CN102322789B

CN102322789B - 一种基于磁梯度法的水下枪弹着靶参数测量方法

Info

Publication number: CN102322789B
Application number: CN 201110188148
Authority: CN
Inventors: 韩晶; 刘仁浩; 焦国太
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-07-04
Also published as: CN102322789A

Abstract

一种基于磁梯度法的水下枪弹着靶参数测量方法，目的是适用于野外复杂水质环境下同时测量弹丸着靶位置、姿态和速度；本发明方法是在靶架上将4个磁梯度检测装置S_i(i＝1，2Λ4)对称均匀布置成正方形磁梯度信号检测阵列靶，每个磁梯度信号检测装置又由5个共面的三轴矢量磁传感器对称布置，构成正交“十”字型阵列，并且该“十”字型阵列平面与靶面坐标系X、Y轴组成的坐标平面平行，其中三轴磁传感器的矢量方向与靶面坐标系的方向一致；以弹丸的位置与姿态为未知量，利用靶面上4个磁梯度信号检测装置的测量值，结合磁梯度数学模型即可构建一组非线性方程式组，通过求解该方程组即可确定弹丸空间着靶位置及姿态。

Description

一种基于磁梯度法的水下枪弹着靶参数测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量水下枪弹飞行速度及着靶姿态的磁梯度靶。属弹丸水下外弹道测试领域。

背景技术

在水下枪械研制过程中，弹丸的着靶位置、姿态和速度是经常需要测量的关键弹道参数。目前常用的水下枪械弹道参数测量方法主要分为两类：一类是利用弹丸光电信息的摄影法和光电靶法；这类方法可同时测量弹丸的速度、位置和姿态信息，具有测量精度高、动态范围宽的优点，但对水质要求较高，因此仅限于室内靶场使用。另一类是线圈靶法；它利用弹丸磁场在线圈中产生的感应电动势测量弹丸着靶速度。线圈靶法具有成本低、不受水质及弹丸空泡影响的显著优点，但该方法不能测量着靶姿态，同时，速度测量精度易受线圈缠绕一致性、着靶偏移量以及过靶姿态等因素的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术缺点，提供一种适用于野外复杂水质环境下同时测量弹丸着靶位置、姿态和速度的基于磁梯度法的水下枪弹着靶参数测量方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

(1)在靶架上将4个磁梯度检测装置S_i(i＝1，2Λ4)对称均匀布置成正方形磁梯度信号检测阵列靶，每个磁梯度信号检测装置又由5个共面的三轴矢量磁传感器对称布置，构成正交“十”字型阵列，并且该“十”字型阵列平面与靶面坐标系X、Y轴组成的坐标平面平行，其中三轴磁传感器的矢量方向与靶面坐标系的方向一致；

(2)以弹丸的位置与姿态为未知量，利用靶面上4个磁梯度信号检测装置的测量值，结合磁梯度数学模型即可构建一组非线性方程式组，通过求解该方程组即可确定弹丸空间着靶位置及姿态；

非线性方程组的具体表达式为：

\frac{Δ B_{A}}{{Δr}_{i}} = [\begin{matrix} - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) (5 {x_{i}}^{2} - {r_{i}}^{2}) - 2 {r_{i}}^{2} x_{i} m_{x}] / {r_{i}}^{7} \\ - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) (5 {y_{i}}^{2} - {r_{i}}^{2}) - 2 {r_{i}}^{2} y_{i} m_{y}] / {r_{i}}^{7} \\ - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) 5 x_{i} y_{i} - {r_{i}}^{2} (x_{i} m_{y} + y_{i} m_{x})] / {r_{i}}^{7} \\ - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) 5 x_{i} z_{i} - {r_{i}}^{2} (x_{i} m_{z} + z_{i} m_{x})] / {r_{i}}^{7} \\ - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) 5 y_{i} z_{i} - {r_{i}}^{2} (y_{i} m_{z} + z_{i} m_{y})] / {r_{i}}^{7} \end{matrix}]

式中

为磁梯度检测装置S_i测量得到的磁梯度分量，r_l(x_i，y_i，z_i)为弹丸中心点到S_i中心点的矢径，r_i为矢量r_l的模，μ为真空磁导率；磁矩M(m_x，m_y，m_z)由弹丸的姿态O(ψ，θ)及其磁矩标量值m确定，具体表达式如下：

