沖擊波超壓無線存儲測試系統研究*

翟 永，翟 濤，王代華*，夏永樂，賈振華，王 瑞

（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；2.東方電氣新能源有限公司，甘肅酒泉735000）

爆炸場沖擊波超壓測試作為評價武器系統、工程爆破的有效手段，在工程領域特別是軍工領域有著重要的作用。針對爆炸沖擊波測試，當前以引線電測技術和存儲測試技術為主［1-4］。引線電測技術存在著布置電纜耗時耗力的問題，而且電起爆信號和爆炸產生的電磁干擾極易通過長電纜耦合進入測試系統，引入噪聲甚至虛假信號。存儲測試技術將傳感器與小型數據采集存儲模塊集成一體，有效地避免了引線電測技術的弊端［5］，但在智能化方面仍顯不足：比如無法實時監測測點狀態，現場參數編程、數據讀取缺乏靈活性，數據復現時間長等［6-9］。為克服以上兩種方法的不足，研制了一種遠程無線沖擊波超壓測試系統，并通過了靶場測試試驗的驗證。

1 沖擊波特性及測試難點

爆炸沖擊波是爆炸瞬間形成的高溫火球猛烈向外膨脹、壓縮周圍空氣形成的高壓氣浪。近地爆炸沖擊波壓力信號具有上升沿陡峭、初值高、衰減快、持續時間短等特點［7］，測試系統必須具備極快的響應速度和寬工作頻帶，才能保證信號不失真。

本系統主要針對大當量戰斗部爆炸沖擊波進行研制，測試難點主要體現在以下幾個方面：①不同于小當量爆炸試驗，可在距爆心幾十米處的掩體內通過電纜直接操控測試儀器；大當量爆炸試驗一般不允許試驗人員停留在爆炸場附近，對測試儀器的實時監控和操作只能采用無線遙控。②爆炸場環境相當惡劣，要測試地面沖擊波，天線及測試設備必須要小型化、高防護、嵌入地面放置；測試時為保證人身安全，測試人員需在距離爆心數公里以外的安全區域操作［10］，因此要求測試系統的無線傳輸距離要足夠遠。③天線小，而且又貼近地面，導致發送的大部分電磁波能量被大地吸收，加劇了無線信號的繞射損耗，造成通信速率和通信距離的直線下降。

2 系統原理設計

測試系統由無線主控端、中繼站及多個具有無線功能的智能測試節點（無線子系統）組成，系統工作原理及現場分布狀態如圖1所示。在靶場實測時，子系統均布設于爆炸現場，中繼站距離子系統150 m左右，無線主控端布設在2 km處，全場使用無線WIFI技術進行通信。中繼站作為延長網絡通信的橋梁，可使主控端在安全距離外通過無線網絡實時完成對現場測試節點的調試、參數設定及狀態監測；測試節點負責完成對沖擊波數據的采集和存儲，并將存儲數據通過無線網絡及時發送回主控端。

圖1 無線控制的沖擊波測試系統

測試節點采用存儲測試原理設計［11］，主要負責完成沖擊波超壓信號的采集、存儲和傳輸任務，包括傳感器、適配電路、A/D轉換器、SDRAM存儲器、FPGA控制器、USB接口、無線模塊、電源管理模塊等，工作原理如圖2所示。

圖2 測試節點內部原理

根據沖擊波壓力信號的特點，選擇PCB公司的113系列ICP壓力傳感器作為測試節點的敏感元件，該傳感器響應速度快、測試精度高，非常適合沖擊波壓力信號的測試。測試系統的主要性能指標如表1所示。

表1 測試系統主要指標

系統工作過程：試驗前，依據爆炸當量和測試距離將各測試節點分別布設于指定位置，主控端以IP地址作為身份識別代碼，通過無線網絡有區別地對各個節點進行參數設定，包括放大倍數、采樣頻率、觸發電平、存儲長度、負延時長度、定時時間等；參數設置完成后節點進入定時狀態，自動關閉無線，系統禁止觸發；定時結束后，節點進入循環采樣階段，開始全速工作；沖擊波信號使系統觸發后，有效數據被順序寫入存儲器中；寫數據完成，系統自動關閉采樣模塊，同時開啟無線開關，主控端可以通過無線網絡第一時間獲知現場各測試節點的狀態，并將超壓數據讀回。

