CN112197656B - 一种基于微系统的制导子弹 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微系统的制导子弹，包括弹头、弹托和弹壳，所述弹头内设置有探测微系统、飞控微系统、能源微系统和驱动微系统，所述探测微系统设置于弹头前端的椎体段内，包括集成于第一芯片的光学系统、光学传感器和放大器，所述飞控微系统设置于弹头中部，通过接线连接探测微系统，所述飞控微系统包括集成于第二芯片的程控放大电路、信号捕获电路、模数转换电路及飞控计算机，所述能源微系统设置于弹头后端椎体段的前端，用于提供系统的能量，所述飞控微系统连接驱动微系统，所述驱动微系统设置于弹头后端椎体段的后端，包括集成于第三芯片的舵机驱动控制电路和舵机执行机构。可以大大提高性能和命中率。

Description

一种基于微系统的制导子弹

技术领域

本发明涉及一种制导子弹，具体地涉及一种基于微系统的制导子弹。

背景技术

制导弹药简而言之是常规弹药的制导化，通过获取目标信息，为弹药提供指引和导向，并通过控制系统告诉弹药“打哪里”。制导系统是制导武器的核心关键部件，具有目标获取、目标识别、自动搜索、探测、捕获和攻击目标的能力，综合利用自身获取和外部输入的目标区信息，控制和导引弹药准确命中目标。其重点在于在复杂战场环境中准确命中选定的目标乃至目标的要害部分，同时尽可能减少作战过程所带来的附带破坏。

制导技术涉及的内容广泛，是一项综合多种现代高新技术的应用技术，包括精确探测、信息综合处理利用、导引控制与驱动等。制导武器主要包括制导导弹和制导弹药两大类。制导导弹包括结构各不相同、长短/大小/射程各异、发射平台不同的系列导弹，制导弹药则包括炮射平台发射的各种弹药，机载平台的航空火箭弹以及航空炸弹等。当前，无论是制导导弹还是制导弹药，俱是在载大口径和中小口径装备上应用，尚未有在子弹上的成功应用。

目前，研究制导及制导子弹的专利很多，比如申请号为201410216018.5的《一种利用无人机激光导引头最末脉冲策略捕获目标的方法》、申请号为201510628030.1的《激光制导导弹虚拟试验系统及其构建方法》、申请号为2017109136688.6的《激光制导导弹半实物实时仿真系统》、申请号为201720704419.4的《狙击步枪用激光制导子弹》、申请号为201810108070.7的《一种压电液压混合式双通道舵机及作动方法》、申请号为201710458065.4的《狙击步枪用激光制导子弹》等，这些申请涉及到多种制导以及制导子弹的方法。例如申请号为201710458065.4的专利公开了一种狙击步枪用激光制导子弹，该子弹包括弹头和弹体，弹头内部设置有微处理器、微电源、激光探测器，在所述弹头外部设置有舵机；在所述弹体中设置有引信和火药储藏室，其中，激光探测器设置在弹头前端的椎体段内，所述激光探测器与微处理器电连接；通过激光探测器获得弹目视线角信息，根据该信息判断子弹当前行进方向与目标之间的偏差，并据此生成舵机控制指令，通过舵机控制弹体行进方向，从而使得弹体行进方向与目标位置一致，进而提高命中率。其没有通过利用构建微系统的方式来研究制导子弹，无法在小口径装备上应用，无法集成多种复杂的控制电路，性能无法达到最优。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明目的是：提供了一种基于微系统的制导子弹，该子弹包括前置光学系统，目标探测微系统，飞行控制微系统，驱动微系统，能源微系统等，由外置的激光照射器照射目标，目标反射的激光信号经过制导子弹头部的光学系统成像在探测器上，通过飞控微系统进行运算，计算出目标与弹体轴向俯仰和偏航的角度偏差，提供驱动微系统对弹体飞行姿态进行调整，直到弹体飞行方向指向目标，大大提高了性能和命中率。

本发明的技术方案是：

一种基于微系统的制导子弹，包括弹头、弹托和弹壳，所述弹头内设置有探测微系统、飞控微系统、能源微系统和驱动微系统，所述探测微系统设置于弹头前端的椎体段内，包括集成于第一芯片的光学系统、光学传感器和放大器，所述飞控微系统设置于弹头中部，通过接线连接探测微系统，所述飞控微系统包括集成于第二芯片的程控放大电路、信号捕获电路、模数转换电路及飞控计算机，所述能源微系统设置于弹头后端椎体段的前端，用于提供系统的能量，所述飞控微系统连接驱动微系统，所述驱动微系统设置于弹头后端椎体段的后端，包括集成于第三芯片的舵机驱动控制电路和舵机执行机构。