\{\begin{matrix} m_{x} = m \sin θ \cos ψ \\ m_{y} = m \sin θ \sin ψ \\ m_{z} = m \cos θ \end{matrix}

对于给定弹丸，磁矩标量值m为常值，通过联立各个测量点的磁梯度方程组，解算后即可确定弹丸着靶位置及姿态。

在弹道段内架设两距L的正方形磁梯度信号检测阵列靶，两靶平行且共轴安装；记录下弹丸过两靶的磁梯度信息，并按上述方法解算出弹丸过两靶的位置坐标P₁(x₁，z₁)和P₂(x₂，z₂)以及对应的着靶时间t₁和t₂，则按表达式

即可计算得出弹丸穿过两靶之间的平均速度。

当在弹道段内架设两个一定间距的磁梯度靶，且两靶平行且共轴安装。记录下弹丸过两靶的磁梯度信息，并按上所述方法解算出弹丸过两靶的位置坐标以及对应的着靶时间差，即可解算得到弹丸飞行速度。

由于本发明采用磁场梯度理论进行测量，有效解决了光电信息法无法在复杂水质环境下测量的问题，同时避免了线圈靶法受线圈缠绕一致性、着靶偏移量以及过靶姿态等因素的影响，且能够实现连续测量，同时能够全面获得弹丸着靶位置、姿态及速度信息。

附图说明

图1为磁梯度靶中磁梯度检测装置布置示意图。

图2为磁梯度检测装置中三轴磁传感器布置示意图。

图3为磁梯度靶速度测量示意图。

图中：1、正方形磁梯度信号检测阵列靶(简称为磁梯度靶)；2、弹丸；

S₁、S₂、S₃、S₄分别为布置于测试靶上不同位置的磁梯度检测装置；

A₀、A₁、A₂、A₃、A₄分别为磁梯度检测装置中布置于不同位置的三轴矢量磁传感器。

X、Y、Z分别为以位于正方形磁梯度靶底角的磁梯度检测装置S1为坐标原点的笛卡尔直角坐标轴，其中X、Z轴过正方形靶两直角边，Y轴与正方形靶面相垂直。

d为传感器A₁、A₂、A₃、A₄与中心传感器A₀的基线长度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的测量方法作进一步详细说明。

参见图1、2，本发明在靶架上将4个磁梯度检测装置S₁、S₂、S₃、S₄对称均匀布置成正方形磁梯度信号检测阵列靶(1)，且每个磁梯度信号检测装置由5个共面的三轴矢量磁传感器构成“十”字型阵列，其中传感器A₀表征该装置的中心点位置，其余传感器A₁、A₂、A₃、A₄与中心传感器A₀的基线长度相等，均为d。A₀、A₁、A₂、A₃、A₄构成的传感器阵列平面均与X、Y轴组成的坐标平面平行，且每个传感器的矢量方向均与X、Y、Z坐标轴方向一致。在测试弹丸(2)的位置与姿态时，结合磁梯度理论磁梯度靶(1)的靶面上任意一个磁梯度检测装置S_i可构造一组非线性方程组，其具体的表达式为：

\frac{Δ B_{A}}{{Δr}_{i}} = [\begin{matrix} - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) (5 {x_{i}}^{2} - {r_{i}}^{2}) - 2 {r_{i}}^{2} x_{i} m_{x}] / {r_{i}}^{7} \\ - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) (5 {y_{i}}^{2} - {r_{i}}^{2}) - 2 {r_{i}}^{2} y_{i} m_{y}] / {r_{i}}^{7} \\ - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) 5 x_{i} y_{i} - {r_{i}}^{2} (x_{i} m_{y} + y_{i} m_{x})] / {r_{i}}^{7} \\ - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) 5 x_{i} z_{i} - {r_{i}}^{2} (x_{i} m_{z} + z_{i} m_{x})] / {r_{i}}^{7} \\ - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) 5 y_{i} z_{i} - {r_{i}}^{2} (y_{i} m_{z} + z_{i} m_{y})] / {r_{i}}^{7} \end{matrix}]

式中

为磁梯度检测装置S_i测量得到的磁梯度分量，r_i(x_i，y_i，z_i)为弹丸(2)中心点到S_i中心点的矢径，r_l为矢量r_i的模，μ为真空磁导率；磁矩M(m_x，m_y，m_z)由弹丸(2)的姿态角O(ψ，θ)及其磁矩标量值m确定，具体表达式如下：

