基于过载斜率灰色关联度的复合目标识别方法研究_梁瑊辉.pdf

书书书测控技术2023 年第 42 卷第 1 期试验与测试收稿日期:2022 10 31引用格式:梁瑊辉，王志成，王杰，等 基于过载斜率灰色关联度的复合目标识别方法研究 J 测控技术，2023，42(1):70 76LIANG J H，WANG Z C，WANG J，et al esearch on Compound Target ecognition Method Based on Gray Correlation Degree ofOverload Slope J Measurement Control Technology，2023，42(1):70 76基于过载斜率灰色关联度的复合目标识别方法研究梁瑊辉1，王志成1，邵志豪1，王杰1，李蓉1，2，张珂1，2(1 西安机电信息技术研究所，陕西 西安710065;2 机电动态控制重点实验室，陕西 西安710065)摘要:针对弹丸高速侵彻复合目标中引信难以识别高强度目标层，在复合目标后最佳毁伤位置起爆准确度低的问题，提出一种基于过载斜率灰色关联度的复合介质识别方法。首先，借鉴斜率灰色关联度方法的数学含义，对两条曲线的关联度改进设计为一条曲线相邻时间窗进行关联度分析，并根据相邻时间窗过载斜率灰色关联度的符号函数预测弹丸侵彻状态。当判断到弹丸在两个相邻时间窗中侵彻状态不同时，再结合过载斜率符号确定弹丸由弱强度目标进入高强度目标层。采用实测复合目标过载数据验证了该方法的有效性，结果表明，提出的方法可识别弹丸侵彻不同介质过载特征的变化趋势，准确确定弹丸是否由弱强度目标进入高强度硬目标，以此作为复合目标空穴起爆控制决策的关键技术支撑。关键词:引信;复合目标;斜率灰色关联度;过载中图分类号:TP391 4文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)01 0070 07doi:10 19708/j ckjs 2023 01 012esearch on Compound Target ecognition Method Based on Gray CorrelationDegree of Overload SlopeLIANG Jian-hui1，WANG Zhi-cheng1，SHAO Zhi-hao1，WANG Jie1，LI ong1，2，ZHANG Ke1，2(1 Xi an Institute of Electromechanical Information Technology，Xi an 710065，China;2 Scicence and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory，Xi an 710065，China)Abstract:Aiming at the problems that the fuze is difficult to identify the high-intensity layer when the projec-tile penetrates the composite target at high speed and its detonation accuracy at the optimal damage position af-ter the projectile penetrating the composite target is low，a composite medium identification method based onthe gray correlation degree of overload slope is proposed Firstly，the method uses the mathematical meaning ofthe slope grey correlation degree method for reference，the correlation degree of two curves is improved into thecorrelation degree analysis of adjacent time windows of one curve，and then the projectile penetration state ispredicted according to the sign function of the overload slope grey correlation degree of adjacent time windowsWhen it is judged that the penetration state of the projectile is different in two adjacent time windows，the over-load slope symbol is combined to determine whether the projectile enters the high-intensity target from the weakintensity target The effectiveness of the proposed method is verified by the measured overload data of compos-ite targets The results show that the method can identify the change trend of overload characteristics of pro-jectiles penetrating different media，whether projectiles enter high-strength hard targets from weak targets isdetermined accurately，and which is the key technical support for cavity initiation control decision of compos-ite targetsKey words:fuze;composite medium target;grey correlation degree of slope;overload07随着地下工事、弹药库、机库等高价值军事目标的防护能力越来越强1，防护结构由单介质厚目标发展为复合目标。