子母彈拋撒過(guò)程的存儲(chǔ)遙測(cè)方法

原曉潔，范錦彪，張翠芳

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

子母彈子彈的拋撒過(guò)程的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)于子彈的精確制導(dǎo)、準(zhǔn)確打擊目標(biāo)都是非常關(guān)鍵的因素。運(yùn)動(dòng)參數(shù)有子彈受到的沖擊加速度和在空中的飛行姿態(tài)等［1］。采集記錄數(shù)據(jù)的方法通常有無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸和存儲(chǔ)測(cè)試方法。無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸方法是將傳感器和發(fā)射機(jī)放在拋撒彈上，接收機(jī)和計(jì)算機(jī)等設(shè)備遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)［2］。存在的問(wèn)題：子母彈大多是通過(guò)拋撒藥爆炸驅(qū)動(dòng)，會(huì)伴有爆炸等高過(guò)載行為，炸藥爆炸瞬間釋放出大量的熱能和高溫高壓氣體，并伴隨強(qiáng)大的沖擊波，會(huì)影響無(wú)線電波，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法正常傳輸，計(jì)算機(jī)收到的數(shù)據(jù)不完整（丟包嚴(yán)重）。存儲(chǔ)測(cè)試方法是將傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等電路組成為一個(gè)微型化測(cè)試裝置置于拋撒現(xiàn)場(chǎng)，記錄完畢后，回收并從裝置上讀取數(shù)據(jù)［3］。不足之處有：1）回收過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)甚至可能無(wú)法回收；2）下次實(shí)驗(yàn)需再次安裝，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且增加了實(shí)驗(yàn)的不穩(wěn)定因素；3）無(wú)法實(shí)時(shí)獲得測(cè)試數(shù)據(jù)，存在意外掉電丟失數(shù)據(jù)的可能。因此針對(duì)以上方法的不足和優(yōu)點(diǎn)，提出了存儲(chǔ)遙測(cè)方法。

1 存儲(chǔ)測(cè)試與遙測(cè)

子母彈子彈的拋撒過(guò)程中，一般會(huì)伴有高過(guò)載或火箭發(fā)射等較強(qiáng)的沖擊波影響，通用的測(cè)試儀器不能做近場(chǎng)測(cè)試，因此常采用存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)和遙測(cè)技術(shù)［4］。

1.1 存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)

存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)是指在對(duì)被測(cè)對(duì)象無(wú)影響或影響在允許范圍的條件下，在被測(cè)體內(nèi)置入微型數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)測(cè)試裝置，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)完成信息的快速采集與記錄，事后回放記錄儀中的數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)處理和再現(xiàn)測(cè)試信息的一種動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)［5］。

存儲(chǔ)測(cè)試由調(diào)理電路、放大電路、A／D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器和控制器組成。該單元采集傳感器輸出的信號(hào)并經(jīng)過(guò)調(diào)理、放大和A／D轉(zhuǎn)換后存入存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)的原理框圖如圖1所示。

圖1 存儲(chǔ)測(cè)試裝置的框圖Fig.1 Block diagram of memory test module

1.2 遙測(cè)技術(shù)

遙測(cè)技術(shù)是對(duì)相隔一定距離的對(duì)象的參量進(jìn)行檢測(cè)并把測(cè)得結(jié)果傳送到接收地點(diǎn)的技術(shù)。隨著射頻技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信功能的實(shí)現(xiàn)越來(lái)越容易，數(shù)據(jù)傳輸速度也越來(lái)越快，并且逐漸達(dá)到可以和有線網(wǎng)絡(luò)相媲美的水平。而同時(shí)有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩，線路故障難以檢查，設(shè)備重新布局就要重新布線，且不能隨意移動(dòng)等缺點(diǎn)越發(fā)突出。在向往自由和希望隨時(shí)隨地進(jìn)行通信的今天，人們把目光轉(zhuǎn)向了遙測(cè)方式，尤其是一些人們不方便隨時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的地方［6］。遙測(cè)系統(tǒng)分為檢測(cè)發(fā)射部分和接收部分，遙測(cè)系統(tǒng)原理框圖如圖2所示［7］。

圖2 遙測(cè)系統(tǒng)的框圖Fig.2 Block diagram of telemetry system

2 子彈存儲(chǔ)遙測(cè)

2.1 存儲(chǔ)遙測(cè)原理

存儲(chǔ)遙測(cè)方法結(jié)合了存儲(chǔ)測(cè)試和遙測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，是在爆炸拋撒瞬間先把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，避開影響無(wú)線電波的時(shí)刻，子彈在空中飛行過(guò)程中無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。

