一种基于磁梯度法的水下枪弹着靶参数测量方法

摘要

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

说明书

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：

$\frac{\Delta B_A}{{\mathrm{\Delta r}}_i}=\left(\begin{array}{c}-3\mu /4\pi [(M·r_i)(5{x_i}^2-{r_i}^2)-2{r_i}^2{x}_i{m}_x]/{r_i}^7\\ -3\mu /4\pi [(M·r_i)(5{y_i}^2-{r_i}^2)-2{r_i}^2{y}_i{m}_y]/{r_i}^7\\ -3\mu /4\pi [(M·r_i)5x_i{y}_i-{r_i}^2(x_i{m}_y+y_i{m}_x)]/{r_i}^7\\ -3\mu /4\pi [(M·r_i)5x_i{z}_i-{r_i}^2(x_i{m}_z+z_i{m}_x)]/{r_i}^7\\ -3\mu /4\pi [(M·r_i)5y_i{z}_i-{r_i}^2(y_i{m}_z+z_i{m}_y)]/{r_i}^7\end{array}\right)$

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：

$\left(\begin{array}{c}{m}_x=m\sin \theta \cos \psi \\ m_y=m\sin \theta \sin \psi \\ m_z=m\cos \theta \end{array}\right)$

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：

$\frac{\Delta B_A}{{\mathrm{\Delta r}}_i}=\left(\begin{array}{c}-3\mu /4\pi [(M·r_i)(5{x_i}^2-{r_i}^2)-2{r_i}^2{x}_i{m}_x]/{r_i}^7\\ -3\mu /4\pi [(M·r_i)(5{y_i}^2-{r_i}^2)-2{r_i}^2{y}_i{m}_y]/{r_i}^7\\ -3\mu /4\pi [(M·r_i)5x_i{y}_i-{r_i}^2(x_i{m}_y+y_i{m}_x)]/{r_i}^7\\ -3\mu /4\pi [(M·r_i)5x_i{z}_i-{r_i}^2(x_i{m}_z+z_i{m}_x)]/{r_i}^7\\ -3\mu /4\pi [(M·r_i)5y_i{z}_i-{r_i}^2(y_i{m}_z+z_i{m}_y)]/{r_i}^7\end{array}\right)$

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：

$\left(\begin{array}{c}{m}_x=m\sin \theta \cos \psi \\ m_y=m\sin \theta \sin \psi \\ m_z=m\cos \theta \end{array}\right)$

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。