沖擊波超壓測試系統的時基高精度同步

劉 宇，李 順，李新娥 ，裴東興

(1.中北大學省部共建動態測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學電氣與控制工程學院，山西 太原 030051)

0 引言

傳統的存儲式測試系統憑借其布點靈活、抗干擾能力強的優勢，在沖擊波超壓測試中具有廣泛應用[1-5]。但是多個測試裝置無法實現內部晶振同步，采樣時刻無法同步，存在時間基準同步精度低的問題[6-8]，僅限應用于時間精度要求較低的試驗。已有的光纖觸發系統[9]目的在于，為沖擊波超壓測試系統提供觸發信號的同時，以觸發時刻作為各個系統的時間基準。相對于傳統的斷線觸發而言，光纖觸發線攜帶的是光信號而非電信號，具有更高的安全性。傳統斷線觸發存在導線已被炸斷，而爆炸產生的等離子體繼續導通電路的風險，相比之下光纖觸發具有更高的可靠性。多裝置聯合衛星授時[10]，授時精度僅30 ns。光纖觸發系統和衛星授時系統，在一定程度上可改善時基同步性，但采樣時刻最大時間誤差為1 μs。針對已有方法的不足，提出光纖觸發與高精度算法結合的處理方法，以提高存儲式測試系統的時基同步精度。

1 光纖觸發系統

1.1 系統工作原理

光纖觸發系統由光纖觸發線、光纖傳輸線[11]和觸發箱組成。觸發箱內部主要結構為CPLD、晶振、光電轉化模塊和電光轉換模塊。沖擊波超壓測試裝置內部主要結構為FPGA、光電轉換模塊、晶振。光纖觸發系統如圖1所示。

圖1 光纖觸發系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical fiber trigger system

在試驗布場時，光纖觸發線纏繞在戰斗部上。光纖觸發線斷裂后，光電轉換模塊會產生一個下降沿信號，CPLD在信號的下降沿，產生方波信號。電光轉換模塊將方波信號轉化為明暗相間的光信號。光纖傳輸線將明暗相間的光信號傳輸給沖擊波超壓測試裝置。沖擊波超壓測試裝置內的光電轉換模塊將明暗相間的光信號轉換為方波信號，方波的首個上升沿作為觸發信號。以方波信號而非一個單獨的上升沿信號作為觸發信號，保證了系統的可靠觸發。

1.2 系統觸發響應時間分析

從光纖觸發線斷裂到沖擊波超壓測試裝置觸發之間的時間稱為觸發響應時間[12-13]T，主要由光信號傳輸時間Ta、觸發箱響應時間Tb、沖擊波超壓測試裝置響應時間Tc三部分構成，即T=Ta+Tb+Tc。

光信號在普通石英材料光纖中的傳播速度約為2.07×108m/s。以布場距離12 m，光纖觸發線單程和光纖傳輸線總長15 m為例，光信號傳輸時間Ta約為72 ns。

觸發箱響應時間Tb由光電轉換時間Td、電光轉換時間Te和CPLD觸發判定時間Tf組成，即Tb=Td+Te+Tf。芯片手冊中指出，光電轉換時間Td和電光轉換時間Te均為5 ns。如圖2所示，Trigger1和Trigger2為觸發箱的觸發信號的兩種極端情況，Trigger1的上升沿在觸發箱CLK的上升沿后的極小一段時間，Trigger2的上升沿在觸發箱CLK的上升沿前的極小一段時間。為保證可靠觸發，CPLD經歷兩個時鐘周期后才會發出信號。因此，觸發箱中CPLD觸發判定時間Tf為20～30 ns，觸發箱響應時間Tb為30～40 ns。

圖2 觸發箱觸發信號和采樣時鐘的時序圖Fig.2 Timing diagram of trigger signal and clock of trigger box

沖擊波超壓測試系統響應時間Tc由光電轉換時間Td和FPGA觸發判定時間Tg組成，即Tc=Td+Tg。為保證可靠觸發，FPGA接收到觸發信號后，經歷兩個時鐘周期后進行觸發采樣，因此FPGA觸發判定時間Tg為20～30 ns。沖擊波超壓測試系統響應時間Tc為25～35 ns，觸發響應時間T為127～147 ns。

