同侵彻工况下过载信号主频特性分析2 1弹体正侵彻两层靶板的动力学仿真分析在侵彻动力学仿真中作如下假设:弹体和靶板均为密实连续性介质;侵彻过程中不考虑温度效应，不考虑空气阻力。弹体、引信材料均为 38CrMnSiA，靶板为 C40 素混凝土，材料参数14 16 如表 3 所示。弹体侵彻初速度 V69测控技术 2023 年第 42 卷第 7 期=800 m/s。2 层靶板靶面尺寸均为 2 000 mm 2 000mm，2 层靶板厚度分别为 D1=180 mm，D2=180 mm，靶板间隔 2 000 mm。采用 ANSYS/LS-DYNA 软件仿真，得到最终时刻靶板破坏图如图 3 所示。表 3C40 混凝土材料参数/g cm3G/GPaABCN24414860791 60 007061图 3最终时刻靶板破坏图提取全弹、引信体过载信号如图 4 所示。可以看到全弹过载信号能分辨出 2 个明显的包络，分别为弹头卵形部侵彻第 1 层、第 2 层靶板所引起的刚体过载。进行层目标识别的关键就在于得到类似全弹刚体过载的曲线。对引信体过载信号进行频谱分析如图 5 所示，发现过载信号主频为 2 845 Hz，与模态分析得到的固有频率 3 027 Hz 接近。由于侵彻速度和阻力会降低弹体的振动频率，因此过载信号主频比弹体一阶轴向固有频率 f1小。而引信体的过载信号 2 层之间粘连明显的原因是，弹体在靶间行进过程中，侵彻第 1 层靶板的应力波还没有衰减完，就与侵彻第 2 层所产生的应力波和刚体过载产生叠加，导致层间过载粘连。针对这种严重粘连的过载信号无法直接进行层目标识别。图 6 为 V=500 m/s 时侵彻两层靶板仿真得到的引信体过载。对比图 4 与图 6，可发现随着弹体侵彻初速度的提高，过载信号会出现粘连现象。图 4全弹、引信体过载(V=800 m/s)图 5引信体过载信号频谱图(V=800 m/s)图 6引信体过载(V=500 m/s)2 2不同侵彻工况下过载信号主频特性分析为研究过载信号主频的特性，保持其他条件一致，进行不同工况下的弹体正侵彻两层靶板动力学仿真，提取引信体过载信号，并对其进行频谱分析，得到不同侵彻初速度、不同靶板强度、不同靶板厚度下引信体过载主频与固有频率 f1的对比情况如表 4 表 6 所示。表4不同侵彻初速度下引信体过载信号主频与固有频率f1对比初速度/ms1主频/Hz与 f1相对误差/%7002 807738002 845609002 838621 0002 79278表 5不同靶板强度下引信体过载信号主频与固有频率 f1对比靶板强度主频/Hz与 f1相对误差/%C302 8316 5C402 8386 2C502 8306 5表 6不同靶板厚度下引信体过载信号主频与固有频率 f1对比两层靶板厚度/mm主频/Hz与 f1相对误差/%180+1802 83862300+1802 84460420+1802 8017579弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法研究通过以上算例可知，侵彻过载信号主频有如下特性:该主频对侵彻初速度、靶板强度、靶板厚度不敏感;该主频与弹体轴向固有频率 f1差距在 8%以内。3弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法研究31弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法基于过载信号主频特性，本文提出的弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法流程图如图 7 所示。基本参数说明:每 层 判 层 参 数 Qn取 值 范 围 45%，90%，上 1 层权重系数 x 取值范围 0，1，每层靶厚 Dn，第 1 层侵彻初速度 V1，其余每层近似侵彻初速度 Vn。L1为弹长减去弹头卵形部长度。图 7多层侵彻引信层目标识别方法流程图弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层识别方法主要分为 2 个步骤。(1)得到近似刚体过载。首先对弹体进行模态分析得到一阶轴向固有频率，取低于弹体一阶轴向固有频率对过载信号进行低通滤波(要考虑滤波器是否容易实现)，把应力波引起的过载信号剔除，得到的信号可认为是近似刚体过载。(2)根据自适应判层阈值、信号脉宽对近似刚体过载信号进行识别，识别当前层数。每层识别方法如下。识别第1 层。第1 层判层阈值为固定阈值 C1，一般可设置为一个较低的值以保证可以对首层进行识别。如果识别到脉宽大于(D1/V1)，且峰值大于 C1的脉冲信号，记此脉冲信号为第 1 层近似刚体过载。并对此脉冲信号进行积分，即可得到侵彻第 1 层靶板的近似降速，从而得到侵彻第 2 层靶板的近似初速度。记第 1 层近似刚体过载的峰值为 a1。在近似刚体过载(弹头卵形部侵彻靶板过程)后延时 t1=L1/V2(弹体沿着靶板上的弹孔前进过程)，此时弹尾离开上 1 层靶板，再进行层标识。识别第 2 层。第 2 层判层阈值为自适应阈值C2，取第 1 层近似刚体过载峰值 a1的 Q2倍。继续识别直到出现脉宽大于(D2/V2)，且峰值大于 C2的脉冲信号，记此脉冲信号为第 2 层近似刚体过载。并对此脉冲信号进行积分，即可得到侵彻第 2 层靶板的近似降速，从而得到侵彻第 3 层的近似初速度。记第 2 层近似刚体过载的峰值为 a2。在近似刚体过载后延时 t2=L1/V3，再进行层标识。识别第3 层。第3 层判层阈值 C3，取前2 层近似刚体过载峰值加权平均值的 Q3倍，识别方法同第 2层。