红外毫米波复合探测技术在末敏弹中的应用.doc

红外毫米波复合探测技术在末敏弹中的应用

王建军
（山东理工大学 机械工程学院测控技术与仪器系，山东 淄博 255049）

摘要：末敏弹是“八五”、“九五”期间国防科工委的重点研究项目。目前的末敏弹常用毫米波辐射计和红外探测计的复合探测器。本论文详细地阐述了末敏弹的控制系统原理， 红外毫米波复合探测技术及一种组合逻辑控制的末敏子弹的控制系统设计等。
关键词：单片机控制；红外毫米波复合探测；控制软件设计
[中图分类号]TP334.2 [文献标识码]B
The application of Infrared Waves and Millimeter Wave Compounded
Detecting technology in Terminal Sensitivity Bullet
WANG Jian-jun
（School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049,China）
Abstract: The terminal sensitivity bullet is a mainly studied project of National Defense Science and Industry committee in “the Eight Five” period and “the Nine Five” period, in which infrared waves and millimeter wave compounded guide technology is usually used. A compound logical control and effective control system is designed to the terminal sensitivity bullet. The principle of the terminal sensitivity bullet is studied, and also infrared waves and millimeter wave compounded guide technology.
Key words: Single chip computer control technology；Infrared waves and Millimeter wave compounded guide technology；control software design

末敏弹是“八五”、“九五”期间国防科工委的重点研究项目。末敏子弹是在子弹上带有探测目标的敏感器件的弹药，同时在子弹上还有单片机控制器，组成一个能自动搜寻目标并判断引爆条件的控制系统。目前的末敏弹常用毫米波辐射计和红外探测计的复合探测器。提高末敏弹目标识别能力对于更好地确定目标中心，并在合适的时机接通点火电路、引爆战斗部，以获得较高的命中概率和毁伤概率方面来说是至关重要的。
1 末敏子弹工作原理
敏感子弹由敏感器（红外/毫米波探测器）、稳态扫描装置和战斗部等组成。末敏子弹的工作原理和过程如下：
（1）当母弹飞行到预定目标的抛射位置上空时，发出抛射指令，点燃抛射药，在500～800米高空沿着飞行弹道抛出敏感子弹（子弹相距约100米，以使各自的扫描区域相互衔接，避免两子弹击中同一目标或漏掉目标）。
（2）子弹脱离母弹后，即启动电源，开始系统初始化。
（3）经过一段时间，敏感子弹的引爆装置解除保险，处于待发火状态。
（4）当子弹到达一定高度（如高度为200米时），则打开降落伞。敏感子弹经过降落伞减速，使子弹以10米/秒的速度匀速降落，同时，子弹以4转/秒的转速匀速旋转，当子弹降到130米高度时，进入稳态运动。
（5）子弹进入稳态运动阶段，当敏感子弹下落到敏感器的最大有效作用距离时，则敏感器开始对地面不断扫描，同时产生探测信号。随着子弹下落，扫描半径越来越小，理想情况下扫描轨迹为一条阿基米德螺线，与此同时信号处理器工作，不断识别目标。
（6）当敏感子弹发现并识别目标后，获取信号值，并判断是否达到引爆门限值，达到则给出脉冲信号，接通电引爆装置，电引爆装置引爆爆炸成形弹丸战斗部，爆炸成形弹丸战斗部爆炸，形成爆炸成形弹丸，爆炸成形弹丸以大约1800米/秒的速度飞向目标。
（7）爆炸成形弹丸命中目标，并摧毁目标。
（8）在敏感子弹落地前，如果没有发现目标，敏感子弹落地时，自毁装置作用使敏感子弹自毁。
2 末敏弹红外和毫米波复合寻的引信原理
2.1 毫米波探测器
毫米波的频率介于微波和远红外之间（波长从10mm至1mm，频率从30GHz至300GHz）。毫米波辐射计是一种探测毫米波辐射的微弱宽频信号高灵敏度接收机。其结构原理图如图1所示。
图1 毫米波辐射计探测结构原理图