2 時基高精度同步算法

2.1 超采樣頻率計數法

GJB 6390.3—2008規定沖擊波超壓測試系統的采樣率Fs≥1 MHz，理論上采樣率越高，同步效果越好。但受到傳感器響應時間、諧振頻率等參數的限制，過高的采樣頻率并不能采集到更多有用的信息，反而會導致數據量過大，增大數據分析難度，因此目前主流的采樣頻率為1 MHz。

沖擊波超壓測試裝置的晶振為100 MHz。利用遠大于采樣頻率(1 MHz)的計數頻率(100 MHz)對觸發時刻和觸發后第一個采樣時刻之間的時間間隔Ts進行計數，計數周期T1為10 ns，得到計數值N：

(1)

如圖3所示，以裝置a、b、c為例，不同的沖擊波超壓測試裝置CLK(采樣時鐘)的相位不同, 觸發箱向沖擊波超壓測試裝置發出的SG(觸發信號)是同步的。通過N確定時間軸上不同裝置測試信號的先后順序， SG上升沿(觸發時刻)和CLK上升沿(采樣時刻)之間的時間差最小為10 ns，最大為1 000 ns，對應的計數值N分別為1和100。因此，觸發時刻和觸發后第一個采樣時刻的時間間隔為N×T1，可將不同沖擊波超壓測試裝置采集到的數據在同一時間軸下高精度顯示。

圖3 裝置觸發信號和采樣時鐘的時序圖Fig.3 Timing diagram of trigger signal and sampling clock of device

2.2 線性插值法

沖擊波超壓測試裝置可以在時間維度上選擇SG上升沿時刻為觸發時刻，但在實際數據中，采樣點之間不存在數據。因此需要在兩個相鄰采樣點之間插入99個點，每個插入點對應的數值通過線性插值法[14]求得。

(2)

式(2)中，n=1,2,…,99,代表插值點數；Xa=0，Xb=100；Ya為相鄰前一個采樣點的采樣值；Yb為相鄰后一個采樣點的采樣值；將X1=1，X2=2，…，X99=99分別代入Xn，即可得到每一個插值點對應的數值Y1，Y2，…，Y99。

沖擊波超壓測試裝置晶振頻率為100 MHz，超采樣頻率計數法的最大時間誤差為10 ns，觸發箱最大響應時間誤差為10 ns，裝置最大響應時間誤差為10 ns。測試系統的最大時間誤差為30 ns。同一試驗下，裝置之間的最大同步誤差為20 ns。其中，FPGA響應時間誤差10 ns，超采樣頻率計數法時間誤差為10 ns。本文采用的高精度同步算法，同時擁有著低頻采樣數據量低，高頻采樣響應速度高和時間精度高的優點。

3 試驗驗證

20 kg TNT炸藥在無邊界的空中爆炸，裝藥的高度為1.5 m，進行沖擊波超壓測試。距爆心的地面水平投影距離5 m位置處布設一個測點，一個傳感器分別與兩個沖擊波超壓測試裝置T1和T2連接，即兩個裝置記錄同一個傳感器的輸出。裝置布設示意圖如圖4所示。

圖4 裝置布設示意圖Fig.4 Layout diagram of devices

距爆心的地面水平投影距離6、7、9、12 m位置處，每個距離處布設兩個測點，放置兩個沖擊波超壓測試裝置A1、A2，B1、B2，C1、C2，D1、D2。具體布設如圖5所示。

沖擊波超壓測試系統具有負延時[15]功能，即可以記錄觸發前8 s的數據。為了在數據格式中區分負延時的數據和觸發后的數據，在數據格式中加入了觸發標志位。觸發之前數據中的觸發標志位為0，觸發后為1。讀取各個沖擊波超壓測試裝置測得的數據，其計數值N如表1所示。