优选的技术方案中，目标反射的激光信号经过制导子弹头部的光学系统成像在探测微系统上，通过飞控微系统进行运算，计算出目标与弹体轴向俯仰和偏航的角度偏差，发送给驱动微系统，驱动微系统对弹体飞行姿态进行调整。

优选的技术方案中，将漫反射激光通过子弹光学系统在四象限探测器上呈现激光光斑，利用激光光斑落在四象限探测器的位置得到目标相对于光轴的偏移量和偏移大小，对目标信号进行前置放大。

优选的技术方案中，所述飞控微系统根据四象限光电探测器获取的目标信号通过四路模拟开关控制四路光电信号输入的关断；将四路光电信号可控增益放大，再通过峰值保持器件对放大后的光电信号进行峰值保持，将四路光电信号送入飞控计算机的四路模拟通道，经飞控计算机处理后，得出舵机的姿态调整信息。

优选的技术方案中，所述飞控微系统的控制流程包括：

S01：进入线性跟踪阶段，判断是否查询到目标信号；若没有查询到目标信号，对丢失目标计数，判断丢失目标计数是否满足设置值，若是，进行波门展宽，进入丢失目标状态；若否，重新判断是否查询到目标信号；

S02：若查询到目标信号，采集内部通道信号数据，计算进动方向和大小，计算舵机信号时间，输出进动信号，开中断输出舵机信号，判断是否是丢失状态；若没有丢失进行自动增益控制；

S03：若丢失，对捕获目标计数，调整波门位置，判断捕获计数是否满足设置值，若是，重新进入捕获阶段，恢复波门宽度，进行自动增益控制；若否，进入丢失目标状态。

本发明还公开了一种狙击步枪，该狙击步枪用于发射所述的制导子弹，该狙击步枪还包括激光照射器，通过所述激光照射器对目标进行激光照射。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明制导子弹包括前置光学系统，目标探测微系统，飞行控制微系统，驱动微系统，能源微系统等，由外置的激光照射器照射目标，目标反射的激光信号经过制导子弹头部的光学系统成像在探测器上，通过飞控微系统进行运算，计算出目标与弹体轴向俯仰和偏航的角度偏差，提供驱动微系统对弹体飞行姿态进行调整，直到弹体飞行方向指向目标，大大提高了性能和命中率。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明制导子弹系统结构示意图；

图2是本发明基于微系统的制导子弹的原理图；

图3是本发明探测原理框图；

图4是本发明探测微系统结构图；

图5是本发明飞控微系统原理框图；

图6是本发明飞控微系统结构示意图；

图7是本发明飞控流程图；

图8是本发明舵机驱动原理框图；

图9是本发明驱动微系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

本发明的基于微系统的制导子弹，可采用当前的狙击步枪进行发射。子弹采用半主动激光末制导，发射后，制导子弹根据激光目标指示锁定并跟踪目标，进行击发。制导子弹外形体积与同口径的狙击枪子弹相似，并采取相同的发射方式，根据作战场景的需求，狙击枪可以全部使用制导子弹，也可以制导子弹和普通子弹穿插使用，以实现与狙击枪子弹同样的后勤保障。

制导子弹的制导原理与采用激光半主动制导的弹药一致。如图1所示，该子弹包括目标探测微系统10，飞控微系统20，驱动微系统40，能源微系统30等，由外置的激光照射器照射目标，目标反射的激光信号经过制导子弹头部的光学系统成像在探测器上，通过飞控微系统20进行运算，计算出目标与弹体轴向俯仰和偏航的角度偏差，提供驱动微系统40对弹体飞行姿态进行调整，直到弹体飞行方向指向目标。

一种基于微系统的制导子弹，包括弹头、弹托和弹壳，制导子弹沿用传统的狙击枪发射，弹壳不变。弹头内部含有多种光电组件，并配有舵机、尾翼等，避免直接和弹壳中的底火接触，增加一层耐高温耐高过载的弹托进行保护。

