CN103673791A - 一种用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统，靶标表面绕覆光纤传感器网格，当受到外部高速撞击后，光纤撞击传感器探测撞击区域的大小，并传送到高速数据处理装置，布置在靶标舱内压力容器传感器组探测靶标壳体内部的受损区域并将受损区域位置信息发送给高速数据处理装置，应力应变传感器探测靶标不同位置的应力形变信息，解调后输出给高速数据处理装置，大动态惯性测量单元敏感撞击后靶标的姿态信息，并传送给高速数据处理装置，高速数据处理装置将上述信息解析处理后分发给固态数据存储装置和高速数据遥测发送装置。本发明能够实时检测靶标高速撞击后损伤信息，并对毁伤程度进行评估，解决了武器系统作用能力和杀伤效果评估的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统，属于靶场试验中武器杀伤效果评估技术领域。
背景技术
在高空靶场试验中，武器主要依靠动能体拦截或动能块撞击攻击靶标。由于靶标主要在遭受拦截、撞击时距离地面观测站较远，采用高速摄影等外部观测手段无法确定撞击损伤位置以及内部真实的损伤效果，对武器杀伤效果只能进行定性的评估，不能进行定量的评估。因此，要科学、合理的评估武器杀伤效果，靶标必须自身配有损伤检测评估系统。目前现有的靶标检测手段有效，不能对撞击位置精确定位，也无法对撞击带来的结构形变进行检测，不能通过靶标内部检测装置对武器杀伤效果作全面的分析评估。
传统的撞击检测可以使用电类传感器，但是这种方法无法在高速撞击情况下使用，因为在高速撞击下要求传感器响应速度必须快，否则在很短的时间内撞击产生的应力就会毁坏传感器。即便将传感器布置在远离撞击点的位置，这种方法也往往无法奏效，因为有时高速撞击的相对速度比应力在弹体结构中传播的速度还要快，在传感器检测到撞击的应力前，传感器就被撞击毁坏。也可以使用分立的电类传感器来实现撞击检测，在这种方式下，将导电类的传感器（如导线、压电陶瓷等）布置在预知的撞击区域，而将检测电路放在后方。但这种方式可靠性不高，因为在这种超音速的高速撞击下，会在撞击部位表面形成等离子体等一些未知的物理效应，产生强烈的电磁干扰，使得电类传感器测量变得不稳定，产生的浪涌电流或电压甚至可能损坏后端的检测电路。由于光纤具有体积小、质量轻、强度高、弯曲性好、柔韧性好、不受电磁波干扰、不需外加电源、耐腐蚀、易于埋入结构体、建立网格监控、成本低等优点，所以其传感器应用领域相当广泛，已有研究人员将其应用于高速撞击损伤探测系统。
靶标在遭受动能体撞击时，受到的动能冲击大，姿态会发生剧烈变化，产生的角速度、加速度动态范围大，靶标自身的姿态传感器无法测量这种大量程大动态范围的姿态信息，必须依靠额外的姿态传感器来实现。大动态惯性测量装置采用硅微陀螺和硅微加速度计，体积小、动态范围大、量程高、成本低，适合这种场合的应用。
靶标从遭受攻击到最终被摧毁，系统生存时间极其短暂，传统的遥测系统无法在这么短暂的时间内把数据遥测到地面，必须采用高速数据遥测发送装置把数据发送到地面接收站，此外，还需利用固态数据存储装置备份数据，在靶场试验结束后回收回读。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统，该系统能够实时检测撞击位置、大小、撞击后结构形变、靶标内部受损程度以及姿态变化，解决靶场试验靶标受到武器杀伤时杀伤程度的监测评估问题。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统，包括光纤撞击传感器、压力容器传感器组、大动态惯性测量单元、应力应变传感器组、高速数据处理装置、固态数据存储装置和高速遥测发送装置，其中光纤撞击传感器包括光路装置、光纤传感器网格和光电探测电路，光纤传感器网格绕覆并固定于靶标壳体表面，光路装置、光电探测电路、压力容器传感器组、大动态惯性测量单元、应力应变传感器和高速数据处理装置设置在靶标壳体内部；
光纤撞击传感器中的光路装置发出的光信号传输给光纤传感器网格，经光纤传感器网格反射回来的光信号被光电探测电路探测；光电探测电路通过探测所述经光纤传感器网格反射回来的光信号从有到无的变化，确定光纤传感器网格中对应传感光纤的通断状态，解调出光纤传感器网格对应撞击点位置和撞击区域大小，并将所述撞击点位置和撞击区域大小信息发送给高速数据处理装置；
