無線量測(cè)系統(tǒng)在大當(dāng)量靜爆測(cè)試中的應(yīng)用

郭士旭，陳晉央，周會(huì)娟，余尚江

（61489部隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 471023）

無線量測(cè)系統(tǒng)在大當(dāng)量靜爆測(cè)試中的應(yīng)用

郭士旭，陳晉央，周會(huì)娟，余尚江

（61489部隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 471023）

大當(dāng)量靜爆威力試驗(yàn)中待測(cè)物理參數(shù)多、傳感器布設(shè)區(qū)域廣、人員安全距離遠(yuǎn)，給引線電測(cè)系統(tǒng)和存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)帶來諸多困難。該文研制基于WI-FI的爆炸效應(yīng)無線量測(cè)系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集儀、無線組網(wǎng)設(shè)備等組成。數(shù)據(jù)采集儀具備信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)、無線通信、高精度同步等功能；無線組網(wǎng)設(shè)備支持802.11n/ac協(xié)議，發(fā)射功率高，內(nèi)置高增益定向天線。通過大當(dāng)量靜爆威力試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性。整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程無線管理、多設(shè)備高精度同步采樣、數(shù)據(jù)高速率無線傳輸、大范圍分布式布設(shè)，可提高靜爆威力測(cè)試效率。

爆炸效應(yīng)測(cè)試；無線量測(cè)系統(tǒng)；時(shí)鐘同步；分布式組網(wǎng)測(cè)試

0　引　言

爆炸效應(yīng)參數(shù)的測(cè)量一直是爆炸研究和應(yīng)用中十分重要的問題，準(zhǔn)確的爆炸效應(yīng)參數(shù)測(cè)試是工程防護(hù)研究、武器彈藥研制、毀傷效應(yīng)評(píng)估等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。大當(dāng)量爆炸效應(yīng)參數(shù)測(cè)試中，測(cè)試參數(shù)種類較多、測(cè)試區(qū)域范圍大、干擾因素多、人員安全距離達(dá)幾百米甚至幾千米，這些給現(xiàn)有的引線電測(cè)系統(tǒng)和存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)帶來極大挑戰(zhàn)［1-3］。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，用于爆炸效應(yīng)測(cè)試的無線量測(cè)設(shè)備不斷出現(xiàn)，文獻(xiàn)［4-6］提出了基于Zibgee的無線測(cè)試系統(tǒng)，但傳輸速率較低，無法滿足爆炸效應(yīng)參數(shù)測(cè)試中大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)或“準(zhǔn)實(shí)時(shí)”傳輸需求，此外分布式布設(shè)時(shí)，難以集中管理與統(tǒng)一控制。文獻(xiàn)［7-8］提出基于WI-FI技術(shù)的沖擊波無線測(cè)試系統(tǒng)，每臺(tái)設(shè)備一個(gè)通道，采用支持802.11b/g協(xié)議的無線通信模塊和組網(wǎng)設(shè)備，傳輸速率和無線通信距離更適合爆炸效應(yīng)測(cè)試需要。文獻(xiàn)［9］改進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用支持802.11n協(xié)議的無線通信模塊和組網(wǎng)設(shè)備，進(jìn)一步提升了無線測(cè)試系統(tǒng)的傳輸速率和覆蓋范圍，但適配電路只針對(duì)ICP壓電傳感器，此外布設(shè)多個(gè)無線測(cè)點(diǎn)時(shí)，并沒有給出有效的同步策略。

本文分析了爆炸效應(yīng)測(cè)試中，無線量測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備的特性，在爆炸效應(yīng)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合WI-FI無線通信技術(shù)，研制了爆炸效應(yīng)無線量測(cè)系統(tǒng)，并通過大當(dāng)量靜爆試驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性、便捷性和可靠性。

