国外引信技术的发展与我们的对策(1)

1国外引信技术的发展与我们的对策张河，李豪杰（南京理工大学机电工程学院，南京210094）摘要：本文结合传感器技术的发展以及对引信技术的推动，对固态传感器、光传感器、磁传感器、陀螺传感器、MEMS传感器的发展进行了论述，说明了武器系统的发展与传感器的关系，在此基础上，根据国外正在开展的武器系统的研究，以及在近期开展的引信关键技术研究，详细的分析和介绍了MEMS技术、磁探测技术、硬目标侵彻可编程技术、激光技术在引信中的应用，第二环境力在非旋弹引信中的应用、GPS与IMU技术在引信中的应用及多选择技术的发展、感应装定技术的发展等。介绍了以美国为首的北约集团在近期的引信技术的发展。特别是美国对引信项目的管理结构、生产程序、发展计划，在分析跟踪的基础上对我国引信科研及管理体制提出了一些设想。在跟踪研究的基础上，提出了在我国现有的生产制造条件下，应如何开展MEMS工作和今后的对策和研究设想。0引言引信技术的发展与传感器技术的发展密不可分，传感器技术的新成果将首先引入到引信中，本文首先介绍传感器技术的发展。1现代传感器的发展1.1定义中文的传感器来源于英文“Sensor”、“Transducer”，翻译而成的大意是:通过感应或感觉传递,反映外部信息的一种器件或装置,如gauge量规、压力计、仪表等。也可以说它是把一种信号形式变换成另一种信号形式以实现信号检测的器件。在工业、军事领域实际应用中,特别是在机电系统、机器人、引信技术中，主要涉及的是:外界的目标、环境信息→物理信息量→电量。从结构上传感器可分为:结构型、物性型和智能型。七十年代之前,主要研究对象是结构性。如：电阻式传感器R∝L/S，电容式传感器C∝s/d，电感式传感器L∝dRm/Rm。七十年代之后,半导体技术的高速发展,推动了物性型传感器的飞速发展。它是利用材料的物理特性或固体元件的参数的变化而制成。如：固态传感器和集成传感器。智能型即具有自补偿、自修正(自适应控制)、自校准功能的传感器。如：微型智能传感器，采用MEMS技术制造（MicroElectroMechanicalSystem）。1.2固态传感器的发展根据被测量光(辐射)、磁、力、热、化学量转化为电量分类，固态传感器在五种被测量方面目前发展成型的有:z压阻式和电容式原理─压阻效应.F∝RR/∆(应力敏感型)和C∝s/d。结构─圆形，膜，平模（硅膜）方形。发展方向─a：抗失调，自调零位，温漂补偿，集成化；b:放大电路，混合集成；c:频率输出集成。现有型号：压力式，压阻加速度式，电容集成式例如：Honeyewell.120pcNSLX370013800,0.5%.nationalSewiconductor1400z温度式原理─根据晶体二极管正向电流ID与上压降VD关系：____________________________________________________________________________=IDISTdTdVVeDKTqD1/−→α结构─半导体晶体二极管,三极管。发展方向—电流型,电压型集成,温度补偿,放大集成。现有型号:AD590.(-55º～+145º,±1%)。。z压力,温度双变量式原理—半导体材料:f(P,T)→f(P),f(T)分离。结构—两组电桥｛电桥+温度补偿电桥｝集成放大自修正、热敏半导体器件。z色敏式原理—二个结深不同的光电二极管的光电效应：光电流∝波长。结构—P─n─P二个二极管。发展方向—色敏器件与放大电路集成,测量范围宽。z气敏式两类:环境气体的敏感,溶液中的离子敏感(种类,浓度)。原理—电阻式:利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化.非电阻式:Mos二极管的电容,电压特性的变化,MOSFET(场效应管)的阈值电压的变化。结构—烧结型、波模型、原模型、(200～400º)加热器。