复合目标是采用夯土、岩石、沙石、混凝土多种介质层紧密贴合组成的厚目标结构，利用相邻介质间的界面效应提高抗弹能力，同时因不同介质的强度不同，干扰侵彻钻地武器引信对主强度目标的判断，从而降低侵彻弹药的毁伤效果，达到掩体等目标防护性能的目的2。侵彻钻地武器要求对具有复杂目标防护的军事目标具有精准打击能力3。侵彻钻地武器常采用空穴起爆方法对地下目标实现打击，常规的空穴起爆方法是依据单介质目标过载特征规律，采用阈值比较法4，在识别到完整的侵入、侵出特征的基础上判断弹丸侵彻完整目标5，计算侵出速度，设定起爆时间。基于过载斜率灰色关联度的复合目标识别方法是采用过载斜率灰色关联度方法预测弹丸的侵彻状态，判断侵彻状态变化点，结合过载斜率值符号，确定弹丸侵入高强度目标，在此基础上采用空穴起爆方法，进行起爆决策。提出的方法比常规的阈值比较法更适用于过载特征部分叠加和不完整的复合目标识别。常规空穴起爆方法采用阈值比较法识别目标，将实时采集的弹丸侵彻过载和设定的侵入、侵出目标阈值相比较，当判断过载值符合阈值条件，且侵入、侵出的顺序正确时，确定弹丸侵彻完整的目标层，在此基础上根据弹丸侵出目标的速度结合起爆距离，设定延时起爆时间，实现起爆决策6。该方法前提是弹丸侵彻目标具有完整的侵彻入、侵出过载特征，对于复合目标，弹丸侵彻不同介质层界面时过载特征重叠、不完整，容易对高强度目标出现漏判、错判的情况7，从而影响弹丸的毁伤效果。提出的基于斜率灰色关联度的复合目标识别方法，根据相邻两个时间窗的过载斜率灰色关联度符号函数预测弹丸的侵彻状态，并结合斜率值符号判断弹丸由低强度目标进入高强度目标，解决了侵彻特征不完整的状态下准确识别高强度目标的问题。本研究的数学理论基于灰色关联度分析法，该方法是表征两个系统之间的因素随时间或不同对象而变化的关联性。若两个因素变化的趋势具有一致性，则二者关联程度较高;反之，则较低。发展趋势可以用一阶或二阶斜率来度量，因此可以利用斜率差(速度、加速度)来表示关联度，这是目前许多关联度模型的基本思路8。提出的基于过载斜率灰色关联度的复合目标识别方法，在灰色关联度分析法基础上进行了改进设计，以同一曲线相邻两个时间窗过载斜率灰色关联度的符号函数判断弹丸是否处于同一种侵彻状态，确定弹丸从一种侵彻状态进入到另一种侵彻状态，随后结合相邻时间窗过载斜率的符号变换，判断弹丸由弱强度介质目标进入高强度介质目标，在此基础上根据弹丸侵出目标的速度设定延时起爆时间，为复合目标的空穴起爆算法的准确度提供了技术支撑。1单一介质目标过载特征分析图 1 为一般典型的单一介质目标侵彻过载曲线，图 2 为相应的侵彻速度曲线。侵彻过程大致可分为 3个阶段:第 1 阶段，t1 t2时刻，为弹头与目标接触、进入目标内部过程，此时弹 目接触面积最大，弹头所受阻力最大，过载信号最大;第 2 阶段，t2 t3时刻，为弹丸稳定侵彻阶段，该阶段弹丸在目标内形成稳定的侵彻通道，所受阻力变化小，表现为侵彻过载信号较为平缓;第 3 阶段:t3 t4时刻，为弹丸侵出目标阶段，弹头开始出靶，弹 目接触面积最小，弹丸所受阻力减小，表现为侵彻过载不断减小，直至弹头完全出靶，弹体不受目标的阻力作用，弹丸侵彻过载消失9。图 1单一介质目标过载特征图 2单一介质侵彻速度曲线引信使用加速度传感器采集弹丸侵彻目标全过程的过载信息，通常采用阈值比较法，判断到过载值大于17基于过载斜率灰色关联度的复合目标识别方法研究侵入阈值或小于侵出阈值时，标记弹丸的侵彻状态，当判断到完整且正确顺序的的侵入、侵出标记，则确定弹丸侵彻完整的目标层。识别弹丸侵彻完整的目标层是引信实施起爆算法的关键基础10。图 1 为 10 kg 弹丸，以 680 m/s 速度侵彻强度 C30混凝土目标的实测过载曲线。弹丸侵彻单介质目标过载规律相同，过载特征和目标强度、弹丸质量、侵彻初速等多个因素相关，阈值比较法根据具体的弹丸和目标的工况而设定11。2复合目标过载特征分析复合目标常规设计上层为伪装层，中间设有松软层，最后一层为混凝土防御层，要求弹丸在复合目标后的一定范围内起爆，实现对重要军事设备的最佳毁伤效果7，引信需准确识别到复合目标中的高强度目标，即混凝土层目标实施空穴起爆决策，确定最佳的起爆时机。针对典型复合目标开展动力学数值仿真研究。仿真工况为:弹丸长度 2500 mm，直径 370 mm，初速 700m/s，靶标幅面4 m 4 m，第1 层靶为土石层，厚度0 8m，第 2 层靶为块石层，厚度 4 5 m，第 3 层靶为砂层，厚度 1 m，第 4 层靶为钢筋混凝土层，厚度 2 5 m。战斗部、引信建模时，在不影响计算结果的前提下进行几何简化处理，去掉了内部螺纹结构、倒角等细节12。考虑几何模型的对称性，建立二分之一模型，在不影响计算结果的前提下减少计算时间。数值仿真计算使用ANSYS/LS-DYNA 14 0 有限元分析软件，计算采用Largrange 坐标描述增量算法，采用八节点六面体 SOL-ID 164 单元建模13。弹体有限元模型如图 3 所示，复合目标有限元模型如图 4 所示。图 3弹体有限元模型图 4复合目标有限元模型动力学数值仿真本构模型弹体材料选用 G50 钢，选用 JOHNSON-COOK 材料模型;钨头材料为钨合金，选用 JOHNSON-COOK 材料模型;装药选用双线性随动塑性材料模型12;引信壳体材料为钛合金，选用JOHNSON-COOK 材料模型;