毀傷威力場沖擊波無線分布式測試方法研究*

楊 帆,梁永燁,杜紅棉*,尤文斌,崔 敏,王玉全,劉 帆,焦耀晗

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

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毀傷威力場沖擊波無線分布式測試方法研究*

楊 帆1,2,梁永燁1,2,杜紅棉1,2*,尤文斌1,2,崔 敏1,2,王玉全1,2,劉 帆1,2,焦耀晗1,2

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

毀傷威力場中沖擊波超壓測試是評估武器或炸藥毀傷威力的一個重要手段,在軍工國防領域具有重要作用。針對傳統引線法與存儲法這兩種測試方法的優缺點,分析了沖擊波的信號特點及國軍標的相關測試要求,提出一種結合無線傳感網絡(WSN)技術和FPGA邏輯控制技術的沖擊波無線分布式測試方法。系統經過激波管動態校準及多次靶場實彈試驗,驗證了系統具有布設簡單、觸發策略靈活、無線同步觸發性能良好及數據準確度高等優點,特別適合適用于毀傷威力場中復雜惡劣環境下多測點沖擊波測試任務。

毀傷威力場;沖擊波;激波管;WSN;FPGA

軍事上彈藥在研制、試驗、驗收等過程中,需要進行彈藥毀傷威力試驗。沖擊波效應是多種彈箭的主要破壞力之一,持續時間大于0.25 ms、壓力值大于3.91 kPa時,就會對人員聽覺造成損傷[1-2],當沖擊波的動壓高于70 kPa時對對性能最好的C類地面野戰通信設備結構和大部分零件造成破壞,失去修復價值[3]。因此沖擊波測試對評價彈藥毀傷效應和的儀器設備防護性能有著重要作用。目前國內外毀傷場沖擊波測試方法主要分為引線法和存儲法[4]。兩種方法都有一定的優點和不足。傳統引線法是將傳感器置于爆炸現場,同長電纜連接掩體中的二次儀表與瞬態波形記錄儀,最后由計算機進行測試數據的復現與處理。該方法具有數據復現快,適合連發測試;但是具有有布設不方便、系統易受噪聲干擾、野外需額外提供交流電源、機動性差,校準標定繁瑣等缺點[5]。存儲法是將傳感器、信號調理模塊以及數據存儲模塊集成在一起,置于測點[6]。此方法易布設、易防護、易校準標定、噪聲小,但無統一時基。

為克服這兩種方法的不足,針對毀傷威力場沖擊波測試的復雜環境,參考國軍標對沖擊波測試的要求,將WSN技術與FPGA技術結合起來,設計了一種無線分布式沖擊波測試方法,并通過了靶場的多次實彈測試試驗的驗證。

1 信號基本特征及分析

彈藥的實際毀傷威力場是十分復雜的,通常它們都是帶殼的,有的還帶有預制破片或鋼珠。毀傷威力場中的沖擊波場是爆轟強電磁場、高溫火球以及高速破片等并存的復雜壓力流場[7]。我們在此將其抽象簡化為自由場沖擊波信號來進行分析。正確認識和理解沖擊波超壓信號的基本特征才能合理利用有限響應速率測壓系統測量沖擊波超壓,以及判別所記錄沖擊波超壓信號的真偽。如圖1中示意繪制了壓力p、空間坐標x與時間t三維空間中4個剖面上的自由場沖擊波壓力波形。自由場沖擊波超壓信號有如下特點:上升沿陡峭;超壓峰值高;正壓作用時間短;負壓低,負壓作用時間長;壓力衰減過程呈指數衰減。

圖1 壓力p、空間坐標x與時間t三維空間中4個剖面上的自由場沖擊波壓力波形

沖擊波場超壓的峰值ΔPmax,可根據金尼—格雷厄姆公式[8]計算:

2 系統組成及其工作原理

測試系統主要是有中心控制臺及多個不同量程的智能傳感器測點(子系統)組成。中心控制臺通過無線傳感中心節點發送指令控制智能傳感器工作并監測其工作狀態。無線傳感終端節點主要負責接受中心控制臺發送的工作指令、同步觸發命令并回傳測試數據。如圖2所示為測試系統工作原理框圖。

智能傳感器測點完成信號的采集、存儲及讀取,是整個測試系統的核心。它將系統各模塊集成于一體,避免了長線傳輸時引入的干擾,且易于校準。適配電路將傳感器響應的信號進行放大、濾波等處理后輸入A/D轉換器轉化為數字信號,由FPGA控制存儲在FLASH存儲器中的FIFO中,系統進入循環采樣狀態。柔性化觸發系統給出觸發信號,系統進入采存狀態直至FLASH存儲器存滿。數據存儲完畢后,進入休眠模式以降低功耗。采集結束后,回收裝置,通過USB接口由計算機對裝置進行數據回收處理。智能傳感器測點原理框圖如圖3所示。