压力容器传感器组由多个压力容器传感器组成，探测靶标壳体内部的受损区域并将受损区域的位置信息发送给高速数据处理装置；
大动态惯性测量单元实时测量靶标飞行时X、Y、Z三个方向的角速度和角加速度信息，并将所述角速度和角加速度信息进行打包压缩后发送给高速数据处理装置；其中X方向为靶标飞行方向，Y、Z方向为垂直于X方向的平面内任意两个垂直向量所指的方向；
应力应变传感器组包括传感器敏感头和信息解调单元，其中传感器敏感头布置在靶标内部的不同位置，用于探测靶标不同位置的应力形变，并将不同位置的应力形变信息传输给信息解调单元，信息解调单元对所述应力形变信息进行解调后输出给高速数据处理装置；
高速数据处理装置接收光纤撞击传感器发送的撞击点位置和撞击区域大小信息、压力容器传感器发送的受损区域的位置信息、大动态惯性测量单元发送的打包压缩后的角速度和角加速度信息、应力应变传感器发送的解调后的应力形变信息，得到靶标撞击后不同时刻的状态信息，并发送给固态数据存储装置和高速遥测发送装置；
固态数据存储装置将从高速数据处理装置接收的状态信息进行存储；
高速遥测发送装置将从高速数据处理装置接收的状态信息向外发送。
在上述用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统中，大动态惯性测量单元包括三个正交安装的陀螺组、三个正交安装的加速度计组和信息采集处理电路，其中三个正交安装的陀螺组实时测量靶标飞行时X、Y、Z三个方向的角速度信息，并发送给信息采集处理电路，三个正交安装的加速度计组实时测量靶标飞行时X、Y、Z三个方向的角加速度信息，并发送给信息采集处理电路，信息采集处理电路将所述角速度和角加速度信息进行打包压缩后发送给高速数据处理装置；其中X方向为靶标飞行方向，Y、Z方向为垂直于X方向的平面内任意两个垂直向量所指的方向。
在上述用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统中，光纤传感器网格可按经纬交错或螺旋交错方式绕覆并固定于靶标壳体表面。
在上述用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统中，光纤传感器网格中任意两根相邻传感光纤间距可根据撞击损伤位置检测精度要求调整，间距越小对应测量精度越高。
在上述用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统中，大动态惯性测量单元的三个正交安装的陀螺为硅微陀螺，三个正交安装的加速度计为硅微加速度计。
在上述用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统中，应力应变传感器组为应变阻容式或光纤光栅式，敏感头与信号解调单元分开放置。
在上述用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统中，高速遥测发送装置的数据传输带宽大于50MHZ。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）、本发明用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统中所采用的光纤撞击传感器具有响应速度快、抗强电磁干扰、检测精度根据不同需求灵活可调的优点，同时还具有环境适应性好、可靠性高的优点，满足在靶标飞行过程中的高温、振动等恶劣条件下使用的要求；
（2）、本发明用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统中所采用的压力容器传感器和应力应变传感器可以检测靶标受撞击后的内部损伤程度，尤其对于动能块撞击这种不是一击致命的情况，可以更全面地衡量、评估杀伤效果；
（3）、本发明用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统中采用了创新设计的大动态惯性测量装置，大动态惯性测量装置包括三个正交安装的陀螺组、三个正交安装的加速度计组和信息采集处理电路，因为撞击，靶标原有飞行轨迹将会被改变，发生翻滚等各种大动作，大动态惯性测量单元的陀螺组和加速度计组可以实时检测这种轨迹的改变，获取动能体撞击靶标时靶标的姿态信息，利用撞击前后姿态的变化可以更好的评估靶标受损程度及可生存性；
