沖擊波存儲測試系統(tǒng)的時基統(tǒng)一性研究

劉曉琦，尤文斌，丁永紅，白志強，胡時光

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

0 引言

沖擊波信號測試在各類戰(zhàn)斗部靜、動爆試驗中都有應(yīng)用[1-2]。存儲測試法布點靈活，抗干擾能力強，可直接測得沖擊波測試曲線，獲取超壓值、比沖量等關(guān)鍵信息，是沖擊波測試的主要手段[3]。在一次靜爆試驗中，往往需要多臺存儲測試系統(tǒng)[4]，多位置分散獨立布點，不同測點記錄沖擊波超壓信號到達時刻差異較大，沒有統(tǒng)一時間基準(zhǔn)，導(dǎo)致后續(xù)難以分析沖擊波的傳播規(guī)律。

針對存儲測試方法的不足，設(shè)計一種具有時基統(tǒng)一功能的沖擊波存儲測試系統(tǒng)，將光纖觸發(fā)[5]、光纖傳輸[6-7]和衛(wèi)星授時[8]與存儲測試技術(shù)[9]相結(jié)合，解決存儲測試系統(tǒng)沖擊波傳播時間無法準(zhǔn)確測量和時基統(tǒng)一性差的問題。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計

基于光纖和衛(wèi)星授時的沖擊波時基統(tǒng)一存儲測試系統(tǒng)是一種適用于野外惡劣環(huán)境的沖擊波測試系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖1所示，包含測試存儲、授時系統(tǒng)和中心監(jiān)控平臺3個部分。測試存儲部分完成沖擊波的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲的工作；光纖系統(tǒng)完成對設(shè)備的光纖觸發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸；中心監(jiān)控平臺實現(xiàn)對超壓測試系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。

實測時，遠程控制臺通過光纖通信裝置與記錄儀連接，實現(xiàn)對記錄儀的實時狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)快速讀取，光纖斷線觸發(fā)裝置實現(xiàn)對多個記錄儀的同時觸發(fā)，沖擊波測試記錄儀實現(xiàn)爆炸時沖擊波超壓信號的采集和存儲。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.1 存儲測試系統(tǒng)

沖擊波存儲記錄儀原理如圖2所示，記錄儀由信號調(diào)理模塊、Flash閃存、CLPD時序控制+MCU邏輯控制、光纖模塊和電源管理模塊等組成。沖擊波信號經(jīng)信號調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，MCU配合CPLD將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號存入Flash中，完成對數(shù)據(jù)的采集和存儲。MCU作為主控單元完成存儲指令控制，CPLD實現(xiàn)時序控制。上位機通過光纖模塊可對記錄儀進行狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)讀取。

圖2 存儲測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 授時系統(tǒng)

授時系統(tǒng)采用AT6558多模衛(wèi)星授時芯片，該芯片支持中國的BDS、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS等衛(wèi)星系統(tǒng)；支持BDS/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的單系統(tǒng)授時，以及任意組合的多系統(tǒng)聯(lián)合授時，確保授時精度。該芯片體積小，具備低功耗設(shè)計，授時精度小于30 ns，內(nèi)置天線檢測及天線短路保護功能，能夠在沖擊波測試下精準(zhǔn)授時，芯片電路圖如圖3所示。

圖3 授時系統(tǒng)芯片

1.3 光纖系統(tǒng)

光纖通信具有很強的抗電磁干擾特性，可在復(fù)雜的爆炸場環(huán)境中穩(wěn)定傳輸[10]。光纖系統(tǒng)在本設(shè)計中有兩個作用：一是實現(xiàn)中心監(jiān)控平臺與測試存儲裝置的數(shù)據(jù)傳輸和狀態(tài)監(jiān)控;二是完成光纖斷線對多臺測試系統(tǒng)的同步觸發(fā)。針對這兩個需求，設(shè)計了一種集斷線觸發(fā)和數(shù)據(jù)通信于一體的新型光纖系統(tǒng)。

系統(tǒng)主要由光收/發(fā)模塊、光隔離器、觸發(fā)箱和光復(fù)用/解復(fù)用器等組成。測試裝置內(nèi)置光收發(fā)模塊，經(jīng)光纖連接復(fù)用/解復(fù)用器1與觸發(fā)箱連接，觸發(fā)箱光纖回路與被測彈藥綁定，光纖回路被炸斷時，觸發(fā)箱發(fā)送光脈沖信號，經(jīng)光隔離器與復(fù)用/解復(fù)用器2實現(xiàn)多個測試存儲裝置同步觸發(fā)。中心監(jiān)控平臺經(jīng)多路復(fù)用/解復(fù)用器、光中繼放大等模塊與測試裝置相連，實現(xiàn)與遠距離的中心監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光纖結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 光纖技術(shù)

系統(tǒng)采用波分復(fù)用(WDM)傳輸技術(shù)[11]，利用一根光纖可以同時傳輸多個不同波長的載波。將光傳輸應(yīng)用的波長范圍分成若干個波段，每個波段作為一個獨立的信道。在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器把多種光載波信號匯合在一起，并耦合到光線路中同一根光纖進行傳輸；經(jīng)中繼放大器[12]后，在接收端經(jīng)分波器將各種波長的載波信息進行分離，然后由光接收機進行接收，上位機進行原始信號恢復(fù)。