1　無線量測(cè)系統(tǒng)總體方案

大當(dāng)量靜爆威力測(cè)試對(duì)測(cè)試系統(tǒng)提出了很高的要求［10］，無線量測(cè)系統(tǒng)必須滿足以下特性：

1）適調(diào)電路能夠滿足爆炸效應(yīng)測(cè)試中多種參數(shù)的測(cè)試需要；

2）采集儀響應(yīng)速度、工作頻帶和采樣頻率應(yīng)能滿足沖擊波壓力等瞬變信號(hào)的測(cè)試要求；

3）試驗(yàn)區(qū)域大，傳感器布設(shè)分散，此外測(cè)試人員撤離的安全距離較遠(yuǎn)，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、通信距離和傳輸速率應(yīng)滿足遠(yuǎn)程調(diào)試、參數(shù)配置、測(cè)試數(shù)據(jù)回傳的需要；

4）多臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀可聯(lián)網(wǎng)工作，而且確保采樣時(shí)間的高精度同步。

研制的無線量測(cè)系統(tǒng)由測(cè)試PC、數(shù)據(jù)采集儀和無線組網(wǎng)設(shè)備等組成，無線組網(wǎng)設(shè)備包括無線AP（access point）和無線網(wǎng)橋，整個(gè)系統(tǒng)工作示意如圖1所示。溫度、壓力、加速度、應(yīng)變、位移等傳感器，布設(shè)在爆心周圍，分別通過短線纜連接數(shù)據(jù)采集儀；數(shù)據(jù)采集儀有8通道、16通道、24通道3種型號(hào)，采取防護(hù)措施后，放置于爆心附近位置；無線AP用于對(duì)測(cè)試區(qū)域的無線覆蓋，每臺(tái)無線AP覆蓋一片區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集儀通過內(nèi)置的無線網(wǎng)卡接入無線網(wǎng)絡(luò)；無線網(wǎng)橋用于數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，最終各子網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過千兆交換機(jī)匯集傳輸至測(cè)試PC。

圖1　無線量測(cè)系統(tǒng)爆炸效應(yīng)測(cè)試示意圖

2　數(shù)據(jù)采集儀設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集儀采用存儲(chǔ)測(cè)試原理按照模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括信號(hào)適配模塊、采樣模塊、數(shù)字處理模塊、系統(tǒng)管理模塊和供電模塊。內(nèi)部信號(hào)流如圖2所示，傳感器將待測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理電路完成信號(hào)的適配放大，抗混疊濾波器的截止頻率比信號(hào)的最高主要頻率略高，從而保證后端經(jīng)過采樣過程信號(hào)不發(fā)生混疊現(xiàn)象。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，工控機(jī)和FPGA作為數(shù)字處理器，完成了采樣控制、通信接口控制、采樣后數(shù)據(jù)在DRAM中的緩存和在FLASH中永久存儲(chǔ)等工作，同時(shí)底層處理器需要處理響應(yīng)觸發(fā)電路的觸發(fā)信號(hào)、上位機(jī)命令和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的同步時(shí)鐘，進(jìn)而控制整個(gè)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)。其中，無線通信模塊采用支持802.11n/ac協(xié)議的Wi-Fi無線網(wǎng)卡（mini-PCI接口），為測(cè)試PC和數(shù)據(jù)采集儀之間提供數(shù)據(jù)、命令交互的通信鏈路。數(shù)據(jù)采集儀采用衛(wèi)星授時(shí)，確保多臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀大范圍分布式布設(shè)時(shí)工作在統(tǒng)一的同步時(shí)鐘基準(zhǔn)下，選用的衛(wèi)星接收模塊1PPS同步秒脈沖精度20ns，實(shí)際性能分析與測(cè)試表明多臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀同時(shí)工作時(shí)，時(shí)鐘同步誤差小于100ns。

圖2　數(shù)據(jù)采集儀內(nèi)部信號(hào)流圖

為減少數(shù)據(jù)采集儀與傳感器間的線纜，數(shù)據(jù)采集儀布設(shè)位置距爆心較近，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不但要考慮通風(fēng)散熱、防塵防水等特性，還應(yīng)著重考慮抗沖擊、防爆炸顆粒物的特性。為此，針對(duì)每種型號(hào)數(shù)據(jù)采集儀，專門進(jìn)行了隔震與防護(hù)罩設(shè)計(jì)。加裝隔震措施的數(shù)據(jù)采集儀在SY11型氣壓驅(qū)動(dòng)垂直沖擊碰撞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊脈寬10～15ms，輸入荷載達(dá)1300ms-2時(shí)，數(shù)據(jù)采集儀工作正常，隔震率可達(dá)77%以上。