該測(cè)試裝置由存儲(chǔ)測(cè)試電路和無(wú)線收發(fā)電路組成。具體工作原理是存儲(chǔ)測(cè)試電路采集并保存?zhèn)鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)，無(wú)線收發(fā)電路在數(shù)據(jù)保存完畢后從存儲(chǔ)測(cè)試單元中讀取數(shù)據(jù)，并發(fā)射出去。裝置的總體框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體框圖Fig.3 Overall system block diagram

傳感器采集子彈上的各種參數(shù)，通過(guò)調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換后存入存儲(chǔ)器，CPLD是整個(gè)電路時(shí)序的核心器件，主要用于需要同時(shí)完成的同步信號(hào)如地址發(fā)生器、時(shí)鐘分頻等的數(shù)字邏輯。通過(guò)程序設(shè)置比較器閾值電壓，當(dāng)傳感器輸入信號(hào)大于閾值時(shí)，CPLD控制存儲(chǔ)器存入觸發(fā)時(shí)刻以后1s的數(shù)據(jù)，隨即CPLD控制存儲(chǔ)電路進(jìn)入微功耗狀態(tài)（數(shù)據(jù)處于保持態(tài)），同時(shí)給單片機(jī)發(fā)送標(biāo)志信號(hào)，可以讀取數(shù)據(jù)。單片機(jī)感應(yīng)到標(biāo)志信號(hào)后，控制存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線發(fā)射出去，接收機(jī)接收信號(hào)并存入計(jì)算機(jī)。

在實(shí)驗(yàn)前，整個(gè)系統(tǒng)處于超低功耗，無(wú)線芯片處于睡眠，存儲(chǔ)電路處于下電狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)送指令喚醒無(wú)線芯片，存儲(chǔ)電路開始上電，進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài)。當(dāng)采集到數(shù)據(jù)后，電路觸發(fā)同時(shí)CPLD控制存儲(chǔ)電路進(jìn)入微功耗，單片機(jī)從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線發(fā)射出去，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)射出去后，無(wú)線芯片進(jìn)入微功耗，再次讀數(shù)需要再次喚醒。所以電路只有在工作時(shí)電流很大，完成工作后，電路就進(jìn)入微功耗狀態(tài)，電流只有幾個(gè)微安。存儲(chǔ)遙測(cè)裝置一旦安裝好，就可以進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。

存儲(chǔ)器采用靜態(tài)高速存取的SRAM（靜態(tài)存儲(chǔ)器），具有讀寫速度快、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠、讀寫操作簡(jiǎn)單、不用擦除等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際電路中選擇的存儲(chǔ)器容量通常偏大，實(shí)驗(yàn)時(shí)有時(shí)采集到的有效數(shù)據(jù)比較少，用大容量存儲(chǔ)器不僅會(huì)造成一定程度的浪費(fèi)而且加長(zhǎng)了數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間。在系統(tǒng)中用CPLD程序改變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)地址，實(shí)現(xiàn)了一片存儲(chǔ)器可根據(jù)實(shí)際需要存儲(chǔ)不同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，使用起來(lái)更加方便靈活。

2.2 存儲(chǔ)遙測(cè)裝置

存儲(chǔ)遙測(cè)裝置是直徑60mm，高66mm的金屬圓柱體，存儲(chǔ)遙測(cè)電路灌封在圓柱體內(nèi)部，外部只留有傳感器接口、天線接口、讀數(shù)口、充電口和操作面板。存儲(chǔ)遙測(cè)裝置如圖4所示。

圖4 存儲(chǔ)遙測(cè)裝置圖Fig.4 Storage telemetry device

無(wú)線收發(fā)的一大難點(diǎn)就是發(fā)射端天線的選擇，由于是做爆炸拋撒實(shí)驗(yàn)，子彈在拋撒后會(huì)硬著陸，普通天線在爆炸和著陸這兩個(gè)時(shí)刻極容易損壞，影響數(shù)據(jù)的傳輸。所以設(shè)計(jì)了在子彈表面覆銅做環(huán)形天線，有效地降低了天線的損壞。如果實(shí)驗(yàn)中天線出現(xiàn)輕微的損傷不會(huì)影響無(wú)線電波的傳播，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在主機(jī)接收端采用傳統(tǒng)的桿式天線。讀數(shù)口用于在測(cè)試中天線毀壞時(shí)，數(shù)據(jù)可以由單片機(jī)控制通過(guò)數(shù)據(jù)口傳輸給計(jì)算機(jī)。

