一种可应用于智能地雷的扫描方式分析研究*

张永生，李引良，张培峻，仝 飞

(中国兵器工业第203研究所，西安 710065)

0 引言

智能地雷武器系统是一种集成了预警识别、定位跟踪、弹药发射、弹体姿态控制、稳态扫描、复合敏感器识别、EFP攻击等技术，在一定距离范围内能够自动探测并攻击运动的坦克和装甲战斗车辆目标的新型自主式防御型武器系统［1，4］。

国外典型的智能雷装备有:美国的M93式广域地雷(又称“大黄蜂”广域弹药WAM)、法国“玛扎克(MAZAC)”声控增程反装甲地雷、俄罗斯“速度-30”掠飞攻顶反坦克地雷、德国的ADW智能雷和美国的未来型智能弹药系统IMS［1］。每种装备在探测方式、稳态扫描方式、毁伤战斗部和系统作用流程各方面均有所不同。

扫描方式是智能地雷系统设计的关键因素之一。对武器系统的防御范围、交会概率、作用流程和作战效能均有显著的影响。文中概述了国外典型产品的主要扫描方式，重点对垂直发射扫描方式进行了分析研究。建立了该扫描方式的运动模型，采用模拟仿真的方法对影响交会概率的各种因素进行了计算分析。

1 智能地雷的扫描方式

1.1 掷铁饼方式

子弹药在以一定角度向目标区域上空斜向抛出的同时，始终保持攻击面向下的姿态并高速旋转。子弹药在抛物线弹道上，边飞行边扫描，在地面形成一个类似拉开的弹簧形状的、相互交叠的螺旋扫描线(如图1所示)。美国第一代M93“大黄蜂”广域地雷即采用这种作用方式［1，5］。

图1 “掷铁饼方式”示意图

1.2 侧抛吊篮方式

子弹药以一定角度向目标区域上空斜向抛出，在弹道最高点打开一个小型减速伞。在减速伞作用下，子弹药一边缓慢下降，一边扫描搜索目标，在地面形成一个由大到小的阿基米德螺旋线 (如图2所示)。德国ADW智能雷即采用这种作用方式［1，5］。

图2 “侧抛吊篮方式”示意图

1.3 垂直上抛方式

子弹药从地面垂直向上抛出，子弹药上的传感器在上升过程中，一边摆动旋转、一边扫描目标，在地面形成一个由小到大的阿基米德螺旋线(如图3所示)。美国正在研究的未来型智能弹药系统(IMS)就采用这种作用方式［1］。

图3 “垂直上抛方式”示意图

上述几种作用方式，在技术上各有特色。文中主要对垂直上抛方式扫描作用方式的运动轨迹进行分析研究。

2 运动轨迹模型的建立和计算分析

2.1 垂直发射扫描运动方式

垂直发射扫描运动方式的特点是:当目标进入攻击范围后，垂直发射子弹药。子弹药在匀速上升的过程中绕子弹旋转轴匀速旋转。弹上的敏感器对地面形成自内向外的螺旋式扫描。一旦扫描到目标，起爆战斗部从顶部对目标进行攻击(如图3所示)。

2.2 建立模型

2.2.1 扫描参数设计

为保证武器系统不会漏扫到目标且能使敏感器在目标上停留足够长的时间并成功识别目标，必须匹配好转速ω、上升速度v和扫描角θ之间的关系，才能使地面扫描螺线的间距小于目标宽度与转动一圈时间所远离武器系统的最大距离之差的一半，以保证对在扫描区域内的目标至少能扫描到两次。

设目标运动速度为Vm，目标尺寸为l×b，敏感子弹上升速度为v，转速为ω，敏感器与旋转轴夹角为θ，扫描螺距L的取值应满足:

其中:

2.2.2 扫描方式的运动方程

如图3中建立的坐标系。在无风的情况下，垂直发射扫描时扫描螺线中心坐标为发射点的x、z坐标(xc，zc)。当有风时，子弹将随风飘移，扫描螺线中心的坐标将随之发生变化。由于垂直发射扫描方式是一种无伞扫描方式(区别有伞扫描方式)，子弹的阻力面很小，并且扫描过程持续时间很短，可近似认为子弹在水平方向上没有飘移。因此，扫描螺线的中心坐标为(xc，zc)。

垂直发射扫描方式的运动方程由垂直匀速上升的运动方程和绕子弹旋转轴的旋转运动方程组成。

垂直上升运动方程:

式中:y为上升距离;v为上升速度;t为飞行时间。

旋转运动方程:

式中:β为任意时刻的扫描角度;ω为扫描频率(转速);t为任意时刻时间。

如果稳态扫描的起始高度为H0，起始时间为t0，则在扫描线上A点的坐标为［2-3］:

2.3 交会概率影响因素计算分析

2.3.1 计算条件

假设战斗部的最大作用距离为100 m，稳态扫描角 θ=30°［2］，子弹药从发射后飞行 0.2 s内进入稳态扫描状态。

在式(5)中，Δθ、f为满足正态分布的随机变量，α0、β0为满足均匀分布的随机变量，不考虑扫描角的摆动频率和摆动幅度对交会概率的影响，仅对影响交会概率的主要因素进行了模拟计算。子弹药的其他变量取值如下:

旋转转速:4、6、8、10、12 r/s;

垂直匀速上升速度:8、10、12、14、16、18、20 m/s;

地面目标运动速度:0、10、20、30、40、50、60 km/h;

空中目标运动速度:200、250、300 km/h;

目标运动模型:匀速直线运动。

采用蒙特卡洛法产生正态分布及均匀分布的伪随机数，并将每次生成的一组随机数代入式(3)即可模拟垂直发射扫描时扫描线上的点是否与目标交会。

2.3.2 匀速上升速度对交会概率的影响

图4 匀速上升速度对交会概率的影响

从图4中可以看出，随着匀速上升速度的增加，当匀速上升速度大于14 m/s、匀速上升速度与稳态转速之比大于3.5时，交会概率小于95%;随着匀速上升速度与稳态旋转速度之比的逐渐增加，交会概率逐渐减小，当比值等于3时，交会概率为96.2%。说明当匀速上升速度与稳态旋转速度之比小于3时，匀速上升速度对交会概率的变化几乎无影响。根据式(2)，扫描螺距 L=(v/ω)·tan θ，v/ω =3，θ=30°，则扫描螺距L=1.732 m小于目标尺寸b/2，显然能够保证对在扫描区域内的目标至少能扫描到两次。

2.3.3 航路捷径对交会概率的影响

从图5中可以看出，当航路捷径等于50 m时，交会概率等于0。稳态旋转速度大于6 r/s、匀速上升速度16 m/s、航路捷径小于 50 m时，交会概率大于95%。

图5 不同航路捷径对交会概率的影响

2.3.4 目标运动速度对交会概率的影响

图6 目标运动速度对交会概率的影响

从图6可以看出，当稳态旋转速度大于6 r/s时，随着目标运动速度的增加，对交会概率的影响很小。

2.3.5 对空中目标的交会概率

图7 匀速上升速度对交会概率的影响

从图7中可以看出，当目标航路捷径等于5 m、目标运动速度300 km/h、稳态旋转速度大于8 r/s时，稳态匀速上升速度对交会概率几乎无影响。

2.3.6 结果分析

从计算结果可以看出:

1)随着匀速上升速度与稳态旋转速度之比的增加，扫描螺距逐渐增加，交会概率逐渐减小;

2)当稳态旋转速度大于6 r/s时，地面目标运动速度对交会概率的影响很小;

3)该扫描方式对小航路捷径的低空目标同样具有一定作用;

4)在系统设计时需重点考虑子弹匀速上升速度与稳态转速，以及目标类型的匹配关系。

3 结论

文中通过建立垂直发射扫描方式的运动模型，采用蒙特卡洛模拟仿真的方法对影响交会概率的各种因素进行了计算分析。结果表明:在系统设计时需重点考虑子弹匀速上升速度与稳态转速的匹配关系。

垂直发射扫描方式是一种高效率、低滞空、无伞化的扫描方式，可以适应未来战场环境不断变化的要求，代表了一种新的扫描方式的发展方向［6］。更便于智能地雷向智能化、网络化、一体化方向发展，从而大幅提高武器系统的作战效能。

［1］苗昊春，杨栓虎.智能化弹药［M］.北京:国防工业出版社，2014.

［2］杨绍卿.灵巧弹药工程［M］.北京:国防工业出版社，2010.

［3］杨绍卿.末敏弹系统理论［M］.西安:陕西科学技术出版社，2009.

［4］张河.探测与识别技术［M］.北京:北京理工大学出版社，2005.

［5］王儒策.弹药工程［M］.北京:北京理工大学出版社，2002.

［6］顾建平，韩子鹏.单翼末敏弹稳态扫描段影响因素分析［J］.弹箭与制导学报，2013，33(3):70-72.