利用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源對(duì)數(shù)據(jù)采集儀電壓測(cè)量誤差進(jìn)行分析。電壓測(cè)量誤差來源主要包括直流標(biāo)準(zhǔn)電壓的最大允許誤差、數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量誤差、數(shù)據(jù)采集儀AD量化精度引入的測(cè)量誤差、工作環(huán)境引入的測(cè)量誤差等。直流標(biāo)準(zhǔn)電壓分辨力為1μV，最大允許誤差±0.000 8%；重復(fù)性條件下獨(dú)立測(cè)量1，5，10V各10次，利用貝塞爾公式分別計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.014%；數(shù)據(jù)采集儀電壓量程（-10V，10V），AD量化位數(shù)為16bit，假設(shè)分辨力引入的測(cè)量誤差在（-0.5×LSB，0.5×LSB）內(nèi)服從均勻分布，則量化精度引入的測(cè)量誤差為0.0005%；工作環(huán)境引入的誤差忽略不計(jì)。因此數(shù)據(jù)采集儀電壓測(cè)量誤差0.028%。數(shù)據(jù)采集儀整體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)采集儀主要指標(biāo)

3　無線通信網(wǎng)絡(luò)組建

無線組網(wǎng)設(shè)備物理層的編碼與調(diào)制方式的不同決定了傳輸速率大小，然而接收信號(hào)的強(qiáng)度直接影響到物理層的調(diào)制方式和編碼方式的選擇。隨著距離增加，無線AP設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度和數(shù)據(jù)采集儀Wi-Fi無線網(wǎng)卡的信號(hào)強(qiáng)度均迅速降低，無線AP設(shè)備到數(shù)據(jù)采集儀的下行速率往往較高，但數(shù)據(jù)采集儀到無線AP設(shè)備的上行速率受距離因素影響大。

為此，無線量測(cè)系統(tǒng)中，通過提高無線組網(wǎng)設(shè)備的發(fā)射功率、選用高增益天線、規(guī)劃無線信道、組建多個(gè)無線子網(wǎng)絡(luò)等措施確保無線覆蓋范圍和數(shù)據(jù)傳輸速率滿足爆炸效應(yīng)測(cè)試需求，無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。無線AP支持802.11n協(xié)議，無線網(wǎng)橋支持802.11n/ac協(xié)議，兩者發(fā)射功率500 mW，采用MIMO雙極化天線，天線增益27dbi。一個(gè)無線子網(wǎng)絡(luò)包括一臺(tái)無線AP和兩臺(tái)無線網(wǎng)橋，無線AP與無線網(wǎng)橋A通過網(wǎng)線（RJ-45）連接，安裝于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)周邊；無線網(wǎng)橋B安裝于測(cè)試人員所在的安全區(qū)域，與無線網(wǎng)橋A實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，兩者確保天線對(duì)準(zhǔn)，中間無遮擋；多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)時(shí)，無線網(wǎng)橋B通過網(wǎng)線與千兆交換機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)各子網(wǎng)絡(luò)的融合；此外，相鄰多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)可共用一臺(tái)無線網(wǎng)橋B。