（4）、本发明用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统中采用高速遥测发送装置及时下传靶标损伤信息，远程实时在线地显示靶标壳体的损伤位置、内部损伤程度及是否具备继续生存能力的信息，或存储于靶标携带的固态数据存储装置中回收后再处理，具有很高的可靠性；
（5）、本发明用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统具有检测全面、精度高、可靠性高、环境适应性好、灵活可调等优点，具有较强的实用性。
附图说明
图1为本发明用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统结构示意图，由图可知本发明用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统包括光纤撞击传感器1、压力容器传感器组2、大动态惯性测量单元3、应力应变传感器组4、高速数据处理装置5、固态数据存储装置6和高速遥测发送装置7。其中光纤撞击传感器1包括光路装置101、光纤传感器网格102和光电探测电路103，光纤传感器网格102绕覆并固定于靶标（靶机、靶弹）壳体表面，光路装置101、光电探测电路103、压力容器传感器组2、大动态惯性测量单元3、应力应变传感器4和高速数据处理装置5设置在靶标壳体内部。
光纤撞击传感器1中的光纤传感器网格102可按经纬交错或螺旋交错方式绕覆并固定于靶标壳体表面，光路装置101发出的光信号传输给光纤传感器网格102，经光纤传感器网格102反射回来的光信号被光电探测电路103探测；光电探测电路103通过探测所述经光纤传感器网格102反射回来的光信号从有到无的变化，确定光纤传感器网格102中对应传感光纤的通断状态，解调出光纤传感器网格102对应撞击点位置和撞击区域大小，并将该撞击点位置和撞击区域大小信息发送给高速数据处理装置5。
光纤传感器网格102在靶标壳体表面的固定方式为：首先，在靶标壳体表面按照光纤绕覆方向上开设沟槽，然后将传感光纤敷设于沟槽内，每隔3-5cm设置一个粘接点，粘接点宽度小于1cm，利用弹性模量大于200Mpa的环氧树脂胶或无机胶将传感光纤固定在沟槽内，传感光纤与沟槽之间的空隙采用弹性模量小于100Mpa的硅橡胶或凝胶进行填充。其中，环氧树脂胶、无机胶、硅橡胶或凝胶添加了填充剂，填充剂的热膨胀系数小于23×10-6/℃，填充剂相对于粘接剂的质量百分比为1%～15%，其作用是减小粘接剂和光纤、靶标结构材料之间的热膨胀系数不匹配，避免剧烈温度变化过程中光纤应力过大发生损坏；传感光纤采用聚酰亚胺涂覆，或者碳涂覆，或者金属镀膜保护。光纤传感器网格102中任意两根相邻传感光纤间距可根据撞击损伤位置检测精度要求调整，间距越小对应测量精度越高。
压力容器传感器组2由多个压力容器传感器组成，探测靶标壳体内部的受损区域并将受损区域的位置信息发送给高速数据处理装置5。压力容器传感器组2可根据靶标内部大小由不同数量的压力容器传感器组成，这些压力容器传感器根据需要分布在靶标内部合适的地方，压力容器内部充满惰性高压气体，且传感器线路与传感器头部分开，当撞击后，传感器线路检测压力容器受损情况。压力容器传感器2可以根据靶标内部实际空间及需要监测的点来放置。
大动态惯性测量单元3包括三个正交安装的陀螺组301、三个正交安装的加速度计组302和信息采集处理电路303，其中三个正交安装的陀螺组301实时测量靶标飞行时X、Y、Z三个方向的角速度信息，并发送给信息采集处理电路303，三个正交安装的加速度计组302实时测量靶标飞行时X、Y、Z三个方向的角加速度信息，并发送给信息采集处理电路303，信息采集处理电路303将该角速度和角加速度信息进行打包压缩后发送给高速数据处理装置5。其中X方向为靶标飞行方向，Y、Z方向为垂直于X方向的平面内任意两个垂直向量所指的方向。
