CN112857466B - 一种弹载传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，具体地说，涉及一种弹载传感器。包括弹体，弹体内侧靠近弹头处设有光纤光栅传感器，光纤光栅传感器的后侧并排设有光纤解调仪和数据采集仪，光纤解调仪的后侧从前至后依次设有单片机和无线数据发送模块芯片，无线数据发送模块芯片与光纤光栅传感器之间从后至前依次设有射频天线和接收芯片。本发明设计应用光纤光栅传感器技术对弹体进行环境温度、压力等参数监测，并将监测到的参数信息及时提供给计算机，经数据比对后对弹体参数及弹道轨迹做出相应的调整，能够更加精确的打击目标，其中，光纤光栅传感器本质安全、安装简便、反应灵敏且可靠，环境适应性强，同时全程采用计算机控制，系统化程度高。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体地说，涉及一种弹载传感器。
背景技术
在复杂多变的环境下，飞行过程中的弹药会受到外界环境的不同影响，比如温度变化异常、弹体角度变化、受到不同压力等等。这些因素会影响弹体的飞行轨迹，从而不能够精确打击目标。其中弹载传感器是智能弹药自主感知环境信息或接收指令不可缺少的一部分，如果能够及时监测到弹体发射出去所受的环境信息并反馈给计算机，势必会增加打击目标的准确性。由于弹药在飞行过程中存在较多不确定的环境因素，因此安装在弹药上的传感器装置必须要有较高的工作稳定性和及时监测并反馈参数信息的实时性。目前，传统的以电为基础的传感器、磁传感器等都不能满足弹药打击目标较高的精度要求，也不能适用于未知变化的环境条件。其中，以电为基础的传感器中，常规电子系统会在恶劣的环境中失效，影响环境参数的测量。而光纤传感器比传统传感器更加安全，可靠，并且光纤传感器体积非常小，直径只有100微米左右，因此可以埋藏弹体上，形成智能结构系统，并能准确完成多种在线监测，包括应力应变、损伤、温度、腐蚀等等。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种弹载传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了一种弹载传感器，包括弹体，所述弹体内侧靠近弹头处设有光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器的后侧并排设有光纤解调仪和数据采集仪，所述光纤解调仪的后侧从前至后依次设有单片机和无线数据发送模块芯片，所述无线数据发送模块芯片与所述光纤光栅传感器之间从后至前依次设有射频天线和接收芯片。
作为本技术方案的进一步改进，所述光纤光栅传感器的外侧密封套设有封装外壳。
作为本技术方案的进一步改进，所述光纤光栅传感器、所述光纤解调仪、所述单片机、所述无线数据发送模块芯片、所述射频天线与所述接收芯片依次呈环状分布。
本发明的目的之二在于，提供了一种弹载传感器的传感系统，包括
状态监测单元、无线传输单元、数据处理单元和信息应用单元；所述状态监测单元、所述数据处理单元与所述信息应用单元依次通过无线通讯连接；所述状态监测单元用于通过设置在弹头内的传感器实时监测弹体外侧的温度、压力、应力及角度偏转等环境状态；所述无线传输单元用于给传感系统提供通过无线技术进行数据信号传输的通道；所述数据处理单元用于对传感器采集到的状态数据进行收集、传输、接收及存储等操作；所述信息应用单元用于将采集到的状态变化量应用到对弹体的运行状态进行调整的操作中；
所述状态监测单元包括温度监测模块、压力传感模块、应力传导模块和角度偏转模块；
所述数据处理单元包括数据收集模块、编码转换模块、数据接收模块和数据存储模块；
所述信息应用单元包括原始设定模块、数据比对模块、参数修改模块和弹道调整模块。
作为本技术方案的进一步改进，所述温度监测模块、所述压力传感模块、所述应力传导模块与所述角度偏转模块同时并列运行；所述温度监测模块用于实时监测弹体外侧的温度变化；所述压力传感模块用于实时监测弹体弹头处受到的外部压力值变化；所述应力传导模块用于监测弹体材料因外界环境变化引起的形变所产生的应力变化；所述角度偏转模块用于测量弹体弹头位置的实时指向。
作为本技术方案的进一步改进，所述数据收集模块的信号输出端与所述编码转换模块的信号输入端连接，所述编码转换模块的信号输出端与所述数据接收模块的信号输入端连接，所述数据接收模块的信号输出端与所述数据存储模块的信号输入端连接；所述数据收集模块用于通过光线解调仪及数据采集仪对光纤光栅的反射波长变化量数据进行收集并将收集的信息作用给数据接收模块单片机；所述编码转换模块用于通过单片机将接收到的信号进行编码并经调制后变送到无线数据发送模块芯片中，再将其传输到射频天线端转换为电磁波；所述数据接收模块用于通过在接收端天线设置相同频率电磁波以便将接收到的信号经过解调后发送到接收芯片中；所述数据存储模块用于将最终接收到的数据信息存储在存储模块并共享到与存储模块连接的计算机上。
作为本技术方案的进一步改进，所述数据存储模块在对数据进行存储时需要对数据进行压缩，数据压缩的方法采用Huffman编码算法，其算法包括如下步骤：
S1.1、根据n个权值{w1，w2，...，wn}构成n颗二叉树的集合F＝{T1，T2，...，Tn}，其中每棵二叉树Ti中只有一个带权为wi的根结点，其左右子树均为空；
S1.2、在F中选取两棵根结点的权值最小的树作为左右子树来构造一棵新的二叉树，且置新的二叉树的根结点的权值为其左、右子树结点的根结点的权值之和；
S1.3、在F中删除这两棵树，同时将新得到的二叉树加入F中；
S1.4、重复S5.2和S5.3，直到F中只含一棵树时为止。
作为本技术方案的进一步改进，所述原始设定模块的信号输出端与所述数据比对模块的信号输入端连接，所述数据比对模块的信号输出端与所述参数修改模块的信号输入端连接，所述参数修改模块的信号输出端与所述弹道调整模块的信号输入端连接；所述原始设定模块用于记录并存储弹体原始状态的各项状态值；所述数据比对模块用于将实时采集到的数据与原始状态的数值进行比对以判断弹体状态的变化量；所述参数修改模块用于提供修改弹体状态参数的通道；所述弹道调整模块用于根据弹体状态变化量及对应参数来对弹道的轨迹进行调整。
作为本技术方案的进一步改进，所述数据比对模块采用置信区间计算方法，其算法公式为：
式中，
df＝min(n1-1,n2-1)；
其中，
为点估计样本的平均数，
为实时测量得到的基础状态值，
为原始设定的基础状态值，t为置信区间对应的检验统计量，SE为抽样分布的标准差。
作为本技术方案的进一步改进，所述弹道调整模块运行过程中，需要通过测量弹体与打击目标之间的距离，采用n维向量欧氏距离算法，其计算公式为：
其中，(x11，x12，...，x1n)为弹体所处位置的n维向量坐标，(x21，x22，...，x2n)为打击目标所处位置的n维向量坐标，d12为两者之间的欧式距离。
本发明的目的之三在于，提供了一种弹载传感器的传感啊系统运行装置，包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序，处理器用于执行计算机程序时实现上述任一的弹载传感器。
本发明的目的之四在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一的弹载传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.该弹载传感器中，采用光纤光栅传感器可以对弹体飞行过程中进行实时多点多部位的状态监测，光纤光栅传感器对电绝缘、无电传输监测、本质非常安全，同时体积小、安装简便，反应及时且非常灵敏，可靠性非常高，并具有良好的防强电磁干扰、抗雷击、耐腐蚀性好，环境适应性强，另外可以采用计算机控制，系统化程度高；
2.该弹载传感器中，应用光纤光栅传感器技术对弹体进行环境温度、压力等参数监测，并将监测到的参数信息及时提供给计算机，经数据比对后对弹体参数及弹道轨迹做出相应的调整，能够更加精确的打击目标。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的局部半剖结构示意图；
图3为本发明的正视剖面结构示意图；
图4为本发明的示例性方案流程图；
图5为本发明的整体系统装置结构图；
图6为本发明的局部系统装置结构图之一；
图7为本发明的局部系统装置结构图之二；
图8为本发明的局部系统装置结构图之三；
图9为本发明的局部系统装置结构图之四。
图中各个标号意义为：
1、弹体；2、光纤光栅传感器；3、封装外壳；4、光纤解调仪；5、数据采集仪；6、单片机；7、无线数据发送模块芯片；8、射频天线；9、接收芯片；
100、状态监测单元；101、温度监测模块；102、压力传感模块；103、应力传导模块；104、角度偏转模块；
200、无线传输单元；
300、数据处理单元；301、数据收集模块；302、编码转换模块；303、数据接收模块；304、数据存储模块；
400、信息应用单元；401、原始设定模块；402、数据比对模块；403、参数修改模块；404、弹道调整模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
产品实施例
如图1-图3所示，本实施例提供了一种弹载传感器，包括弹体1，弹体1内侧靠近弹头处设有光纤光栅传感器2，光纤光栅传感器2的后侧并排设有光纤解调仪4和数据采集仪5，光纤解调仪4的后侧从前至后依次设有单片机6和无线数据发送模块芯片7，无线数据发送模块芯片7与光纤光栅传感器2之间从后至前依次设有射频天线8和接收芯片9。
本实施例中，光纤光栅传感器2的外侧密封套设有封装外壳3。
其中，光纤光栅传感器2除了具有普通光纤传感技术的防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰、对电绝缘、无电传输等许多优点外，在可靠性、寿命及波长不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等方面都优于普通光纤传感技术，是智能材料用传感器首选之一，因此,适宜用于在弹体1上。
具体地，因弹体1在飞行过程中会产生高温，需选择合适的材料对光纤光栅传感器2进行封装。
其中，光纤光栅传感器2为飞秒激光刻写的纯石英光纤光栅。
具体地，封装外壳3优选采用不锈钢管或石英-陶瓷管制成。
此外，弹体飞行过程所受多变的环境使得弹药的飞行轨迹会有所偏差，根据温度、压力及应力等环境参数的实时变化选择不同的光纤光栅传感器，而多变的环境使得对传感器的封装技术有更高的要求。
本实施例中，光纤光栅传感器2、光纤解调仪4、单片机6、无线数据发送模块芯片7、射频天线8与接收芯片9依次呈环状分布，便于各元件之间的连接，且便于安装在柱状的弹体1内部。
系统实施例
如图4-图9所示，本实施例提供了一种弹载传感器的传感系统，包括
状态监测单元100、无线传输单元200、数据处理单元300和信息应用单元400；状态监测单元100、数据处理单元300与信息应用单元400依次通过无线通讯连接；状态监测单元100用于通过设置在弹头内的传感器实时监测弹体外侧的温度、压力、应力及角度偏转等环境状态；无线传输单元200用于给传感系统提供通过无线技术进行数据信号传输的通道；数据处理单元300用于对传感器采集到的状态数据进行收集、传输、接收及存储等操作；信息应用单元400用于将采集到的状态变化量应用到对弹体的运行状态进行调整的操作中；
状态监测单元100包括温度监测模块101、压力传感模块102、应力传导模块103和角度偏转模块104；
数据处理单元300包括数据收集模块301、编码转换模块302、数据接收模块303和数据存储模块304；
信息应用单元400包括原始设定模块401、数据比对模块402、参数修改模块403和弹道调整模块404。
本实施例中，温度监测模块101、压力传感模块102、应力传导模块103与角度偏转模块104同时并列运行；温度监测模块101用于实时监测弹体外侧的温度变化；压力传感模块102用于实时监测弹体弹头处受到的外部压力值变化；应力传导模块103用于监测弹体材料因外界环境变化引起的形变所产生的应力变化；角度偏转模块104用于测量弹体弹头位置的实时指向。
本实施例中，数据收集模块301的信号输出端与编码转换模块302的信号输入端连接，编码转换模块302的信号输出端与数据接收模块303的信号输入端连接，数据接收模块303的信号输出端与数据存储模块304的信号输入端连接；数据收集模块301用于通过光线解调仪及数据采集仪对光纤光栅的反射波长变化量数据进行收集并将收集的信息作用给数据接收模块单片机；编码转换模块302用于通过单片机将接收到的信号进行编码并经调制后变送到无线数据发送模块芯片中，再将其传输到射频天线端转换为电磁波；数据接收模块303用于通过在接收端天线设置相同频率电磁波以便将接收到的信号经过解调后发送到接收芯片中；数据存储模块304用于将最终接收到的数据信息存储在存储模块并共享到与存储模块连接的计算机上。
进一步地，数据存储模块304在对数据进行存储时需要对数据进行压缩，数据压缩的方法采用Huffman编码算法，其算法包括如下步骤：
S1.1、根据n个权值{w1，w2，...，wn}构成n颗二叉树的集合F＝{T1，T2，...，Tn}，其中每棵二叉树Ti中只有一个带权为wi的根结点，其左右子树均为空；
S1.2、在F中选取两棵根结点的权值最小的树作为左右子树来构造一棵新的二叉树，且置新的二叉树的根结点的权值为其左、右子树结点的根结点的权值之和；
S1.3、在F中删除这两棵树，同时将新得到的二叉树加入F中；
S1.4、重复S5.2和S5.3，直到F中只含一棵树时为止。
本实施例中，原始设定模块401的信号输出端与数据比对模块402的信号输入端连接，数据比对模块402的信号输出端与参数修改模块403的信号输入端连接，参数修改模块403的信号输出端与弹道调整模块404的信号输入端连接；原始设定模块401用于记录并存储弹体原始状态的各项状态值；数据比对模块402用于将实时采集到的数据与原始状态的数值进行比对以判断弹体状态的变化量；参数修改模块403用于提供修改弹体状态参数的通道；弹道调整模块404用于根据弹体状态变化量及对应参数来对弹道的轨迹进行调整。
进一步地，数据比对模块402采用置信区间计算方法，其算法公式为：
式中，
df＝min(n1-1,n2-1)；
其中，
为点估计样本的平均数，
为实时测量得到的基础状态值，
为原始设定的基础状态值，t为置信区间对应的检验统计量，SE为抽样分布的标准差。
进一步地，弹道调整模块404运行过程中，需要通过测量弹体与打击目标之间的距离，采用n维向量欧氏距离算法，其计算公式为：
其中，(x11，x12，...，x1n)为弹体所处位置的n维向量坐标，(x21，x22，...，x2n)为打击目标所处位置的n维向量坐标，d12为两者之间的欧式距离。
方法实施例
如图4所示，本实施例提供了一种弹载传感器的传感系统运行方式，包括如下步骤：
S2.1、将弹体1装载在发射器上，对弹体1原始状态数据记录在计算机系统上，并调试好弹载传感器的各元件，使其正常运行；
S2.2、外界环境发生变化，使光纤光栅的反射波长发生变化，并通过光纤解调仪4及数据采集仪5对数据进行收集；
S2.3、光纤解调仪4将得到的状态信息作用给数据接收模块单片机6上，单片机6将接收到的信息进行编码，通过调制后再变送到无线数据发送模块芯片7上；
S2.4、无线数据发送模块芯片7将编码信号传输到射频天线8上，射频天线8将信号转换为电磁波，并在接收端设置相同频率电磁波，接收到的信号经过解调后发送到接收芯片9中，继而将信息存储在数据存储模块中；
S2.5、数据存储模块连接到计算机，计算机系统实时将采集到的数据信息与原始设定的状态数据进行比对分析，得到状态变化量；
S2.6、系统根据分析得出的状态量变化值，对弹体1及其发射器的运行参数进行修改；
S2.7、系统根据弹体1与打击目标的实时位置坐标，计算两者之间的距离，并结合弹体1的环境状态及其弹头指向角度，调整弹道轨迹。
计算机产品实施例
参阅图9，示出了一种弹载传感器的传感系统运行装置结构示意图，该装置包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序。
处理器包括一个或一个以上处理核心，处理器通过总线与处理器相连，存储器用于存储程序指令，处理器执行存储器中的程序指令时实现上述的弹载传感器的传感系统。
可选的，存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随时存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
此外，本发明还提供了计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的弹载传感器的传感系统。
可选的，本发明还提供了包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面弹载传感器的传感系统。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储与计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种弹载传感器，其特征在于：包括弹体(1)，所述弹体(1)内侧靠近弹头处设有光纤光栅传感器(2)，所述光纤光栅传感器(2)的后侧并排设有光纤解调仪(4)和数据采集仪(5)，所述光纤解调仪(4)的后侧从前至后依次设有单片机(6)和无线数据发送模块芯片(7)，所述无线数据发送模块芯片(7)与所述光纤光栅传感器(2)之间从后至前依次设有射频天线(8)和接收芯片(9)；
该传感器上还装载有传感系统，包括
状态监测单元(100)、无线传输单元(200)、数据处理单元(300)和信息应用单元(400)；所述状态监测单元(100)、所述数据处理单元(300)与所述信息应用单元(400)依次通过无线通讯连接；所述状态监测单元(100)用于通过设置在弹头内的传感器实时监测弹体外侧的温度、压力、应力及角度偏转环境状态；所述无线传输单元(200)用于给传感系统提供通过无线技术进行数据信号传输的通道；所述数据处理单元(300)用于对传感器采集到的状态数据进行收集、传输、接收及存储操作；所述信息应用单元(400)用于将采集到的状态变化量应用到对弹体的运行状态进行调整的操作中；