無線AP設(shè)備工作在2.4GHz頻段，無線網(wǎng)橋設(shè)備工作在5.8GHz頻段，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試無線信道擁堵情況，進(jìn)行無線信道規(guī)劃，確保各無線組網(wǎng)設(shè)備信道不交疊。每個(gè)無線子網(wǎng)絡(luò)通信指標(biāo)如表2所示。爆炸效應(yīng)測(cè)試中，可根據(jù)傳感器布設(shè)規(guī)模，確定無線子網(wǎng)絡(luò)劃分個(gè)數(shù)。此外，無線信號(hào)在傳輸過程中，樹木、建筑等障礙物會(huì)吸收、反射信號(hào)，引起信號(hào)的衰減和多徑傳輸，從而造成信號(hào)的衰落，因此應(yīng)根據(jù)爆炸試驗(yàn)場(chǎng)地的地形、周圍環(huán)境規(guī)劃好無線組網(wǎng)設(shè)備的布設(shè)位置以及架設(shè)高度，一般組網(wǎng)設(shè)備收發(fā)天線架設(shè)的高度要滿足障礙物不超過菲尼爾區(qū)［11］的40%。

表2　無線子網(wǎng)絡(luò)通信指標(biāo)

4　測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控軟件包括在測(cè)試PC上運(yùn)行的服務(wù)器軟件和在數(shù)據(jù)采集儀底層工控機(jī)上運(yùn)行的客戶端程序，兩套軟件采用統(tǒng)一接口、協(xié)議進(jìn)行消息通信。測(cè)試PC和數(shù)據(jù)采集儀之間采用客戶端/服務(wù)器（Client/Server）的網(wǎng)絡(luò)模型，客戶端和服務(wù)器之間采用UDP協(xié)議的Socket通信機(jī)制，通過網(wǎng)絡(luò)廣播消息和向指定IP設(shè)備發(fā)送消息兩種形式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

工控機(jī)是測(cè)試PC與數(shù)據(jù)采集儀底層電路交互的平臺(tái)，客戶端程序主要功能是消息處理，即將數(shù)據(jù)采集儀發(fā)送的上行消息和測(cè)試PC發(fā)送的下行消息進(jìn)行接收、解析、封裝、發(fā)送，實(shí)現(xiàn)測(cè)試PC對(duì)底層設(shè)備的管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無線接入等功能。

服務(wù)器程序?qū)崿F(xiàn)無線量測(cè)系統(tǒng)與用戶間的交互，通過發(fā)送配置參數(shù)和控制命令控制整個(gè)無線量測(cè)系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別、采集參數(shù)設(shè)置、采集模式選擇、命令下發(fā)、數(shù)據(jù)回傳、數(shù)據(jù)圖形顯示處理、采樣過程控制、信號(hào)分析等功能。服務(wù)器程序工作流程如圖4所示。

圖4　服務(wù)器程序工作流程

5　測(cè)試實(shí)例

某次化爆試驗(yàn)中，沖擊波壓力傳感器、沖擊加速度傳感器、結(jié)構(gòu)位移傳感器安裝于距爆心徑向15，20，25，30m區(qū)域內(nèi)的效應(yīng)靶標(biāo)（鋼筋混凝土板，鋼筋混凝土墻）上，通過短線纜（10m和20 m兩種）接入數(shù)據(jù)采集儀。傳感器按照規(guī)范要求，在某計(jì)量測(cè)試站利用φ100mm激波管動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置、沖擊加速度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置、位移傳感器校準(zhǔn)裝置分別對(duì)壓力傳感器、加速度傳感器和位移傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)。按圖3組建1個(gè)無線子網(wǎng)絡(luò)，無線AP和無線網(wǎng)橋A距爆心160m，離地高度3m，無線網(wǎng)橋B和測(cè)試用PC距爆心直線距離2 000 m，如圖5所示。數(shù)據(jù)采集儀加裝隔震措施和防護(hù)罩后，放置于距爆心25 m的溝槽內(nèi)，用沙袋墻進(jìn)一步防護(hù)，如圖6所示。

圖5　無線組網(wǎng)設(shè)備布設(shè)圖

圖6　數(shù)據(jù)采集儀布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)

測(cè)試用PC在現(xiàn)場(chǎng)接入無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)試，無線通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集儀工作正常，之后人員撤離至2000m外的安全區(qū)域，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)無線量測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，采用示波模式（采樣頻率20kS/s以下）實(shí)時(shí)觀察噪聲干擾情況，確定正常后，遠(yuǎn)程設(shè)置采樣頻率、采樣長(zhǎng)度、觸發(fā)方式、信號(hào)調(diào)理參數(shù)等。爆炸結(jié)束后，數(shù)據(jù)采集儀回傳數(shù)據(jù)正常，無線傳輸速率在42.5～47.8Mb/s。