给AT89C51的目标信号
门限调节
低通滤波器
低通滤波器
比较器
滤波器
中频放大器
平方律检波器
直流放大器
噪声加法器
混频器
本机振荡
天线2
天线1

不同物体的辐射率不同。在末敏弹中常用的辐射计工作频率为35GHz，带有两个相互成180度的天线，由于弹体呈倾斜姿态旋转下落，所以在搜索、跟踪期间的任一时刻都可保证两个天线中有一个只接收环境辐射。两个天线接收的温度噪声能量转换为毫米波电信号能量送入噪声加法器中进行比较、处理，从而可消除环境噪声的影响。这种辐射计使用方便、跟踪精度高。通过对输入信号进行计时（或计数），即确定扫描到目标的时间，从而可确定目标的宽度，识别出目标
2.2 红外辐射探测器
所有发热的物体都发射红外线，热辐射的功率与物体的绝对温度的四次方成正比。利用红外探头可测得红外线通量，通过对红外线通量的测定可发现和判断发热目标。当达到一定的门限值时，抑或达到了一定的距离时，就可由此判断是否是所搜寻目标及是否引爆引信。红外辐射计探测结构原理图如图2所示。
图2 红外辐射计探测结构原理图

门限调节
给AT89C51的目标信号
比较器
滤波器
直流放大器
低通滤波器
低通滤波器
双色红外探测器

信号检测
功率放大器
平方律检波器

2.3 毫米波/红外复合敏感器
为了提高发现目标概率和减少受干扰的影响，采用红外和毫米波组合传感器。其组合原理图如图3所示。
图3 采用红外/毫米波组合探测的末敏弹控制结构原理图
毫米波天线

红外视
镜轴线

引爆引信装置
双色红外探测器

毫米波雷达/毫米波辐射计
信号检测
毫米波信号处理器
红外信号处理器

AT89C51

中央处理器

信号检测

在不良天气条件下，毫米波传感器不受雾、尘埃和烟火的影响，却易受电磁干扰和雷达反射物影响，红外传感器则刚好与之相反。因此采用红外/毫米波复合技术，可加强互补，降低其不确定性，使末敏弹的性能大大提高，达到精确搜索和打击目标的目的，提高系统可靠性。
在时域探测下的毫米波脉冲宽度，此值是根据子弹的扫描速度、目标的几何尺寸与物理特性、子弹距目标的距离等综合得出，例如取毫米波探测，被测目标为装甲车，其尺寸为2米左右，钢质，子弹距地垂直高度10米，子弹的扫描线与垂直线夹角30度，子弹的旋转速度为4转/s，当装甲车正好在子弹的扫描线上时，由以上数据可测出子弹扫描到目标的时间为：
=13.7ms
所以，当子弹在10米高度时，若毫米波测得的信号计数时间大于等于6.85ms，则说明发现的目标其宽度达到了预期目标（即装甲车）的一半尺寸，即认为发现了目标，且此时正位于目标的中心位置，则可引爆子弹，打击目标的要害部位。
3 红外与毫米波复合探测控制系统硬件接口设计
红外和毫米波输入接口结构图如图4所示。
红外辐射计及放大电路
反相器
图4 红外和毫米波输入接口结构图

P1.7

P1.6

P1.5
AT89C51

P3.3 (INT1)

P3.2 (INT0)