发展方向—提高重复性,提高一致性。z湿敏式原理—水分子中的氢原子具有很强的正电场,当水在半导体表面吸附时,俘获电子,表面带负电,P型半导体,表面电势下降,吸到空穴到达表面,电阻下降─负特性温敏半导体的导电原理.结构—:a:半导体陶瓷元件.MOS型元件b:半导体集成电容元件发展方向—提高重复性,提高一致性。1.3光传感器的发展z光敏性原理—外光电效应；电子逸出物体表面产生电子发射，如光电管。内光电效应，也称光电导型效应─如光敏电阻,单元形本征半导体、红外探测器。光生伏特型效应─如光电池，太阳能电池。光敏晶体管型效应─如光敏二极管,光敏三极管。z光纤传导器原理—全反射和光波导导波原理，用于光传输和敏感元件。用途:测量压力─光纤变形，温度─光纤折射率变化，光纤干涉仪─马赫,法布里,萨格奈克型，光纤磁传感器─法拉第效应,磁致伸缩效应。z激光传感器激光定距:脉冲时,相位式；激光雷达,测距仪+扫描环境监测雷达；脉冲激光雷达、相位激光雷达。z红外热象传感器原理:热辐射像,温度分布缘。器件:①单个光敏元件+二维扫描采样，②红外丝平台(低温)或红外CCD。z光电位置敏感器件─PSD器件原理：连续准确给出入射光点在光敏面上的位置类型：一维PSD，二维PSD用途：测一维位置坐标、测二维位置坐标、测距、测角、摄像中国科技论文在线___________________________________________________________________________磁阻传感器工作原理：在铁磁性材料中会发生磁阻的非均质现象（AMR）。当沿着一条长而薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流，在垂直于电流的方向施加一个磁场，合金带自身的阻值发生变化。类型：一维HMC1001，二维HMC1021，三维HMC2003。用途：磁场的存在，场强方向，地磁，电流，地磁的变化。z霍尔器件原理：霍尔效应。类型：1）开关性。2）模拟型（差分输出型和单端输出型）。3）磁敏MOS霍尔器件用途：电流，磁场，转速，计数，键盘开关。1.5陀螺传感器的发展早期的惯性系统（INS）采用的机械陀螺仪。缺点：系统质量大，结构复杂，可靠性低，带宽和动态范围有限。种类：①环形激光陀螺仪RLG。原理：利用萨格纳克效应─当光在旋转系统中顺时针传播。顺时针看光程变长，逆时针看光程变短，两个光程间的差是衡量旋转大小与方向的尺度。②光纤陀螺（几百米长）：法国Phtonetics。③半球谐振陀螺─任何薄壁谐振器，旋进角，旋转角的比是恒定的。④MEMS静电陀螺，振动陀螺,速率陀螺。1.6MEMS传感器的发展采用半导体集成技术，进行的新型传感器加工技术。z微加速度计，高g值，双螺应变电阻式，电容式z微机械惯性测量组合（MMIMU），三个加速度，三个角速度，生产的公司有：法国CROVET公司、美国sundstrand、Northrop，Multidata公司。2兵器的发展与传感器的关系2．1单兵和班组作战武器英文为：objectivecrewservedweapon(OCSW)、objectiveindividualcombatweapon(OICW)，两种武器系统中主要使用激光定距传感器、计转数传感器或磁传感器。2.2迫击炮弹道顶点传感器、激光定距传感器、炮口磁传感器。2．3中大口径火箭弹在弹道修正中使用微加速度传感器、微陀螺传感器、姿态传感器、惯性测量系统。2．4鱼雷，反鱼雷武器使用声纳传感器，磁传感器、蓝绿激光传感器。2．5追求智能化人工智能技术包含完成目标识别、分类、易换部位攻击等，使用灵巧传感器、灵巧控制系统，如出现的Smartdust。2．6抗干扰性传感器极易被干扰，应尽可能提高传感器的抗干扰性，特别对光学传感器、温度传感器、声传感器。2．