毀傷威力場沖擊波存儲測試系統設計與研究*

楊 磊,尤文斌,丁永紅,王海霞,姚 悅

(1 電子測試技術重點實驗室,太原 030051;2 中北大學電氣與控制工程學院,太原 030051)

0 引言

爆炸沖擊波超壓是評價武器戰斗部毀傷效能的重要參數,在彈藥研制和驗收等過程中具有重要意義[1]。目前,國內外沖擊波超壓測試的主要方法是引線電測法和存儲測試法[2-3]。引線電測法優點在于可以實時監控裝置工作狀態,但卻存在抗干擾能力差的問題[4];存儲測試法具有抗干擾性強的優點,但存在不能實時監測裝置工作狀態,無法確保多個裝置時基統一以及數據回收困難等問題[5]。

針對上述方法的不足,有機的將北斗授時技術、無線通信技術和沖擊波存儲技術相結合,設計了一種具有時基統一和數據無線讀取功能的沖擊波超壓測試系統,解決了在惡劣條件下,無法確定沖擊波信號到達的時間順序以及數據回收不便的難題。

1 總體設計方案

該系統主要由存儲測試節點和無線遠程綜合控制平臺組成,系統框圖如圖1所示。

在實際測試中,無線遠程綜合控制平臺安放在安全區域,存儲測試節點布設在爆炸區內的測試點。存儲測試節點主要完成爆炸時沖擊波超壓信號的采集存儲和數據交互通信功能,遠程綜合控制平臺通過無線通信的方式[6-7]對關鍵數據進行快速獲取以及對存儲測試節點工作狀態進行監控。

2 電路設計

2.1 北斗授時系統

北斗衛星導航系統(Beidou navigation satellite system,BDS)擁有20～100ns精度的時間同步授時功能[8-9]。北斗定位模塊輸出2種時間信號,一種為1PPS同步脈沖信號,另一種為串行數據[10]。1PPS同步脈沖信號是接收機通過端口每隔一段時間輸出一個脈沖,同步精度高、穩定性優良、控制簡單方便且無累積誤差;串行數據單獨使用時方法復雜,難以準確控制。文中使用UM220-Ⅲ型BDS/GPS雙模授時模塊,典型參數如表1所示。

表1 UM220-Ⅲ模塊典型參數

2.2 授時模塊電路

沖擊波測試環境惡劣,信號持續時間短,為了滿足測試需求,保證相對時間統一,系統將1PPS脈沖作為時間同步信號。圖2為北斗授時模塊電路原理圖。

2.3 斷線同步設計

將儲存測試節點觸發導線引到彈藥外殼進行纏繞固定但不與彈體短接[11],導線一端接通光電隔離器連接CPLD引腳,增強其抗干擾能力,另一端接地或高電平。在戰斗部爆炸瞬間時,導線斷開,產生脈沖信號,信號同時傳至各個存儲測試節點,同步進入順序寫狀態。

2.4 存儲測試節點設計

存儲節點主要由傳感器及其調理電路、AD轉換電路、Flash存儲模塊、USB接口、無線終端、北斗授時模塊和控制單元組成,原理結構圖如圖3所示。存儲節點以CPLD和MSP430構成的控制單元為核心,由其控制與綜合控制平臺的信息交互、數據存儲以及北斗授時模塊的工作狀態。

存儲測試節點上電后,無線終端與綜合控制平臺進行組網連接,通過綜合控制平臺可對其進行參數配置。實驗時,遠程綜合控制平臺通過無線終端向存儲測試節點發出啟動命令,存儲節點啟動進入負延遲存儲空間。在檢測到觸發信號后,進入順序寫空間進行存儲。測試完成后,可以通過無線終端快速獲取各個測試存儲節點的關鍵數據以及時基統一信息,也可以回收測試節點后,通過USB口獲取完整的存儲數據。