根據(jù)存儲測試系統(tǒng)光纖信道數(shù)量，采用DWM技術(shù)，選用G.652光纖，波長1 550 nm，工作波段為C波段,每種光信道最多可達2.5 Gbit/s。

2.2 觸發(fā)技術(shù)

斷線觸發(fā)的原理在于觸發(fā)箱在光纖回路被炸斷后，會發(fā)送滿足所有波段(能被所有存儲測試裝置接收)的觸發(fā)信號，經(jīng)光隔離器、中繼放大器和復(fù)用/解復(fù)用器給所有裝置統(tǒng)一的觸發(fā)信號，存儲測試裝置記錄該點時刻作為沖擊波傳播時刻起點。沖擊波信號來臨時超壓信號大于電路閾值壓力，記錄該時刻為沖擊波傳播時刻終點。

觸發(fā)時間Tq分為兩部分：斷線響應(yīng)時間Td，傳輸時間Tc。

Tq=Td+Tc

(1)

光在光纖中傳播速率c，觸發(fā)箱到彈藥距離為s，則式(1)中Tc可表達為:

(2)

經(jīng)試驗測試斷線響應(yīng)時間Td約為4 μs；觸發(fā)箱到各裝置的距離約為20 m；傳輸時間Tc為0.1 μs。理論分析光纖觸發(fā)響應(yīng)時間約為4.1 μs；沖擊波作用時間為ms量級，觸發(fā)響應(yīng)時間遠遠小于沖擊波傳播時間，可應(yīng)用于沖擊波測試。

2.3 衛(wèi)星授時技術(shù)

每個沖擊波存儲測試系統(tǒng)中裝有衛(wèi)星授時模塊[13]，為各個裝置統(tǒng)一授時。整個定時模塊由CPLD統(tǒng)一控制，系統(tǒng)采用4 MHz雙計數(shù)器循環(huán)計數(shù)方式實現(xiàn)精準(zhǔn)計數(shù)。CPLD收到BDS/GPS發(fā)出的脈沖信號后，CPLD控制計數(shù)器1進行計數(shù)，下一個脈沖信號來到后，計數(shù)器2運行，并將第一個計數(shù)器記錄值存儲。記錄時刻T的計算公式為:

(3)

式中：TG為衛(wèi)星脈沖信號到來的時刻;t為計數(shù)器脈沖時間間隔;N為計數(shù)器在一個脈沖時間間隔記錄的總次數(shù);n為觸發(fā)時計數(shù)器記錄的次數(shù)。

光纖給出斷線觸發(fā)信號后，裝置觸發(fā)并將此刻BDS/GPS授時脈沖信號和相應(yīng)計數(shù)器計數(shù)值存儲在Flash。沖擊波信號到來后，CPLD檢測壓力信號大于閥值，再次將該時刻BDS/GPS授時信號和相應(yīng)計數(shù)器計數(shù)值記錄到Flash，完成爆點時刻和沖擊波到達測點時刻的記錄。

3 試驗測試

3.1 斷線響應(yīng)時間測試

為了驗證光纖觸發(fā)測試的可靠性和觸發(fā)精度，利用示波器對光纖觸發(fā)模塊進行了多次測試,電壓從0 V上升到觸發(fā)值平均觸發(fā)時間(斷線響應(yīng)時間Td)約為4 μs，經(jīng)多次測試，觸發(fā)誤差始終保持在0.5 μs以內(nèi)，可以保證系統(tǒng)的時基統(tǒng)一，滿足測試需求。圖5為其中一次光纖觸發(fā)模塊測試結(jié)果。

圖5 光纖觸發(fā)信號同步測試

3.2 實爆測試

為驗證沖擊波超壓存儲測試系統(tǒng)的時基統(tǒng)一性，進行了靜爆試驗測試。分別在距離爆心20 m，25 m，30 m和40 m處安置存儲測試裝置，圖6為20 m處記錄儀裝置現(xiàn)場安置圖，測試結(jié)果如表1所示。

圖6 記錄儀現(xiàn)場圖

表1 不同測點測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

實際測試時考慮到爆心位置、地形和環(huán)境溫度等影響，沖擊波傳播速度會有一定的偏差。試驗數(shù)據(jù)表明，在相同距離不同方位測點的時間差值最大為3 μs，最小為1 μs，測試結(jié)果準(zhǔn)確，證明該沖擊波存儲測試系統(tǒng)具有良好的時基統(tǒng)一性。

4 結(jié)論

基于光纖和衛(wèi)星授時的沖擊波存儲測試系統(tǒng)響應(yīng)時間快速、觸發(fā)穩(wěn)定，實現(xiàn)了統(tǒng)一時基下沖擊波傳播時間的精確測量，可為沖擊波信號的研究和彈藥的毀傷威力評估提供依據(jù)。但光纖布設(shè)會導(dǎo)致超壓測試布場較復(fù)雜，爆炸場環(huán)境惡劣導(dǎo)致衛(wèi)星授時干擾較大，因此測試系統(tǒng)還需進一步完善。