7毁伤评估性为提高弹药的使用效率，减少后勤供给，采用一定的传感器手段对弹药的毁伤效果进行中国科技论文在线___________________________________________________________________________评估是非常必要的，也是传感器今后发展的一个方向。如红外传感器图象快速传输技术。3国外引信技术的发展引信技术是武器工业中技术含量较高、发展也较快的技术项目。各高新技术都会很快渗透在武器技术特别是引信技术中，并很快得到应用。目前，科技的迅猛发展告诉给引信技术的跨越性发展带来了机遇。同时，这些高新技术又与战争对引信的技术需求相结合，引导着引信技术的未来发展方向。3.1小口径弹用引信目前已出现的理想班组支援武器（OCSW）和理想单兵作战武器（OICW）（见图1所示）分别在25mm和20mm口径引信应用了新技术，实现了以空炸功能为主的新功能，成为目前小口径弹药引信技术发展的前沿。对于在35mm以下口径的小口径武器，随着技术的推进，已由原来的单独的子弹发展成具有完善功能的含引信在内的炮弹，可实现对目标的爆破毁伤等功能。由于小口径武器的空间限制，使其在结构上和功能上均需有独特性，才能实现以上目标。因此随之产生了为适应上述功能的小口径弹用引信的专门技术，主要包括有：z计转数技术；z二次集成技术；zMEMS技术；z感应装定技术；z感应供电技术；z微型全电子安全系统技术；z小型高可靠性雷管技术。3.2迫弹引信迫击炮弹以其独特的弹道性能、方便携带发射等优点，在发射武器中占据一定的地位，在我国部队装备中也占据一定的数量。迫弹以攻击地面有生力量为主，一直多配备机械触发或无线电近炸引信。目前国外研究机构为实现迫弹的高效能，已将INS惯性制导技术以及GPS制导技术、激光技术等新技术应用到迫弹引信中，从两方面提高迫弹的作战效能，即通过实现迫弹的末段精确制导与近炸，从弹道和起爆点的控制上改善引信。在芬兰已出现NF2000的激光近炸引信原型样机，通过引信头部的光学装置发射和接收激光脉冲信号，实现对目标的定距起爆，可将起爆距离控制在5米以内，精度为1米。去年美国国防工业协会引信年会中，提出了INS/GPS与激光共同制导的迫弹，可达到12km射程，对付重点攻击的点目标。该迫弹将引信与弹共同作用实现修正弹道功能，在引信内有位置敏感探测装置实现定位，在弹体中部与尾翼部分分别有四片翼片，实现弹道导引功能。图2为美国的制导迫弹外形图。我国在迫弹近炸引信方面也作了一些工作，并制作了近炸引信的原型样机，可实现近炸功能，目前激光近炸引信定距精度已达0.5米。图2美国的制导迫弹图1美国理想单兵作战武器中国科技论文在线___________________________________________________________________________中大口径弹用引信在中大口径弹药领域，迫于自动化及快速反应的需求，垂直发射技术已逐步开展，成为未来技术发展的趋势。由于中大口径弹药一般都比较重，在作战中为实现装填的自动化，提高系统的快速反应能力，各国都在加紧研制该项技术。随着技术发展与战争需求，中大口径弹药用引信的的发展趋势是：多功能（近炸、触发、延期、定时）复合引信技术、作用方式或作用时间自动快速装定技术、目标实时快速探测与识别技术、引信制导一体化技术等。以155mm超远程灵巧弹药系统为例，其引信技术部分共分两大部分：第一为用于飞行过程中空间定位的惯性制导技术，如GPS制导技术、无陀螺惯性测量技术。第二为攻击各种目标需配用的特殊引信技术，如用于硬目标侵彻的炸点可编程引信。目前的主要研究方向及研究内容包括：z惯性制导技术A微型GPS接收机研究（1）微型GPS接收机电路研究；（2）弹上接收天线研究；（3）差分法提高精度技术研究；（4）抗过载技术研究。B无陀螺惯性测量技术结合目前已研制成功的MEMS伺服式加速度计的基础上，主要进行的研究内容有：（1）加速度计布阵的最佳方案研究；（2）数据解耦及处理方法研究；要解出弹体飞行的三个角速度和三个线加速度，再经过积分获得6个自由度的位移，