3 系統關鍵技術

3.1 時基統一原理

該系統采用北斗授時和斷線觸發共同保障時基統一。存儲測試節點在接收到遠程綜合控制平臺的啟動信號后啟動北斗授時模塊,授時模塊發出1PPS脈沖信號給CPLD作為計數時間基準,與此同時存儲測試節點進入負延遲存儲狀態。由于實驗條件不同,有時需要長時間等待后才觸發,所以計數器在每個1PPS脈沖信號后進行清零。測試彈起爆時,固定在彈體外部的導線被炸斷產生脈沖信號,使整個系統進入順序存儲狀態,同時將計數器當前數值存入MSP430內部Flash中作為相對參考零時,CPLD停止接收1PPS脈沖,當CPLD檢測到沖擊波壓力信號超過設定的內觸發閾值后,即波陣面到達節點時,計數器停止計數,再次將數值存入單片機中。

各個存儲測試節點接收到1PPS脈沖和斷線信號是同步的,但計數器停止時間不同,根據計數值可推算出起爆后,沖擊波到達各個測試節點的相對時間,相對時間計算公式為:

(1)

式中：t為沖擊波到達測試節點的時間；C0為斷線時計數值；Ci(i為存儲測試節點序號)為內觸發時計數值；fs為計數頻率。

3.2 關鍵數據獲取

沖擊波關鍵數據獲取主要針對惡劣條件下存儲測試節點回收困難[12]而設計。通常一次實驗需要十幾到幾十個存儲測試節點,測試節點采樣率1MHz,存儲容量128MB,若將節點回收后獲取數據或通過無線讀取全部數據需要很長時間,而沖擊波超壓有效時長一般在十幾毫秒以內[6],即有效數據只有幾十千字節,故設計了關鍵數據的快速獲取功能。通過內觸發地址進行回溯檢索,確定關鍵數據位置,進行數據回傳,其原理如圖4所示。

由計數值可以確定起爆時刻S0和沖擊波波陣面到達時刻Si,讀取Si時刻前D1(10kB)和Si后D2(50kB)兩段數據與S0和Si,即為沖擊波關鍵數據。

存儲測試節點關鍵數據獲取流程圖如圖5所示。

4 實驗測試

4.1 時基統一測試

實際測試時,需要多個存儲測試節點同時工作,為了驗證北斗授時模塊授時精度和穩定性,在室外利用示波器對北斗模塊的同步性進行了多次測試,模塊最大時間差為87ns,圖6為其中一次兩個北斗授時模塊1PPS信號同步測試結果。1PPS信號同步時間誤差始終保持在100ns以內,可以保證系統的時基統一,滿足測試需求。

4.2 實際測試

為了驗證系統在實際惡劣條件下的穩定性和可靠性,進行了靜爆實驗測試。實際測試中,在爆心一側布設了21個存儲測試節點,分別距爆心7m、11m和17m,圖7、圖8和圖9分別為現場測試節點分布示意圖、測試現場和存儲測試節點實物。

圖10為通過無線獲取的A1、B1和C1三個存儲測試節點的關鍵沖擊波超壓數據。將各個存儲測試節點通過無線傳輸獲取的關鍵數據進行解算,可以得出測試節點所記錄的相對時間等信息,表2為部分實驗數據解算結果。

表2 部分測試節點關鍵數據統計表

表2中,將斷線計數值和內觸發計數值通過式(1)進行解算,得到波陣面到達各個存儲測試節點的相對時間。通過表2可以看出有效數據長度遠小于無線獲取的數據長度,所以設計的關鍵數據讀取方式可以完整的獲取有效數據。

5 結論

文中介紹了一種具有時基統一和關鍵數據快速獲取功能的沖擊波超壓測試系統。經實驗驗證,系統具有良好的時基統一特性,能夠在惡劣環境中快速獲取沖擊波關鍵數據,同步時間誤差可達微秒級。獲取的數據具有時基統一性,能夠更加準確的評價沖擊波場中的毀傷效能,為后續數據處理及沖擊波場重建提供可靠的依據。