后面每层以此类推，即可识别出当前层数。以侵彻 5 层混凝土靶板引信层目标识别为例，判层阈值计算的部分伪代码如下:%提取每层近似刚体过载峰值a1=max(a(n1_in:n1_out)a2=max(a(n2_in:n2_out)a3=max(a(n3_in:n3_out)a4=max(a(n4_in:n4_out)a5=max(a(n5_in:n5_out)%计算加权平均值A2=a1A3=(1 x)*A2+x*a2)A4=(1 x)*A3+x*a3)A5=(1 x)*A4+x*a4)%计算判层阈值C1=4000C2=Q2*A2C3=Q3*A3C4=Q4*A4C5=Q5*A53 2层目标识别方法的可靠性及适用范围通过以下算例来验证本文提出方法的可靠性。算例 1:弹体材料、尺寸与 1 2 节一致，建立弹体斜侵彻 5 层靶板有限元模型，如图 8(a)所示，侵彻速度 V=900 m/s，靶板强度 C40，着角 5，靶厚分别为300 mm(第1 层)，180 mm(后4 层)。如图8(b)所示，由于是斜侵彻，弹体穿过 5 层靶板后发生了较大的偏转。过载曲线如图 9 所示，从第 2 层开始粘连严重。采用本文层目标识别方法进行识别，已知弹体固有频率 f1=3 027 Hz，采用 Butterworth 低通滤波器17，以 2 000 Hz 为通带截止频率，3 000 Hz 为阻带截止频率对过载信号进行低通滤波，滤波后的信号如图 10 所示，可以发现层间粘连过载比滤波前有很大的改善，分层效果明显，且滤波后的过载信号(近似刚体过载)与89测控技术 2023 年第 42 卷第 7 期全弹刚体过载非常吻合。判层参数 Q2取 60%，其余层 Qn均取 75%，上 1 层权重系数 x 取 0 8，第 1 层判层阈值取 C1=4 000 g，其余层自适应判层阈值如图11所示，C2=8 677g，C3=8 357g，C4=7 937g，C5=7 421g，层目标识别结果如图 12 所示，可以准确识别。算例 2:弹长 1 960 mm，弹径 360 mm，弹体材料为38CrMnSiA，正侵彻 10 层靶板，速度 V=900 m/s，靶板强度 C40，靶厚分别为 300 mm(第1 层)，180 mm(后9层)。仿真结束状态如图 13 所示，弹体发生了一定偏图 8算例 1 有限元模型图 9算例 1 引信体过载信号图10算例1 全弹刚体过载与滤波后的过载信号(近似刚体过载)图 11算例 1 判层阈值图 12算例 1 层目标识别结果转，过载曲线如图 14 所示。模态分析得到弹体的固有频率为 1 474 Hz。以 1 000 Hz 为通带截止频率，1 800 Hz 为阻带截止频率进行低通滤波，得到的信号如图 15 所示。判层参数 Q2取 45%，其余层 Qn均取75%，上 1 层权重系数 x 取 0 8，第 1 层判层阈值取C1=2 000 g，其余层自适应判层阈值如图16 所示，C2=2 062g，C3=2 138g，C4=2 120g，C5=1 900g，C6=2 050g，C7=1 855g，C8=1 860g，C9=1 927g，C10=1 854g，层目标识别结果如图 17 所示，可以准确识别。图 13正侵彻 10 层靶板结束状态图 14算例 2 引信体过载信号99弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法研究图15算例2 全弹刚体过载与滤波后的过载信号(近似刚体过载)图 16算例 2 判层阈值图 17算例 2 层目标识别结果为研究本文层目标识别方法的适用范围，用该方法对不同工况下仿真得到的过载信号进行识别的结果如表 7 所示(更改 3 2 节算例 1 着角、侵彻初速度、靶板层数)。可见，此弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层识别方法适用范围为:着角不大于 10、侵彻初速度400 900 m/s、靶板层数 15 层以下。表 7不同工况下识别结果着角/()速度/ms1层数正确识别09005是59005是109005是04005是590010是1090015是4结束语本文提出了弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法，仿真表明该方法可为提高引信计层精度提供技术支撑。通过进行不同工况的侵彻仿真，发现随着弹体侵彻初速度提高，过载信号会出现粘连现象;并得到过载信号主频与弹体一阶轴向固有频率差距在 8%以内这一特性。提出了弹体侵彻多层混凝土靶板的层目标识别方法，首先根据弹体固有频率对过载信号进行低通滤波得到近似刚体过载，然后根据自适应判层阈值、信号脉宽对近似刚体过载信号进行识别，识别出当前层数。本文识别方法适用范围:着角不大于 10、侵彻初速度 400 900m/s、靶板层数 15 层以下。后续还需进行试验验证。参考文献:1张美云，石庚辰，刘强，等 侵彻硬目标引信侵彻信号获取与处理技术 J 制导与引信，2020，41(3):1 10ZHANG M Y，SHI G C，LIU Q，et al Acquisition and pro-cessing technology of penetrating signal of penetrating hardtarget fuze J Guidance Fuze，2020，41(3):1 10(inChinese)2李晓峰，王亚斌，吴碧 侵彻弹药引信技术 M 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