晶闸管双向开关
基本触发器

S Q

R
反相器
毫米波辐射计及放大电路

采用AT89C51单片机作为控制器。当毫米波辐射计或红外辐射计捕捉到目标后，经放大处理输出高电平，分别输给外部中断口送信号，启动外部中断，执行中断服务程序。但红外探测器和毫米波探测器采用不同的中断服务程序。毫米波辐射计的工作主要由外中断INT1来实现，红外辐射计的工作主要由外中断INT0来实现。对于毫米波中断，其中断服务程序对高电平信号（要高于门限值）计数（或计时）。对于红外中断，其放大处理电路具有与毫米波相似的比较处理，当红外探测器测得的信号大于门限值时（即探测的是目标温度较高的部位区域时），就输给高电位信号，触发外部中断INT0。
开关的状态由P1.6口和P1.7口确定。当P1.6=1和P1.7=0时，与INT1连通；当P1.6=0和P1.7=1时，Q与INT1连通。由P1.5来实现对控制晶闸管开关的控制工作，当P1.5=0时，与INT1连通；当P1.5=1时，Q与INT1连通。
P1.6和P1.7是用来判断是中断还是Q中断。中断的作用是当毫米波探测器测到目标时的中断服务，即开始计时，此时毫米波的探测输出信号由0→1，开关使与INT1连通，而由1→0，故触发INT1中断；Q中断的作用是当毫米波探测器测到目标时的中断服务，即停止计时，此时毫米波的探测输出信号由1→0，开关使Q与INT1连通，而Q由1→0，故触发INT1中断。
两个中断之间又相互的嵌套。当INT1中断响应后，当执行中断服务程序时，要先设置内部定时中断向量，并事先设制好定时溢出时间常数，然后开始计时。当计时溢出时，执行定时中断，即清零定时中断控制位，并引爆引信。
若计时过程中还未定时中断溢出时就有INT1中断请求到来，则停止计时，说明未发现所要求的目标，则等待下一次的中断。若计时过程中还未定时中断溢出时有INT0中断请求到来，说明正在用毫米波探测的目标同样有较强的红外辐射信号，则认定目标是所搜索的敌方目标，则执行INT0中断服务程序，即停止计时，并引爆引信。
4 红外与毫米波复合探测系统的软件设计
由上可知，采用红外与毫米波复合探测器的单片机控制主要通过随机中断方式对来自于红外探测器和毫米波探测器的信号进行综合逻辑处理。系统的主程序较简单，主要是系统初始化及中断向量设置，首先对CPU进行初始化，然后进入主循环即可。重要的是INT0和INT1的中断子程序的设计，通过调用相应的中断服务子程序来完成红外探测和毫米波探测，处理相应的信号，实现对目标的识别和判断。红外探测外部中断INT0中断服务程序如图5所示；毫米波探测外部中断INT1中断服务程序如图6所示。
开始
引爆，即P1.3输出高电位
返回
关INT0中断
图5 INT0中断服务程序

否
是，则停止计数

是，则计数

P1.6=1和P1.7=0 ？

P1.6=1和P1.7=0 ？

开始
P1.5=1
开关换向
关INT1中断
返回
取P1.6和P1.7进行判断
停止计时，定时器清零
P1.5=0
开关换向
开INT1中断
开INT0中断
开T0中断
设置定时器，开始计时
计时过程中等待中断
关T0中断
图6 INT1中断服务程序

5 结论
采用红外毫米波复合探测技术的末敏弹控制系统特点是结构简单，成本低，控制可靠，精度高，对某些较大钢铁武器目标具有较高的精确识别打击效果，如战场上的坦克、装甲车、飞机等。
本文作者创新点：阐述了红外毫米波的探测原理，设计了红外毫米波复合探测器及与单片机的接口，并对采用红外毫米波复合探测目标的单片机控制软件进行了设计。
参考文献
[1] 王儒策，刘荣忠.灵巧弹药的构造和作用[M]. 北京：兵器工业出版社,2001
[2] 李兴国. 毫米波近感技术及其应用[M]. 北京：国防工业出版社，1991
[3] 高烽. 多普勒雷达导引头信号处理技术[M]. 北京：国防工业出版社，2001
[4] 余永权.ATMEL89系列单片机应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002
[5] 姜晓霞等.基于At89S52单片机的智能客房控制系统[J].微计算机信息，2005,21:10-2.
作者简介：
王建军，男， 1973-，汉族，山东理工大学机械工程学院测控技术与仪器系讲师,硕士研究生.
籍贯：山东；研究方向：计算机控制，传感器，测试技术.
联系方式：山东淄博山东理工大学机械工程学院测控技术与仪器系 邮编 255049.
email: wangjianjun@ .
单位：山东理工大学机械工程学院测控技术与仪器系 邮编 255049.
Author brief introduction:
Name: Wang jianjun. Sex: male. Nationality: Han. Title of technical post: Instructor.
Native place: Shandong. Studying subjects: computer control, sensor, test technology.
Address: School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo .Postalcode: 255049. Email: wangjianjun@ .
Unit: School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology.