基于MEMS传感器的空中目标静电测距研究

房立清，陈凯，张磊

（军械工程学院，河北石家庄 050003）

基于MEMS传感器的空中目标静电测距研究

房立清，陈凯，张磊

（军械工程学院，河北石家庄 050003）

通过对现有国内外较为先进的MEMS传感器技术和静电探测技术的研究，提出一种采用MEMS传感器与静电探测技术相结合进行静电测距的方法，采用理论分析的方法，阐述探测器对空中目标进行探测及确定弹丸和空中目标之间距离的工作原理，为弹丸实现最佳爆炸奠定基础。同时为研制一种能适应战场快速决定碰炸或近炸的新型复合引信，提高现有高炮毁歼概率提供技术支持。

MEMS传感器；静电测距；引信；弹丸

0 引言

目前的高炮，按其毁歼目标的特点可分为直接毁歼、间接毁歼和双重毁歼3种方式。通过对现有高炮3种毁歼方式的分析，以提高毁歼概率为出发点，最有发展前景的方法是研制具有双重毁歼方式的新型复合引信[1-2]。

新型的复合引信要想对空中目标进行有效地拦截和打击，首先必须能对空中目标进行有效的探测。通过对目前国内外先进的对空弹药工作机理的分析发现：对空中目标的探测和攻击，越来越多的采用被动式测量攻击方法，即利用目标在飞行过程中的自身特性，弹丸引信自行探测感知。其中，静电探测引信以其独特的抗电子干扰特性被人们所青睐。从部分公开资料中发现，国外从20世纪40年代开始就一直在进行相关研究，并且已经有相应的研究成果使用在产品上。

如果想对现有高射炮弹丸引信有突破性发展，微电子机械系统（MEMS）技术的引入必不可少。由于高射炮弹丸引信的工作环境很特别，尤其是小口径弹丸引信，对电子器件提出了苛刻的要求，如：小型化、抗高过载、高可靠性、低功耗、成本低等。传统的技术手段难以满足这些要求，而MEMS器件则具有体积小、质量轻、功能丰富以及批量生产成本低等特点，与弹丸引信技术发展的要求十分吻合。MEMS技术在国外受到了各发达国家军方的广泛关注，受到了高度重视。美国国防部高级研究计划局也将MEMS技术在引信安全、引爆系统中的应用作为一个重要领域大力开展研究。本文通过对空中目标带电特性的分析，提出利用MEMS技术和静电探测技术相结合的方法对空中目标进行测距分析。

1 空中目标带电特性分析

空中目标在飞行时会因摩擦、外场感应、引擎燃烧等原因带上静电。然而，其所带的电荷量也不会无限制地增加，在上述起电因素的共同作用下，空中目标起电的同时，也存在着放电过程，当积累的电荷超过其放电阂值时，将会发生放电。根据电磁场理论，空中目标表面的电荷分布是不均匀的。对于全金属外壳的空中目标，可以将其表面看作等电位，而对于飞机等带有塑料、玻璃钢材料的目标，其表面上的电位分布非常复杂。研究发现，空中目标带电特性有4个共同特性[3-5]，下面以飞机为例进行阐述。

1.1 极低频（ELF）变化特性

飞机起飞后，当充放电流相等时，飞机为一瞬时恒等势体。充放电流通常是压强和温度的函数，加上外界其他的变化因素，飞机的电势是缓慢周期变化的。对于飞机的最大电势值，在某一气候条件下是由机身曲率最大处尖端的电晕放电阈值决定的。由于飞机飞行过程中充电，机身曲率最大处尖端电势超过阈值，就在该处产生放电，使飞机电势迅速降至最低，然后逐渐充电，至最大值再放电，如此周期变化，并表现出极低变化频率的特性。经测定美国Hind-D直升机电位变化的基频为10Hz。因此，从严格意义上来说，飞机的静电场是一种准静电场。

1.2 带电数量巨大，难于去除

出于安全考虑，从20世纪初飞机发明以来，人们一直在设法削除飞机静电。但由于电荷产生的固有机理，当今飞机的带电量仍是一个巨大的数值。据测量，喷气飞机的带电量可达10-3C，直升机的带电量可达10-6～10-4C，巡航导弹可达10-5～10-3C，其电位一般为几万伏，最大可达500 kV，这一数值在上千米的距离内可以被测得。因此，在这个电位上的飞机，很容易被一个安装在弹丸上的小型静电探头检测出来[4]。

1.3 受气象条件影响较大

在扰动天气条件下，大气电场活动更加剧烈，飞机的电位受气象因素，如温度、气压、降水等影响很大。大气中的各种降水粒子（如冰晶、雨滴、雪等）数量增大，目标飞跃带电云层的机会增多，飞机带电变化更加大。通常，不同类型的降水粒子带有不同大小和不同极性的电荷，且带正电的降水粒子数大于带负电的降水粒子数，在此种情况下，飞机带电量比晴天大。受这些因素的影响，飞机的电位不是一个恒定的量。

1.4 可近似为点目标进行探测

飞机表面大部分为金属材料，其表面必定产生连续分布的表面电荷。利用空中目标电荷的大致分布以及目标周围电场低频变化的特性，对于被动式静电探测系统，可将飞机近似为点目标。经Matlab软件进行仿真计算及理论分析得出：对于被动式静电探测系统，当空中目标与探测器距离大于目标3～6倍以上时，可将目标视为点目标，且当探测距离在10 km范围以内，可将目标的电场当作静电场进行测量[6]。

通过以上对空中目标带静电特性的分析，可以得出：空中目标带电特性是不会消失的，且带电量巨大，即采用静电探测的方法是可行的；在极低频变化的情况下，在一很短的时间段内，是可以认为空中目标所带电荷量恒定，及周围电场为静电场；在一定距离范围内可以把空中目标作为点目标进行分析。这些条件的成立，将大大降低静电测距的难度。

2 MEMS加速度传感器的选型

在本研究中，所需MEMS器件是加速度传感器，其安装位置主要是高射炮弹丸引信内。目的是利用所选传感器测量的加速度信号来控制弹丸的安全系统、探测系统及发火系统。由于工作环境的限制，选择传感器时，主要考虑的因素有体积、测量范围、抗过载能力、测量精度等。

为了便于选取合适本研究的传感器，对现有几种常用MEMS加速度传感器进行了研究[7-8]，并对其各自性能特点进行简单归纳，结果如表1所示。

表1 几种MEMS加速度传感器的性能对比表

高射炮弹丸引信的工作环境极其恶劣，其内部空间十分狭小，对传感器体积要求十分苛刻；弹丸出口速度很高，最大能达到几万个g的过载；所选用的传感器主要应用于连续测量弹丸外弹道的小量程加速度，同时还将用于引信的安全系统和发火系统中，因此对所选传感器的可靠性和安全性能要求很高，而且应具有一定的通用性。以上是对所选传感器工作环境的分析。通过简单分析可以发现：必须选取MEMS传感器，同时所选MEMS传感器不仅能正常测量小量程的加速度信号，即使经受大的冲击后依然能正常对小加速度信号进行测量。

然而，动态测试领域中传感器的高过载低量程是一个矛盾，主要是因为灵敏度与抗冲击过载的矛盾。要承受强烈的高过载力的冲击而不损坏，就要求有坚固的结构；而低量程加速度的测量，则要求敏感轴要薄弱灵敏。在传统加速度传感器上，想二者同时兼顾，难度较大。

通过表1可以看出：满足抗高过载要求的只有压阻式加速度传感器及热对流式加速度传感器。然而通过对两者结构分析发现，压阻式加速度传感器属于传统式加速度传感器，抗高过载和低量程在该型传感器上不能实现。热对流式加速度传感器是一种新型的加速度传感器，其工作原理是基于加热气流产生对流的原理。同传统的实体质量块相比，这种加速度传感器具有很大的优势，它不存在电容式传感器所存在的粘连、颗粒等问题，结构简单，成本低，具有较高的灵敏度和较好的线性，还具有较宽的工作频带，能够测量静态/动态加速度，并且能抵抗大于50000g的冲击[9]。该型传感器属于高过载低量程加速度传感器，可解决在偶尔的高冲击环境下对微小加速度的测量。

3 静电测距工作原理

将一个不带电的导体放入外电场中，导体内的自由电子在外电场的作用下，沿着与外电场相反的方向移动，使导体的一端感应出与源电荷极性相反的电荷，另一端则感应出与源电荷极性相同的电荷，这种导体因为受到外电场的影响而在表面上出现电荷的现象称为静电感应现象，这些电荷称为感应电荷[4]。

短路轴向电极探测法，是非接触式感应探测方法在引信上的一种应用，原理如图1所示，其原理即是利用上面所述的静电感应现象。该探测方法的探测器是由一对相互平行放置的金属探测极板A、B组成，其中A电极作为探测极板，而B电极作为整个探测系统的参考地，这样一对金属探测电极可以等效为一个电容C。工作时，极板所探测的信号由电流检测电路处理后传送给微处理器，信号经过微处理器综合分析，将最终引爆的指令发送给执行级，完成弹丸引爆。美国的新一代被动式静电引信即是利用该种探测方法研制而成，该引信可以探测到模拟飞机目标[6]。

图1 短路轴向电极探测原理图

短路轴向电极探测法注重对目标位置信息的测量，引信的起爆位置选择在距离目标最近的位置，但其对作用距离不具有可选择性。现结合前文所选取的MEMS加速度传感器，对现有的短路轴向电极探测法进行改进，以达到静电测距的目的。

由静电理论知，对一带静电量为Q的空中目标，探测器处的电位、电场强度满足如下关系式：

式中：V——探测器处的电位；

Q——空中目标上的总的荷电量；

ε——空气的介电常数；

R——空中目标与探测器的距离；

E——空中目标荷电量在探测器处的电场强度。

容易看出，静电探测器处的电位和电场强度除了受探测器到带电体的距离R影响之外，还受到环境介质、带电体电量等多种因素的影响。这样静电探测器测量到的电位、电场强度等量值并不能直接反映探测器和目标之间的距离信息。如果空中目标静电变化频率极低，在一很短的时间段内（通常只有几百甚至几十毫秒的时间），可以认为空中目标所带电荷量恒定。同时在探测器与目标交会的过程中，空中目标的速度和外形结构等因素也基本保持不变，可以认为空中目标所带电量及空间介质的介电常数均为常量。这样影响式（1）和式（2）结果的就只有探测器与空中目标间距离等因素。以上即是该测距方法实施的前提条件，下面将对该测距方法工作方式进行具体介绍。

首先，利用MEMS加速度传感器测量探测器的加速度a和速度ν。具体过程为：当微加速度传感器开始测量探测器加速度时，微处理器时钟开始计时，并记录此时探测器的加速度，此后微加速度传感器连续测量探测器加速度和飞行时间。根据探测器飞行时间和该时刻的加速度，就可以计算出任意时刻探测器的速度ν。

其次，计算探测器飞行距离S。设某一时刻t1，探测器加速度为a1，飞行速度为ν。飞行时间Δt后，在时刻t2测得探测器加速度为a2，由牛顿定律可知探测器飞行的距离S为

其中，Δt=t2-t1；a∈[a1，a2]。

最后，计算探测器与目标的实际距离R。设在t1时刻，探测器与目标距离为R1，静电探测系统测得极板AB间电位差为V1；在t2时刻，探测器与目标的距离为R2，静电探测系统测得极板AB间电位差为V2。由于极板B接地，故此处AB间的电位差即是探测器位置的电位。由式（1）可知：

则得：

因R1-R2=S，故目标所带总的电荷量为

探测器从开始到进入探测器与目标交合区，时间很短，只有几秒的时间，对地面防空武器系统而言，外界环境的变化可以忽略，可以认为所带电量是个常量，空间介质的介电常数也是常量，因此，将式（6）代入式（5），可得

在开始阶段，选取几个时间段，可得n个Q值，取均值后得E（Q），即可认为E（Q）是目标实际所带的荷电量。此时，认为空间介质常数ε为常量，则

将式（8）代入式（4），只要测得在任意时刻t极板AB间的电位差Vt，即可求出探测器与目标的实际距离R为

其中，极板AB间的电位差Vt由静电探测电路测出。故用此改进方法可以使短路轴向电极探测方法不仅能及时反映弹丸与目标交会时的弹目距变化情况，一定条件下也可以测得弹目距的真实数据。

4 结束语

通过对空中目标带电特性的分析，得出了本文所采取的静电测距方式成立的条件，同时证明所选测距方法的可行性。高炮引信工作环境恶劣，给MEMS加速度传感器的选型带来很大困难。通过对比分析，现有技术条件下能够制造出满足条件的加速度传感器。最后，利用MEMS技术和静电探测技术相结合的方法对空中目标进行测距分析，从理论层次证明了该测距方法的可行性，为弹丸对空中目标进行有效打击提供很好的工作平台和理论技术支持。该项研究对提高高射炮弹丸对空中目标的毁伤概率、提升我国防空武器的作战性能具有一定意义。

[1]薛德庆，房立清.现代高炮技术[M].北京：国防工业出版社，2007（6）：5-10.

[2]陈凯，房立清，王宏凯.现有高炮毁歼特点及改进方向[J].兵工自动化，2012（2）：17-19.

[3]魏斌，代方震.静电探测技术研究[J].空军装备研究，2001（2）：9-12.

[4]陈曦，崔占忠，陈方.空中静电目标特性分析[J].北京理工大学学报，2005，9（25）：169-172.

[5]刘尚合.静电理论与防护[M].北京：兵器工业出版社，1999：25-27.

[6]崔占忠，宋世和，徐立新.近炸引信原理[M].北京：北京理工大学出版社，2005（5）：56-60.

[7]徐泰然.MEMS和微系统-设计与制造[M].北京：机械工业出版社，2004（1）：30-50.

[8]李伟.高g值硅微加速度计的结构设计与分析[D].南京：南京理工大学，2005.

[9]杨拥军，吝海锋，师谦，等.微机械热对流加速度传感器可靠性研究[J].微纳电子技术，2006，7（8）：317-321.

Research on electrostatic ranging for air targets based on MEMS sensor

FANG Li-qing，CHEN Kai，ZHANG Lei
（Departmant of Artillery Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Through investigating the existing advanced MEMS sensor technology and static detection technology at home and abroad，the authors put forward a electrostatic ranging method by combining the MEMS sensor with static detection technology.With the theoretical analysis method，this paper expounds the method to detect the air targets，and the working mechanism of the method to determine distance between the probe and the target，which lays the foundation for achieving the best explosion of the projectile.At the same time，it can provides the technical supports for developing the new composite fuze which meets the requirements of quick decision contact fuze or proximity fuze at the battlefield，this will be help for improve kill probability for present anti-aircraft guns.

MEMS sensor；electrostatic ranging；fuze；projectile

P215；O441.5；TP212.1；TJ410.3+3

A

1674-5124（2013）03-0006-04

2012-07-11；

：2012-09-08

房立清（1969-），男，河北栾城县人，教授，研究方向为武器实验、性能检测与故障诊断。