大动态惯性测量单元3的三个正交安装的陀螺301为硅微陀螺，三个正交安装的加速度计302为硅微加速度计，信号采集处理电路303由单片机、DSP或FPGA为核心的处理单元组成。
应力应变传感器组4包括传感器敏感头401和信息解调单元402，其中传感器敏感头401布置在靶标内部的不同位置，用于探测靶标不同位置的应力形变，并将不同位置的应力形变信息传输给信息解调单元402，信息解调单元402对该应力形变信息进行解调后输出给高速数据处理装置。应力应变传感器4可以是传统的应变阻容式，也可以是新型的光纤光栅式，应力应变传感器敏感头401与信号解调单元402分开放置。
应力应变传感器4根据靶标需要监测的部位要求，贴在舱段内壁。首先利用弹性模量大于200Mpa的环氧树脂胶或无机胶将应力应变传感器中心部位固定在舱段内壁，应力应变传感器4周围采用弹性模量小于100Mpa的硅橡胶或凝胶进行加固。其中，环氧树脂胶、无机胶、硅橡胶或凝胶添加了填充剂，填充剂的热膨胀系数小于23×10-6/℃，填充剂相对于粘接剂的质量百分比为1%～15%，其作用是减小粘接剂和传感器、靶标结构材料之间的热膨胀系数不匹配，避免剧烈温度变化过程中产生额外应力。
高速数据处理装置5接收光纤撞击传感器1发送的撞击点位置和撞击区域大小信息、压力容器传感器2发送的受损区域的位置信息、大动态惯性测量单元3发送的打包压缩后的角速度和角加速度信息、应力应变传感器4发送的解调后的应力形变信息，得到靶标撞击后不同时刻的状态信息，即不同时刻的撞击点位置和撞击区域大小信息、受损区域的位置信息、角速度和角加速度信息和应力形变信息，并将上述信息同时发送给固态数据存储装置6和高速遥测发送装置7。
固态数据存储装置6将从高速数据处理装置5接收的状态信息进行存储。固态数据存储装置6是传统的黑匣子，能够承受大量级的力学环境和热环境。
高速遥测发送装置7将从高速数据处理装置5接收的状态信息向外发送。高速遥测发送装置7的数据传输带宽大于50MHZ。
本发明光路装置101发出的光信号传输到光纤传感器网格102中，经光纤传感器网格102反射回来的光信号沿原路返回后被光电探测电路103探测；大动态惯性测量单元通过陀螺301和加速度计302实时测量靶标飞行时三个方向的角速度和角加速度信息；应力应变传感器组4实时监测靶标各位置处的结构形变情况；分布在靶标内部各处的压力容器传感器组2实时监测各自的压力值；靶标受到撞击或拦截后，位于撞击点的光纤传感器网格102将会损坏，光电探测电路103通过探测经光纤传感器网格102回来的光信号从有到无的变化，确定对应传感光纤的通断状态，解调出对应撞击点位置和撞击区域大小，并将此信息发送给高速数据处理装置5；随着撞击的进一步进行，撞击体将会深入到靶标内部，靶标内部的压力容器将会被击中，压力容器传感器组2探测到受损的区域并将此信息发送给高速数据处理装置；撞击后，随着撞击程度不同，靶标表面结构各处将会发生不同程度的形变，应力应变传感器组4检测到各处的应力形变并将此信息发送给高速数据处理装置；同时，因为撞击，靶标原有飞行轨迹将会被改变，发生翻滚等各种动作，大动态惯性测量单元3将实施检测到这种轨迹的改变，并将此变化发送给高速数据处理装置7；高速数据处理装置7将上述信息采集、处理后得到靶标撞击后不同时刻的状态，并且并行发送给固态数据存储装置6和高速遥测发送装置7。高速遥测装置7将此信息最终发送到地面，固态数据存储装置6用于信息的备份存储，供靶场试验结束后数据分析。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述内容属于本领域专业技术人员公知技术。
Claims (7)
1.一种用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统，其特征在于：包括光纤撞击传感器（1）、压力容器传感器组（2）、大动态惯性测量单元（3）、应力应变传感器组（4）、高速数据处理装置（5）、固态数据存储装置（6）和高速遥测发送装置（7），其中光纤撞击传感器（1）包括光路装置（101）、光纤传感器网格（102）和光电探测电路（103），光纤传感器网格（102）绕覆并固定于靶标壳体表面，光路装置（101）、光电探测电路（103）、压力容器传感器组（2）、大动态惯性测量单元（3）、应力应变传感器（4）和高速数据处理装置（5）设置在靶标壳体内部；