如图2所示，弹头内设置有探测微系统10、飞控微系统20、能源微系统30和驱动微系统40，探测微系统10设置于弹头前端的椎体段100内，包括集成于第一芯片的光学系统、光学传感器和放大器，所述飞控微系统设置于弹头中部101，通过接线连接探测微系统10，飞控微系统20包括集成于第二芯片的程控放大电路21、信号捕获电路22、模数转换电路23及飞控计算机24，能源微系统30设置于弹头后端椎体段102的前端，用于提供系统的能量，飞控微系统20连接驱动微系统40，驱动微系统40设置于弹头后端椎体段102的后端，包括集成于第三芯片的舵机驱动控制电路41和舵机执行机构42。

除了以上这三个主要部分，该制导子弹还有能源电池、弹托、弹壳，外部底壳等，整个完整的制导子弹由这些部分共同组成。各微系统还要进行抗高过载加固。

探测微系统10还包括由光学罩、子弹头部金属结构。

激光半主动制导通过激光目标指示器发射激光束到目标上，弹上激光导引头跟踪激光目标指示器的激光光斑，弹上激光导引头探测由目标反射的激光信号，并且由目标反射的激光信号，实现对目标的跟踪和对导弹的控制，并由此判断弹的飞行误差，按一定的方式送出修正指令，控制导弹飞向目标。激光半主动制导最主要的优点是命中率高，简捷瞄准，自动寻的攻击，适合攻击复杂地形下的目标。此外，这种制导方式的抗干扰性能也较好。

在子弹飞行过程中，通过比例导引法决定子弹、目标以及可能的发射辅助装置之间的关系，从而引导子弹飞向目标。

目标反射的激光信号经过制导子弹头部的光学系统成像在探测微系统上，通过飞控微系统进行运算，计算出目标与弹体轴向俯仰和偏航的角度偏差，发送给驱动微系统，驱动微系统对弹体飞行姿态进行调整。

激光照射原理

子弹照射原理与制导弹药类似。以瞄准线作为坐标基线，将激光束在垂直平面内进行空间位置编码发射，弹上探测器接收激光信息并编码，测出子弹偏离瞄准线的方向和大小，形成控制信号，控制子弹沿瞄准线飞行，直至击中目标。

照射器照射功率的公式为：

Pt＝E/K_t

其中：E为发射激光脉冲的能量；

K_t为发射激光的脉冲宽度。

导引头光学入瞳的光功率密度公式为：

其中，ρ为目标的漫反射系数；

τ为激光发射光学系统的透过率；

T₁为激光照射路程R₁上的大气激光透过率；

T₂为导引头与目标之间路程R₂的大气激光的透过率；

为目标视线与目标表面法线的夹角；

ε为导引头光轴与目标表面法线的夹角。

由于激光的散射随大气的高度呈指数衰减，不同高度上发射的激光束到地面的斜程衰减不能简单的用地面附近的水平大气层来代替，需要综合考虑各种因素对激光散射的影响，以对激光信号做一个正确的信号处理。

总之，当激光器发射一束激光，照射到目标上之后，通过目标反射回来的激光被子弹探测器接收，产生一个对目标进行攻击的路径信号。

目标探测

如图3、4所示，在制导过程中，用子弹弹头最前端的光电探测微系统作为获取目标漫反射激光的光学组件，用四象限光电探测器作为获取目标空间坐标信息的传感器件。首先，将漫反射激光通过子弹光学系统在四象限探测器上呈现一个高质量的圆形激光光斑，然后利用激光光斑落在四象限探测器的位置来探测目标相对于光轴的偏移量和偏移大小，对目标信号进行前置放大，由此来反应探测目标方位。

飞行控制

如图5所示，飞行控制微系统实现子弹与目标位置的角度偏差计算。首先是四象限光电探测器获取到目标信号，四路模拟开关控制四路光电信号输入的关断；飞控控制主要是将这四路光探信号可控增益放大，再通过峰值保持器件对放大后的光电信号进行峰值保持，这四路模拟信号，送入单片机的四路模拟通道，经单片机处理后，得出舵机的姿态调整信息，使得制导子弹沿着正确的轨迹运行。

为了对激光信号进行判断，根据激光照射频率，设置一定宽度的波门信号，在波门内部出现的信号被认为是激光回波信号，才进行采集。如果采集不到回波信号，则可以将波门宽度增宽，提高捕获的机率，待稳定捕获信号后再将波门宽度调整到正常宽度。