部分測(cè)試數(shù)據(jù)見圖7～圖9，較好反映了沖擊波作用下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。圖7為某塊鋼筋混凝土墻上的沖擊波壓力測(cè)試波形，出現(xiàn)兩個(gè)壓力峰值是由于反射沖擊波在入射沖擊波衰減時(shí)到達(dá)所致［12］，此外破片、土石打在效應(yīng)靶標(biāo)上，對(duì)沖擊波壓力流場(chǎng)會(huì)有一定影響；壓力波形未歸零，原因是傳感器處于爆炸場(chǎng)火球區(qū)，傳感器受高溫影響，出現(xiàn)漂移所致。通過進(jìn)一步分析其他壓力、加速度、結(jié)構(gòu)位移等參量的測(cè)試數(shù)據(jù)，上升沿時(shí)間、峰值、持續(xù)時(shí)間真實(shí)反映了大當(dāng)量靜爆沖擊波的傳播規(guī)律，測(cè)試數(shù)據(jù)有效。

圖7　沖擊波壓力波形

圖8　結(jié)構(gòu)沖擊加速度波形

圖9　結(jié)構(gòu)位移波形

6　結(jié)束語(yǔ)

無線量測(cè)系統(tǒng)在存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)基礎(chǔ)上結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)備封裝防護(hù)技術(shù)，適用于各種規(guī)?；囼?yàn)的爆炸效應(yīng)參數(shù)測(cè)試，與有線電測(cè)系統(tǒng)、存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)和現(xiàn)有的其他無線量測(cè)設(shè)備相比，本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）數(shù)據(jù)采集儀測(cè)試通道有8通道、16通道、24通道3種類型，適合大型化爆試驗(yàn)中傳感器數(shù)量多的測(cè)試需要。

2）無線數(shù)據(jù)傳輸速率高、無線通信距離遠(yuǎn)，縮短了有線線纜，減少了測(cè)試準(zhǔn)備工作量，此外測(cè)試人員在幾千米外的安全區(qū)域可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

3）多臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀組網(wǎng)測(cè)試時(shí)，同步精度高，各臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀的同步誤差在100ns以內(nèi)。

4）采取了隔震和防爆炸飛散物的防護(hù)設(shè)計(jì)，大當(dāng)量靜爆試驗(yàn)中，在距爆心較近的距離內(nèi)工作狀況良好。

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（編輯：莫婕）

Application of wireless measurement system for explosive effect test in large equivalent static burst power test

GUO Shixu，CHEN Jinyang，ZHOU Huijuan，YU Shangjiang
（Unit 61489 PLA，Luoyang 471023，China）

In static detonation tests，there are many physical parameters needed to be tested，sensors are placed in a large area，and safe area is far away，which bring many difficulties to the usual down-lead electronic measurement system and the storage measurement system.A wireless measurementsystembasedonWI-FIisdeveloped，whichiscomposedofdataacquisition instruments and wireless networking equipments.The data acquisition instrument has the functions ofsignalconditioning，dataacquisitionandstorage，wirelesscommunication，highprecision synchronization，and etc.The wireless networking equipment supports the 802.11n/ac protocol with a high transmission power and a high gain internal antenna inside.The whole system can be monitored and controlled remotely and wirelessly.Furthermore，it has the advantages of direct measurement for multiple parameters，synchronous trigger and acquisition of multiple channels and multiple equipments，wireless data transmission in high speed，and distributed layout in large scale，which greatly improve the test efficiency.The proposed system has been applied to several explosive effect tests and its high reliability has been verified.

explosive test；wireless measurement system；clock synchronization；distributed network test

A

1674-5124（2016）10-0132-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.025

2016-04-20；

2016-05-23

郭士旭（1987-），男，河南洛陽(yáng)市人，助理研究員，碩士，主要從事測(cè)試技術(shù)方面的研究。