\{\begin{matrix} m_{x} = m \sin θ \cos ψ \\ m_{y} = m \sin θ \sin ψ \\ m_{z} = m \cos θ \end{matrix}

对于给定弹丸(2)，磁矩标量值m为常值，通过联立各个测量点的磁梯度方程组，解算后即可确定弹丸(2)的着靶位置及姿态角。

参见图3，在弹道段内架设两距L的磁梯度靶(1)，两靶平行且共轴安装，弹丸过前后两靶时的位置坐标点分别为P₁(x₁，z₁)与P₂(x₂，z₂)，PP′₁及P′₂分别为P₁及P₂点在各自靶的直角坐标系中X轴上的投影点，同时过P′₁点做后一靶X轴的垂线相交于P′₁₂点。记录下弹丸(2)过前后两靶的磁梯度信息，并按上述方法解算出弹丸(2)过两靶的位置坐标P₁(P₁，z₁)和P₂(x₂，z₂)以及对应的着靶时间t₁和t₂，根据位置坐标P₁(x₁，z₁)，P₂(x₂，z₂)与投影点P₁、P′₂P′₁₂之间的几何关系，可按表达式

计算得出弹丸(2)穿过两靶之间的平均速度。

Claims

1.一种基于磁梯度法的水下枪弹着靶参数测量方法，其特征是：

（1）在靶架上将4个磁梯度检测装置S₁、S₂、S₃、S₄对称均匀布置成正方形磁梯度信号检测阵列靶，每个磁梯度检测装置又由5个共面的三轴磁传感器对称布置，构成正交“十”字型阵列，并且该“十”字型阵列平面与靶面坐标系X、Y轴组成的坐标平面平行，其中三轴磁传感器的矢量方向与靶面坐标系中的X、Y、Z轴方向均保持一致；

（2）以弹丸的位置与姿态为未知量，利用靶面上4个磁梯度信号检测装置的测量值，结合磁梯度数学模型即可构建一组非线性方程式组，通过求解该方程组即可确定弹丸空间着靶位置及姿态；

非线性方程组的具体表达式为：

\frac{Δ B_{A}}{Δ r_{i}} = [\begin{matrix} - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) ({5 x}_{i}^{2} - {r_{i}}^{2}) - {2 r}_{i}^{2} x_{i} m_{x}] / {r_{i}}^{7} \\ - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) (5 y_{i}^{2} - {r_{i}}^{2}) - {2 r}_{i}^{2} y_{i} m_{y}] / {r_{i}}^{7} \\ - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) 5 x_{i} y_{i} - {r_{i}}^{2} (x_{i} m_{y} + y_{i} m_{x})] / {r_{i}}^{7} \\ - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) 5 x_{i} z_{i} - {r_{i}}^{2} (x_{i} m_{z} + z_{i} m_{x})] / {r_{i}}^{7} \\ - 3 μ / 4 π [(M \cdot r_{i}) 5 y_{i} z_{i} - {r_{i}}^{2} (y_{i} m_{z} + z_{i} m_{y})] / {r_{i}}^{7} \end{matrix}]

式中ΔB_A/Δr_i为磁梯度检测装置S_i测量得到的磁梯度分量，i=1…4；r_i为弹丸中心点(x_i,y_i,z_i)到S_i中心点的矢径，r_i为矢量r_i模，μ为真空磁导率；磁矩M(m_x,m_y,m_z)由弹丸的偏航角ψ、俯仰角θ及其磁矩标量值m确定，具体表达式如下：

\{\begin{matrix} m_{x} = m \sin θ \cos ψ \\ m_{y} = m \sin θ \sin ψ \\ m_{z} = m \cos θ \end{matrix}

2.如权利要求1所述的基于磁梯度法的水下枪弹着靶参数测量方法，其特征是：

在弹道段内架设两距L的正方形磁梯度信号检测阵列靶，两靶平行且共轴安装；记录下弹丸过两靶的磁梯度信息，并按上述方法解算出弹丸过两靶的位置坐标P₁(x₁,z₁)和P₂(x₂,z₂)以及对应的着靶时间t₁和t₂，则按表达式即可计算

得出弹丸穿过两靶之间的平均速度。