光纤撞击传感器（1）中的光路装置（101）发出的光信号传输给光纤传感器网格（102），经光纤传感器网格（102）反射回来的光信号被光电探测电路（103）探测；光电探测电路（103）通过探测所述经光纤传感器网格（102）反射回来的光信号从有到无的变化，确定光纤传感器网格（102）中对应传感光纤的通断状态，解调出光纤传感器网格（102）对应撞击点位置和撞击区域大小，并将所述撞击点位置和撞击区域大小信息发送给高速数据处理装置（5）；
压力容器传感器组（2）由多个压力容器传感器组成，探测靶标壳体内部的受损区域并将受损区域的位置信息发送给高速数据处理装置（5）；
大动态惯性测量单元（3）实时测量靶标飞行时X、Y、Z三个方向的角速度和角加速度信息，并将所述角速度和角加速度信息进行打包压缩后发送给高速数据处理装置（5）；其中X方向为靶标飞行方向，Y、Z方向为垂直于X方向的平面内任意两个垂直向量所指的方向；
应力应变传感器组（4）包括传感器敏感头（401）和信息解调单元（402），其中传感器敏感头（401）布置在靶标内部的不同位置，用于探测靶标不同位置的应力形变，并将不同位置的应力形变信息传输给信息解调单元（402），信息解调单元（402）对所述应力形变信息进行解调后输出给高速数据处理装置（5）；
高速数据处理装置（5）接收光纤撞击传感器（1）发送的撞击点位置和撞击区域大小信息、压力容器传感器（2）发送的受损区域的位置信息、大动态惯性测量单元（3）发送的打包压缩后的角速度和角加速度信息、应力应变传感器（4）发送的解调后的应力形变信息，得到靶标撞击后不同时刻的状态信息，并发送给固态数据存储装置（6）和高速遥测发送装置（7）；
固态数据存储装置（6）将从高速数据处理装置（5）接收的状态信息进行存储；
高速遥测发送装置（7）将从高速数据处理装置（5）接收的状态信息向外发送。
2.根据权利要求1所述的一种用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统，其特征在于：所述大动态惯性测量单元（3）包括三个正交安装的陀螺组（301）、三个正交安装的加速度计组（302）和信息采集处理电路（303），其中三个正交安装的陀螺组（301）实时测量靶标飞行时X、Y、Z三个方向的角速度信息，并发送给信息采集处理电路（303），三个正交安装的加速度计组（302）实时测量靶标飞行时X、Y、Z三个方向的角加速度信息，并发送给信息采集处理电路（303），信息采集处理电路（303）将所述角速度和角加速度信息进行打包压缩后发送给高速数据处理装置（5）；其中X方向为靶标飞行方向，Y、Z方向为垂直于X方向的平面内任意两个垂直向量所指的方向。
3.根据权利要求1所述的一种用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统，其特征在于：所述光纤传感器网格（102）可按经纬交错或螺旋交错方式绕覆并固定于靶标壳体表面。
4.根据权利要求3所述的一种用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统，其特征在于：所述光纤传感器网格（102）中任意两根相邻传感光纤间距可根据撞击损伤位置检测精度要求调整，间距越小对应测量精度越高。
5.根据权利要求1所述的一种用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统，其特征在于：所述大动态惯性测量单元（3）的三个正交安装的陀螺（301）为硅微陀螺，三个正交安装的加速度计（302）为硅微加速度计。
6.根据权利要求1所述的一种用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统，其特征在于：所述应力应变传感器组（4）为应变阻容式或光纤光栅式，敏感头（401）与信号解调单元（402）分开放置。
7.根据权利要求1所述的一种用于靶标高速撞击损伤的检测评估系统，其特征在于：所述高速遥测发送装置（7）的数据传输带宽大于50MHZ。
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