3 關鍵技術

3.1 無線子系統

3.1.1 WIFI技術

WIFI符合IEEE802.11標準，是一種短距離無線通信技術，工作在2.4GHz的ISM自由頻段，采用直接序列擴頻（DSSS）技術［12-13］，具有傳輸速率快、覆蓋范圍廣、帶寬自動調整、組網便捷、擴展性好等特點，而且通過一系列的沖突避免和確認、錯誤重發機制保證了網絡的可靠性，可為系統主控端與現場測試節點的相互通信提供良好的網絡保障。

無線WIFI的組網模式有Ad-hoc模式和Infra模式兩種。測試系統主控端要同時對遠程的若干測試節點進行控制，故采用集中控制式網絡架構，此網絡由AP和無線終端共同組建，其中AP作為無線網絡的創建者和中心節點，用于在主控端和測試節點之間接收、緩存和轉發數據，所有的無線通信都由AP來處理和完成。無線通信時測試節點只負責接收并執行相應的指令，比如狀態監測、參數設置、回讀數據等；主控端負責發送指令，并接收測試節點發回的數據。

3.1.2 無線模塊和AP配置

系統選用某串口轉WIFI模塊作為現場測試節點的無線收發模塊，它支持IEEE802.11b/g/n標準，內置TCP/IP協議棧，串口波特率最高達921 600 bit/s，具有體積小、功耗小等特點。系統選用的無線AP支持IEEE802.11b/g/n標準，內置MIMO定向雙極化天線，增益為10.4 dBi～11.2 dBi，AP覆蓋距離遠，支持客戶端模式和中繼模式，可與其他AP通信，延伸網絡的覆蓋范圍，適合搭建基于WIFI的遠距離無線分布式測試系統。無線模塊和AP的配置參數如表2、表3所示。

表2 無線模塊配置

表3 AP配置

3.1.3 上位機與無線模塊通信

LabVIEW集成了豐富的數據采集、存儲、分析、顯示等工具包，內置了多種通信協議的標準庫函數，提供了強大的傳統程序調試工具和外部程序接口能力［14-15］，因此本系統的上位機以LabVIEW為開發平臺，結合內置的TCP/IP協議實現與無線模塊的數據通信。在LabVIEW中可直接調用TCP模塊完成程序的編寫，無需考慮網絡的底層實現。

根據TCP/IP協議的內容和傳輸格式，上位機與子系統進行數據通信時要確定每個子系統的IP地址、通信源端口及目標端口，也就是套接字Socket，從而實現面向連接的端口對端口的數據通信。Socket技術有效地實現了主控端PC機與測試節點之間不同應用程序的相互通信。采用Socket連接時，主動發起連接請求方為客戶端，被動接受連接請求方為服務端。本系統應用于多節點分布式測試場合，為避免多個客戶端同時對服務器發起請求，發生網絡擁堵現象，導致請求超時、無法建立Socket通信等問題，將測試節點的無線模塊設置為服務器模式，上位機設置為客戶端模式。

以讀取數據為例來說明上位機與子系統無線模塊的通信過程，各測試節點采集完數據后并沒有立刻上傳，而是暫時保存于內部存儲器中，同時監聽并等待接收上位機的連接請求。無線網絡建立后，上位機以選定IP地址的方式對某一個或多個測試節點發起連接請求，測試節點與上位機建立Socket通信后，開始傳送數據。圖3為測試節點和上位機的Socket通信流程圖。