圖3 智能傳感器測點原理框圖

3 系統激波管動態校準

3.1 激波管動態校準方法

傳感器與測試儀器連接后,其動態特性會發生變化,為獲取系統整體的動態特性,利用激波管對智能傳感器測點進行了動態校準[9]。毀傷威力場沖擊波測試時需要使用多個沖擊波智能傳感器測點。本文只列舉其中一個量程為4 MPa的進行動態校準。實驗中,被校準系統的傳感器為末端安裝。根據蘭基涅—胡果尼(Rankine-Hugoniot)方程,入射超壓平臺與波前馬赫數的關系為[10]:

(1)

(2)

式中:ΔP5為激波波前的入射超壓,P0為低壓式氣體初始壓力;Ms為激波波前的馬赫數;Vs=s/t為激波波前的傳播速度;s為兩測速傳感器之間的距離,為0.55m;t為激波經過兩測速傳感器的時間間隔;T1為未擾動時低壓室空氣的溫度。所用激波管原理圖如圖4所示,端面底座最多可以安裝3個傳感器,一次可同時校準3套測試系統,并可以驗證無線觸發的同步性。

圖4 激波管校準結構圖

3.2 動態校準實驗結果

將激波管作為激勵源,對所設計的毀傷威力場沖擊波測試系統各智能傳感器測點進行動態標定。如圖5所示,為智能傳感器測點對激波管激波響應的典型壓力曲線。表1所示為系統動態標定結果,其中p′為系統所測的壓力峰值。由表1可知,3次動態標定的實驗系統誤差均小于5%,說明系統穩定可靠,能夠保證所測數據的準確性。

圖5 典型壓力曲線

表1 動態標定結果

3.3 無線觸發同步性實驗結果

為了驗證毀傷威力場沖擊波無線分布式測試系統中各測點的接收無線觸發命令的同步性,我們也在激波管中做了相應的驗證實驗。我們利用激波管破膜產生前沿平整的激波,在無線外觸發情況下,測點AA、BB、CC的傳感器A、B、C同時受到反射激波的激勵。因此,如果各測點的觸發是同步的,那么獲得的時基基本上是一致的。反射激波作用在3個測點響應的壓力曲線如圖6所示。

圖6 3個測點響應的壓力曲線

從圖6可以看出:以觸發點作為零時刻,激波到達3個測點的時間基本是一致的,時間點顯示在40.26ms左右,從局部圖可以看到誤差為微秒數量級。因此可以證明無線同步觸發的同步性精度高,進一步說明該系統具有統一時基,對有效數據的判讀及后續壓力場的重構具有重要意義。

4 系統關鍵技術

4.1 柔性化觸發系統設計

毀傷威力場中沖擊波信號一般是單次的、瞬態的,捕獲這種信號的成功率主要取決于測試系統的觸發可靠性和抗干擾能力。查閱相關國軍標以及相關文獻,并結合前期靶場試驗經驗,綜合WSN技術與FPGA邏輯控制技術優勢設計了集成無線單次外觸發、無線多次重觸發、有線單次外觸發、單次內觸發和多次重觸發于一體的柔性化觸發系統,如圖7所示。

圖7 柔性化觸發系統拓撲圖

根據不同的試驗要求,中心控制臺可通過無線通信方式現場給各測點配置最優的觸發方式,提高試驗的成功率。例如,戰斗部空中靜爆毀傷試驗中可選擇無線單次外觸發與單次內觸發并舉的綜合觸發方式;密閉空間的毀傷試驗時可選擇斷線觸發(即有線單次外觸發)與單次內觸發并舉的觸發策略[11]。

4.2 FPGA邏輯設計

FPGA在整個測試系統中起到控制中樞的作用,它控制協調整個系統有序、穩定、快速的完成測試任務。FPGA芯片選用Xilinx公司的Spartan-Ⅱ系列芯片XC2S50及配置芯片XCF01S,存儲芯片采用三星公司生產的NAND型FLASH閃存芯片K9F1G08U0M。它的具體任務可包括:①控制A/D轉換器的采樣頻率實現數據的模數轉換;②控制FLASH芯片K9F1G實現數據的存儲、讀取和擦除工作;③與無線模塊中的430單片機通信,接收中心控制臺的指令完成對采樣參數的設置。FPGA內部邏輯框框圖和程序設計原理圖如圖8、圖9所示。