表1 各測點裝置的計數值NTab.1 Count value N of devices at each measuring point

以T1沖擊波超壓測試裝置為例，通過觸發標志位找到觸發前的最后一個采樣點和觸發后的第一個采樣點。如圖6所示，兩個采樣點之間通過線性插值插入了99個點，其中第88個插值點對應的時間為0時刻基準，代入表1中N=12，觸發時刻和觸發后第一個采樣時刻的時間間隔為N×T1=120 ns。

圖6 插值計數示意圖Fig.6 Schematic diagram of interpolation counting

將T1、T2測試裝置采集的數據值繪制成超壓曲線。同一傳感器采集的壓力信號是唯一確定的，不同裝置采集到的壓力值原則上應該相同；但由于裝置之間的采樣時鐘存在相位差，使得同一傳感器連接的不同裝置所測得的超壓曲線在時間上有較大差異。以第3 947個采樣點為例，兩裝置在此采樣點的壓力值不同，如圖7所示。

圖7 5 m處時基高精度同步算法處理前的超壓曲線Fig.7 Overpressure curve before processing with time base high-precision synchronous algorithm at 5 m

利用時基高精度同步算法，對裝置T1、T2采集到的數據進行時基同步處理，結果如圖8所示。時基高精度同步算法處理后的兩條壓力曲線更逼近于一條特定的壓力曲線。T1、T2裝置的超壓曲線得到了很高的一致性。T1、T2裝置的第3 947個采樣點的實際采樣時刻分別為觸發后的3 947 120和3 947 620 ns。

圖8 5 m處時基高精度同步算法處理后的超壓曲線Fig.8 Overpressure curveafter processing with time base high-precision synchronous algorithm at 5 m

將所有裝置測得的超壓曲線繪制在同一個時間軸下，如圖9所示，直觀地展現出沖擊波到達各測點的到達時間以及超壓峰值，為沖擊波傳播規律的研究提供依據。

圖9 所有測點超壓曲線Fig.9 Overpressure curves of all measuring points

圖10—圖13分別為測點A1、A2，B1、B2，C1、C2，D1、D2沖擊波到達時刻細節圖(單位：ns)。

圖10 A1、A2測點沖擊波到達時刻細節圖Fig.10 Detailed drawing of shock wave arrival time of A1 and A2measuring points

圖11 B1、B2測點沖擊波到達時刻細節圖Fig.11 Detailed drawing of shock wave arrival time of B1 and B2 measuring points

圖12 C1、C2測點沖擊波到達時刻細節圖Fig.12 Detailed drawing of shock wave arrival time of C1 and C2 measuring points

圖13 D1、D2測點沖擊波到達時刻細節圖Fig.13 Detailed drawing of shock wave arrival time of D1 and D2measuring points

由圖10—圖13分析：測點A1、A2處沖擊波到達時間相差20 ns；測點B1、B2處沖擊波到達時間相差6 340 ns；測點C1、C2處沖擊波到達時間相差6 130 ns；測點D1、D2處沖擊波到達時間相差30 890 ns。

考慮到布設測點位置存在距離誤差，測點B1、B2，C1、C2，D1、D2處沖擊波傳播速度約為550、470、350 m/s，若測點位置存在1 cm距離誤差，將會造成18、21、28 μs時間誤差。圖10—圖13的時間誤差在允許范圍內。

4 結論

針對存儲式沖擊波超壓測試系統間時基不能高精度同步的問題，提出一種光纖觸發與高精度同步算法結合的處理方法。

1) 該方法使得存儲式沖擊波超壓測試系統觸發響應時間小于150 ns，其中光信號在15 m光纖上的傳輸時間約為72 ns，觸發箱的響應時間為30～40 ns，測試裝置的響應時間為25～35 ns。

2) 該方法將測試系統的時間誤差控制在30 ns內，其中觸發箱中CPLD的響應時誤差為10 ns，測試裝置中FPGA的觸發響應時間誤差為10 ns，超采樣頻率計數法的最大時間誤差為10 ns，提升了測試系統的測量精度，可滿足絕大部分測試系統的時基同步精度要求。

3) 該方法既滿足了采樣精度的要求，數據量小，提高了數據分析的效率，又提高了時間基準的同步精度，為沖擊波傳播規律的研究提供依據。