所述状态监测单元(100)包括温度监测模块(101)、压力传感模块(102)、应力传导模块(103)和角度偏转模块(104)；
所述数据处理单元(300)包括数据收集模块(301)、编码转换模块(302)、数据接收模块(303)和数据存储模块(304)；
所述信息应用单元(400)包括原始设定模块(401)、数据比对模块(402)、参数修改模块(403)和弹道调整模块(404)；
所述原始设定模块(401)的信号输出端与所述数据比对模块(402)的信号输入端连接，所述数据比对模块(402)的信号输出端与所述参数修改模块(403)的信号输入端连接，所述参数修改模块(403)的信号输出端与所述弹道调整模块(404)的信号输入端连接；所述原始设定模块(401)用于记录并存储弹体原始状态的各项状态值；所述数据比对模块(402)用于将实时采集到的数据与原始状态的数值进行比对以判断弹体状态的变化量；所述参数修改模块(403)用于提供修改弹体状态参数的通道；所述弹道调整模块(404)用于根据弹体状态变化量及对应参数来对弹道的轨迹进行调整；
所述数据比对模块(402)采用置信区间计算方法，其算法公式为：
式中，
df＝min(n1-1,n2-1)；
其中，
为点估计样本的平均数，
为实时测量得到的基础状态值，
为原始设定的基础状态值，t为置信区间对应的检验统计量，SE为抽样分布的标准差，n1为实时测量得到的基础状态值的数量，n2为原始设定的基础状态值的数量，s1为实时测量得到的基础状态值的抽样误差，s2为原始设定的基础状态值的抽样误差，
为样本关键值；
所述弹道调整模块(404)运行过程中，需要通过测量弹体与打击目标之间的距离，采用n维向量欧氏距离算法，其计算公式为：
其中，(x11，x12，...，x1n)为弹体所处位置的n维向量坐标，(x21，x22，...，x2n)为打击目标所处位置的n维向量坐标，d12为两者之间的欧式距离。
2.根据权利要求1所述的弹载传感器，其特征在于：所述光纤光栅传感器(2)的外侧密封套设有封装外壳(3)。
3.根据权利要求1所述的弹载传感器，其特征在于：所述光纤光栅传感器(2)、所述光纤解调仪(4)、所述单片机(6)、所述无线数据发送模块芯片(7)、所述射频天线(8)与所述接收芯片(9)依次呈环状分布。
4.根据权利要求1所述的弹载传感器，其特征在于：所述温度监测模块(101)、所述压力传感模块(102)、所述应力传导模块(103)与所述角度偏转模块(104)同时并列运行；所述温度监测模块(101)用于实时监测弹体外侧的温度变化；所述压力传感模块(102)用于实时监测弹体弹头处受到的外部压力值变化；所述应力传导模块(103)用于监测弹体材料因外界环境变化引起的形变所产生的应力变化；所述角度偏转模块(104)用于测量弹体弹头位置的实时指向。
5.根据权利要求1所述的弹载传感器，其特征在于：所述数据收集模块(301)的信号输出端与所述编码转换模块(302)的信号输入端连接，所述编码转换模块(302)的信号输出端与所述数据接收模块(303)的信号输入端连接，所述数据接收模块(303)的信号输出端与所述数据存储模块(304)的信号输入端连接；所述数据收集模块(301)用于通过光线解调仪及数据采集仪对光纤光栅的反射波长变化量数据进行收集并将收集的信息作用给数据接收模块单片机；所述编码转换模块(302)用于通过单片机将接收到的信号进行编码并经调制后变送到无线数据发送模块芯片中，再将其传输到射频天线端转换为电磁波；所述数据接收模块(303)用于通过在接收端天线设置相同频率电磁波以便将接收到的信号经过解调后发送到接收芯片中；所述数据存储模块(304)用于将最终接收到的数据信息存储在存储模块并共享到与存储模块连接的计算机上。
6.根据权利要求5所述的弹载传感器，其特征在于：所述数据存储模块(304)在对数据进行存储时需要对数据进行压缩，数据压缩的方法采用Huffman编码算法，其算法包括如下步骤：
S1.1、根据n个权值{w1，w2，...，wn}构成n颗二叉树的集合F＝{T1，T2，...，Tn}，其中每棵二叉树Ti中只有一个带权为wi的根结点，其左右子树均为空；
S1.2、在F中选取两棵根结点的权值最小的树作为左右子树来构造一棵新的二叉树，且置新的二叉树的根结点的权值为其左、右子树结点的根结点的权值之和；
S1.3、在F中删除这两棵树，同时将新得到的二叉树加入F中；
S1.4、重复S1.2和S1.3，直到F中只含一棵树时为止。
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