3 測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證此方法的可行性，進(jìn)行了相應(yīng)的模擬彈燃?xì)饽覓伻鰧?shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)只采集了拋撒過(guò)程中子彈受到的加速度信號(hào)。在拋撒的同時(shí)采用高速攝影機(jī)拍攝拋撒的整個(gè)過(guò)程，攝影機(jī)最快一秒可拍五萬(wàn)張照片，精度非常高，用于跟系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。模擬彈的燃?xì)饽已b置如圖5所示。

圖5 模擬彈燃?xì)饽已b置Fig.5 Simulated bomb gas capsule unit

圖5中可看到兩個(gè)模擬彈、炸藥引爆點(diǎn)、天線安裝點(diǎn)，存儲(chǔ)遙測(cè)裝置安裝在模擬彈內(nèi)部，加速度傳感器固定在模擬彈內(nèi)表面的孔中，如圖6、圖7所示。

圖6 模擬彈側(cè)視圖Fig.6 Side view of simulated bomb

圖7 模擬彈內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Simulated bomb internal structure

實(shí)驗(yàn)時(shí)只在一個(gè)模擬彈上安裝了兩套電路，兩幅天線，四個(gè)傳感器，同時(shí)采集彈兩頭正反兩面受到的四種加速度信號(hào)，圖8、圖9顯示了一頭的正反方向的兩組信號(hào)。

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)都能完好地傳回計(jì)算機(jī)，圖8、圖9為一次丟點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖中數(shù)據(jù)共1 024個(gè)點(diǎn)，其中有兩個(gè)丟點(diǎn)，丟點(diǎn)處按前一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)點(diǎn)，總體數(shù)據(jù)良好。從圖中數(shù)據(jù)可見在爆炸瞬間有很高的波峰，沖擊波在試驗(yàn)彈內(nèi)部不停地回蕩，所以會(huì)看到來(lái)回波動(dòng)的曲線，曲線迅速衰減，20ms后幾乎為零。從圖中曲線可分析得出爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)子彈的作用時(shí)間非常短暫，且峰值很大。

圖8 正面?zhèn)鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)Fig.8 Collected data by positive sensor

圖9 反面?zhèn)鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)Fig.9 Collected data by negative sensor

電路的精度提前進(jìn)行了標(biāo)定，利用電荷校準(zhǔn)儀給出的標(biāo)準(zhǔn)電荷值（pc），在軟件界面圖型上顯示出相應(yīng)的比特（bit）值，可計(jì)算出電路的靈敏度X（pc／bit），傳感器的靈敏度為Y（g／pc）。系統(tǒng)的靈敏度Z（g／bit）＝Y(jié)·X。試驗(yàn)后只要知道采集到的比特值，就可推算出加速度值a。軟件編寫時(shí)已加入此算法，所以圖8和圖9中只看到加速度值。加速度值通過(guò)，可得子彈拋撒過(guò)程的速度v。高速攝影A機(jī)拍出的照片經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算和處理，也可得子彈拋撒過(guò)程的速度vB。以照相機(jī)算出的速度為標(biāo)準(zhǔn)，比對(duì)各個(gè)時(shí)刻的速度，系統(tǒng)的相對(duì)誤差為×100%≈1%，可得出系統(tǒng)的誤差很小。

4 結(jié)論

本文提出了子母彈子彈爆炸拋撒環(huán)境下的存儲(chǔ)遙測(cè)方法。該方法用于遠(yuǎn)距離采集各種參數(shù)，先存儲(chǔ)采集到的信號(hào)然后再通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺骰刂鳈C(jī)。實(shí)驗(yàn)證明，該方法在燃?xì)饽覓伻龅葠毫迎h(huán)境下出色地完成了存儲(chǔ)遙測(cè)的任務(wù)，能夠完整地存儲(chǔ)子彈受到的加速度、角度和角速度等參數(shù)，并及時(shí)傳回主機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試裝置，遠(yuǎn)程控制，具有操作簡(jiǎn)單、微功耗、抗干擾能力強(qiáng)、誤碼率低的特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)方法干擾大、安裝困難、無(wú)法及時(shí)獲取數(shù)據(jù)的問(wèn)題。該方法在其他爆炸測(cè)試領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值，下一階段，本文將圍繞遠(yuǎn)距離的無(wú)線傳輸展開研究。

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