如图6所示，飞控微系统结构可以为层叠结构，上层设置有程控放大电路21和信号捕获电路22，下层设置有模数转换电路23及飞控计算机24。

如图7所示，飞控微系统的控制流程包括：

S01：进入线性跟踪阶段，判断是否查询到目标信号；若没有查询到目标信号，对丢失目标计数，判断丢失目标计数是否满足设置值，若是，进行波门展宽，进入丢失目标状态；若否，重新判断是否查询到目标信号；

S02：若查询到目标信号，采集内部通道信号数据，计算进动方向和大小，计算舵机信号时间，输出进动信号，开中断输出舵机信号，判断是否是丢失状态；若没有丢失进行自动增益控制；

S03：若丢失，对捕获目标计数，调整波门位置，判断捕获计数是否满足设置值，若是，重新进入捕获阶段，恢复波门宽度，进行自动增益控制；若否，进入丢失目标状态。

驱动控制

如图8所示，由驱动微系统实现舵机的驱动控制。首先是通过单片机处理光电探测器获取目标的位置信息，单片机通过控制驱动舵机的控制芯片，使得舵机对制导子弹做出适当的姿态调整。

较佳的，如图9所示，舵机驱动控制电路41设置在前方，舵机执行机构42设置在后方。

本发明还公开了一种狙击步枪，该狙击步枪用于发射所述的制导子弹，该狙击步枪还包括激光照射器，通过所述激光照射器对目标进行激光照射。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种基于微系统的制导子弹，包括弹头、弹托和弹壳，其特征在于，所述弹头内设置有探测微系统、飞控微系统、能源微系统和驱动微系统，所述探测微系统设置于弹头前端的椎体段内，包括集成于第一芯片的光学系统、光学传感器和放大器，所述飞控微系统设置于弹头中部，通过接线连接探测微系统，所述飞控微系统包括集成于第二芯片的程控放大电路、信号捕获电路、模数转换电路及飞控计算机，所述能源微系统设置于弹头后端椎体段的前端，用于提供系统的能量，所述飞控微系统连接驱动微系统，所述驱动微系统设置于弹头后端椎体段的后端，包括集成于第三芯片的舵机驱动控制电路和舵机执行机构；

所述飞控微系统的控制流程包括：

S01：进入线性跟踪阶段，判断是否查询到目标信号；若没有查询到目标信号，对丢失目标计数，判断丢失目标计数是否满足设置值，若是，进行波门展宽，进入丢失目标状态；若否，重新判断是否查询到目标信号；

S02：若查询到目标信号，采集内部通道信号数据，计算进动方向和大小，计算舵机信号时间，输出进动信号，开中断输出舵机信号，判断是否是丢失状态；若没有丢失进行自动增益控制；

S03：若丢失，对捕获目标计数，调整波门位置，判断捕获计数是否满足设置值，若是，重新进入捕获阶段，恢复波门宽度，进行自动增益控制；若否，进入丢失目标状态。

2.根据权利要求1所述的基于微系统的制导子弹，其特征在于，目标反射的激光信号经过制导子弹头部的光学系统成像在探测微系统上，通过飞控微系统进行运算，计算出目标与弹体轴向俯仰和偏航的角度偏差，发送给驱动微系统，驱动微系统对弹体飞行姿态进行调整。

3.根据权利要求1所述的基于微系统的制导子弹，其特征在于，将漫反射激光通过子弹光学系统在四象限探测器上呈现激光光斑，利用激光光斑落在四象限探测器的位置得到目标相对于光轴的偏移量和偏移大小，对目标信号进行前置放大。

4.根据权利要求1所述的基于微系统的制导子弹，其特征在于，所述飞控微系统根据四象限光电探测器获取的目标信号通过四路模拟开关控制四路光电信号输入的关断；将四路光电信号可控增益放大，再通过峰值保持器件对放大后的光电信号进行峰值保持，将四路光电信号送入飞控计算机的四路模拟通道，经飞控计算机处理后，得出舵机的姿态调整信息。

5.一种狙击步枪，其特征在于，该狙击步枪用于发射如权利要求1-4中任一项所述的制导子弹，该狙击步枪还包括激光照射器，通过所述激光照射器对目标进行激光照射。

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