圖8 FPGA內部邏輯框圖

圖9 FPGA程序設計原理圖

4.3 WSN工況設計

WSN(無線傳感網絡)技術[12]的應用,使得測試系統在分布式現場測試中布設簡單、易于防護、可進行連續測試,同時各沖擊波測點相互關聯,具有統一的工作時基。無線傳感網絡的工況合理設計,確保測試系統的可靠高效完成測試任務。

如圖10所示,系統從斷電態進入到供電態后,無線傳感網絡的中心與終端節點均進行初始化,完成星型網絡組建。組網成功后系統分為命令發送、無線通信休眠及測試回傳3個階段。命令發送階段,根據不同距離測點處沖擊波超壓值不同,主控制臺完成對各測點觸發方式、采樣頻率、增益等參數的配置。此時系統處于循環采樣狀態,參試人員可以離場。在起爆前1s～2s,各測點裝置接受中心控制臺的無線同步觸發命令,系統進入測試數據采存階段。在該階段,系統無線模塊下電進入休眠狀態,防止爆炸時爆轟區的電磁場對測試系統的干擾。1min后打開無線模塊電源,重新初始化無線模塊并重新組網,然后進行數據回輸工作。

圖10 WSN工況狀態圖

圖11 典型試驗數據

5 現場試驗及數據分析

本測試系統經過實驗室動態標定和多次模擬實驗后,進行了某戰斗部空中靜爆毀傷威力測試試驗。以戰斗部為圓心,距離圓心3m、7m、11m每個距離上分別放置兩個沖擊波測點。試驗中,觸發策略選擇無線單次外觸發與單次內觸發并舉的綜合觸發方式。由于各測點儀器的記錄時間為10s,記錄時間充裕,我們在起爆前1s左右無線觸發各測點儀器進入采存狀態。圖11所示為部分典型試驗數據。

我們選擇7m兩個測點數據和11m一個測點數據進行分析。分析可得:①從圖11(a)可以看出,帶有預制破片或鎢珠的戰斗部毀傷場沖擊波前會有彈道波或地震波等干擾波。②從圖11(b)可知,7m處兩個測點超壓曲線時間同步性很好,進一步說明了無線同步觸發的可靠性。③從圖11(b)可知,7m處兩個測點沖擊波超壓峰值分別為0.288MPa與0.232MPa,11m處的沖擊波超壓峰值0.149MPa;7m與11m處時間間隔約為7ms,換算出沖擊波在7m與11m處之間的平均傳播速度約為571m/s。

6 結論

本文重點介紹了毀傷威力場沖擊波無線分布式測試方法的研究。測試系統經過激波管動態校準,確保了所測數據的準確性,同時驗證了系統無線同步觸發的可靠性。系統充分發揮了FPGA邏輯控制和WSN技術的優勢,使該方法在現場試驗中表現出觸發策略靈活、布設簡單,提高了毀傷威力場沖擊波測試效率。結果表明該測試方法具有較好的應用前景和推廣價值。

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Study on Damage Power Field Shock Wave Measuring Method Based on Wireless Distributed Test Technology*

YANGFan1,2,LIANGYongye1,2,DUHongmian1,2*,YOUWenbin1,2,CUIMin1,2,WANGYuquan1,2,LIUFan1,2,JIAOYaohan1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

The shock wave overpressure test is an important tool to evaluate the destructive power of weapons or explosives for damage power field.It plays a significant role in the field of military and defense.In view of the advantages and disadvantages between the traditional method of lead and the storage method,this paper analyzes the signal characteristics of the shock wave and nations mark test requirements,and put forward a kind of combination of wireless sensor network(WSN)technology and FPGA logic control technology of the shock wave wireless distributed test method.The system is dynamic calibrated by shock tube and multiple range live-fire test.The results show that the system has a simple layout,trigger strategy is flexible,wireless synchronization trigger performance good and the high accuracy of the data rate,especially suitable for apply to mutilate power field under complicated conditions in multipoint shock wave testing tasks.

damage power field;shockwave,shock tube;WSN;FPGA

楊 帆(1989-),女,漢族,中北大學碩士研究生,研究方向為信號處理,軟件仿真,動態測試,732481921@qq.com;

梁永燁(1989-),女,中北大學碩士研究生,主要研究方向為動態測試與智能儀器,lyy2477@gmail.com;

杜紅棉(1977-),女,遼寧省錦州市人,中北大學副教授。主要從事爆炸沖擊波測試技術等方面的研究,duhongmian@nuc.edu.cn。

項目來源:山西省基青年科技研究基金項目(2013021015-1);國防科技重點實驗室基金項目(9140C120409)

2014-07-15 修改日期:2014-11-14

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.01.013

TN06

A

1004-1699(2015)01-0071-06