圖3 Socket通信流程圖

3.2 提高無線通信能力的措施

針對靶場環境對無線通信的特殊要求，本文采用以下措施來增加無線網絡的傳輸距離：①在無線模塊與天線之間增加雙向功率放大器，一方面將輸出信號進行功率放大，得到足夠大的射頻輸出功率后通過天線輻射出去；另一方面通過放大微弱的接收信號來提高接收靈敏度。②強大的沖擊波極易對測試系統造成嚴重的損傷，為防止天線被沖擊波毀壞，采用PCB定向天線嵌入子系統表面（圖5中測試節點上表面的黑色條狀物），定向天線能將天線的輻射能量集中在一個方向，增加了輻射功率的有效利用率，而且較短的電纜也減少了對射頻信號的損耗。③由于測試節點全部布設于地面，大部分射頻信號被地面吸收和反射，導致單個AP對測試節點的覆蓋距離縮短為一百米左右，難以滿足主控端對現場測試節點的遠程控制要求。如果利用單個橋接器作為中繼器，由于雙向通信會共享帶寬，通信的實際帶寬分成了兩半，不利于數據的高效傳輸。本文采用兩個橋接器背靠背組成中繼點，其中一個AP工作在客戶端模式，作為信號接收器接收主控端AP的無線信號，另一個AP采用覆蓋模式，用來對無線節點區域進行覆蓋。此種模式能夠有效實現無線信號的放大和延伸，使無線傳輸距離達到兩公里，有效解決了通信距離上的問題。④通過反復試驗，適度增加AP與地面的垂直距離，即將AP的物理高度增加，可有效地減少地面對射頻信號的吸收和反射。

AP與上位機和無線子系統的通信原理如圖4所示，AP與測試節點的通信試驗照片如圖5所示。

圖4 系統無線通信原理

圖5 現場試驗照片

3.3 系統低功耗設計

測試節點內部包含了多種電路，不同功能電路的工作電壓不同，為了延長系統工作時間，需要采取相應措施盡可能降低內部電路的功耗。

3.3.1 定時上電功能設計

由于測試對象特殊，試驗現場的準備工作要耗費很長時間。測試節點布設完成后，測試人員需要提前撤離現場，爆炸后方可進入現場。傳統的測試節點上電即開始全速工作，如果彈藥爆炸前的準備工作過多，測試節點就會在長時間的等待中耗費大量電量，可能出現爆炸前電量已耗完的情況，導致測試任務失敗。但是測試人員在撤離前必須給測試節點上電，本文設計了定時上電功能來解決這個問題。

測試節點上電后對其進行定時參數設定，設定完成即進入超低功耗的定時狀態，只有FPGA、晶振在工作，傳感器、適配電路、A/D轉換器、存儲器等器件都不工作，待預設時間到來后才進入全速工作模式。由于試驗前的等待時間一般比較長，定時上電功能會節省大量電量，為后續的采集存儲任務留有余量。

3.3.2 無線模塊低功耗設計

測試節點各階段工作狀態如圖6所示。測試節點布設完成后，主控端要對其進行遠程監控和參數編程設定，測試節點上電的同時也打開無線開關。由于無線模塊功耗較大，設置無線模塊在空閑時處于低功耗狀態，僅在需要發射信號時才進入正常工作狀態；同時為了防止爆轟區電離場對測試節點產生影響，定時功能開啟后，無線自動關閉。

圖6 系統工作狀態圖

圖6所示，測試節點工作在定時狀態和循環記錄狀態時，主控端無法通過無線網絡監測測點的狀態。從定時開始到系統觸發這段時間，無線處于關閉狀態，一方面盡可能降低系統功耗，另一方面可防止爆轟區電離場對系統產生影響。彈藥爆炸后沖擊波使系統內觸發，該觸發信號作為開關信號使測試節點進入順序記錄狀態，同時開啟無線功能，無線網絡重新建立后，主控端便可通過無線監測各測試節點狀態、讀取記錄數據。

4 試驗驗證

為了評估本系統的可靠性，對某彈的靜爆試驗進行了沖擊波測試。參照相關國軍標［16-17］要求，測試節點距爆心徑向分布于30°和120°兩個方向，測試距離分別為30 m和60 m。測試節點敏感面向上，與地面平齊，彈藥放于高0.5 m的鐵架上。測試節點布設完成后，主控端通過無線網絡對其進行定時時間、放大倍數、采樣頻率、存儲長度等參數的設置，爆炸結束后遠程監測各測點狀態，并將測試數據讀回。

圖7給出了本系統記錄的30 m和60 m處的地面沖擊波曲線，數據統計情況如表4所示。

圖7 沖擊波曲線

表4 試驗數據統計

從試驗結果可以看出，隨著測試距離的增大，沖擊波超壓峰值遞減，正壓持續時間卻增大，說明沖擊波速度在隨著傳播距離的增加逐漸衰減；由于測試場地的不平坦，相同距離的測試節點捕獲的沖擊波數據相差較大，真實反映了地面爆炸沖擊波的傳播規律。

5 結論

與傳統的沖擊波測試系統相比，該系統具有數據捕獲率高、數據準確、無線通信距離遠、操作方便、功耗低、可靠性高等突出優點。測試人員可通過無線WIFI遠程監控布設于爆炸現場的測試節點狀態，設定參數和回讀數據，極大提升了測試的智能性，節省了大量的現場準備時間。多次靶場實測試驗表明，本系統數據捕獲率高、工作穩定可靠，可為各類彈藥的科研試驗提供數據依據，在軍工測試中具有良好的應用前景。

［1］周莉.溫壓炸藥的爆炸參數測試與威力評估［D］.南京：南京理工大學，2013.

［2］黃俊欽.測試系統動力學［M］.北京：國防工業出版社，1996.

［3］王代華，宋林麗，張志杰.基于ICP傳感器的存儲式沖擊波超壓測試系統［J］.傳感技術學報，2012，25（4）：478-482.

［4］黃正平.爆炸與沖擊電測技術［M］.北京：國防工業出版社，2006.

［5］馬鐵華，祖靜.沖擊波超壓存儲測試技術研究［J］.儀器儀表學報，2004，25（4）增刊：134-135.

［6］賴富文，張志杰，胡桂梅，等.某型艦炮炮口沖擊波等壓場測試方法［J］.傳感技術學報，2015（1）：77-80.

［7］杜紅棉，祖靜.無線沖擊波超壓測試系統研究［J］.火力與指揮控制，2012，37（1）：198-200.

［8］劉帆，杜紅棉，范錦彪，等.炮口沖擊波超壓無線存儲測試系統設計［J］.傳感技術學報，2014（2）：272-276.

［9］王文廉.同時測速測壓的存儲式沖擊波測試系統研究［D］.太原：華北工學院，2004.

［10］賴富文，王文廉，張志杰.大當量戰斗部爆炸沖擊波測試系統設計及應用［J］.彈箭與制導學報，2009，29（3）：133-135.

［11］張文棟，馬寶華，祖靜.瞬態波形測試系統的設計法［J］.測試技術學報，1996，3（10），118-123.

［12］曾強.WIFI無線傳感器網絡的設計與實現［D］.太原：中北大學，2012.

［13］軒志偉.基于WLAN的無線分布式測試系統［D］.太原：中北大學，2014.

［14］姚娟，張志杰，李麗芳.基于LabVIEW和TCP的數據采集系統設計與實現［J］.電子技術應用，2012（7）：72-74.

［15］梁惺彥，和衛星.LabView實現遠程數據采集與傳輸［J］.微計算機信息，2004（9）：44-45.

［16］GJB6390.3-2008.面殺傷導彈戰斗部靜爆威力試驗方法第3部分：沖擊波超壓測試［S］.北京：總裝備部軍標出版發行部，2008.

［17］GJB5412-2005.燃料空氣炸藥（FAE）類彈種爆炸參數測試及爆炸威力評估方法［S］.北京：總裝備部軍標出版發行部，2005.