多通道同步數(shù)據(jù)采集的大當(dāng)量爆炸場參數(shù)光電測試系統(tǒng)

劉 秀，劉 吉，顏 兵，劉小彥，張 靜

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室，太原 030051)

【光學(xué)工程與電子技術(shù)】

多通道同步數(shù)據(jù)采集的大當(dāng)量爆炸場參數(shù)光電測試系統(tǒng)

劉 秀，劉 吉，顏 兵，劉小彥，張 靜

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室，太原 030051)

針對戰(zhàn)斗部爆炸場破片速度等參數(shù)測試中需要多點分布測試方法存在精度差，成本高的問題，提出了一種以爆炸火光作為觸發(fā)信號源的多通道同步分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；設(shè)計了光電觸發(fā)模塊將爆炸火光經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，信號調(diào)理形成觸發(fā)信號源，多個數(shù)據(jù)采集單元的觸發(fā)模塊參數(shù)相同，保證其響應(yīng)時間一致；采用多通道數(shù)據(jù)采集單元配合激光光幕破片數(shù)據(jù)采集可以構(gòu)建多點測試系統(tǒng)；通過多次戰(zhàn)斗部破片速度測試試驗結(jié)果表明：在TNT當(dāng)量為5 kg時，測試系統(tǒng)分別布設(shè)在距離爆心不同距離處，可以完成可靠觸發(fā)并獲得有效數(shù)據(jù)。

光電檢測；爆炸場；速度；數(shù)據(jù)采集

對戰(zhàn)斗部毀傷效能的評估常常采用靜爆實驗法對爆炸場產(chǎn)生沖擊波超壓和破片的速度分布等參數(shù)進行測試[1-3]。在破片速度測試時，由于測試現(xiàn)場環(huán)境惡劣，不同類型的戰(zhàn)斗部破片的飛散規(guī)律不盡相同，為實現(xiàn)破片速度參數(shù)的全面準(zhǔn)確測量，需要在爆心周圍進行多點分布式同步測量系統(tǒng)[4-6]。當(dāng)前，爆炸場多參數(shù)測量中多點同步測試的方法主要有多點布線法和GPS同步測量法。多點布線法原理簡單，容易實現(xiàn)，但在測量時容易引入干擾源且布設(shè)費時費力，試驗中容易損傷。GPS同步測量方法有測量設(shè)備體積小巧、全天候、精度高等優(yōu)點，但是設(shè)備較為昂貴，操作復(fù)雜[7-9]。本文針對此問題，提出一種以爆炸火光作為觸發(fā)信號源的多通道分布式同步爆炸場參數(shù)測試方法。

1 爆炸場參數(shù)多通道同步測試系統(tǒng)

爆炸場參數(shù)多通道同步測試系統(tǒng)主要由觸發(fā)模塊、激光光幕破片速度參數(shù)測試儀、分布多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號分析專用軟件組成[10]。如圖1所示，以爆破中心為圓心，半徑為5、10、15、20 m的圓上放置信號探測裝置(也可以根據(jù)測試需求改變半徑長度)。破片速度參數(shù)測試儀以激光模組作為主動光源，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)整形形成兩個矩形激光光幕，由它們形成相互平行、距離確定的有效區(qū)域，根據(jù)定距測時法進行速度測試。觸發(fā)模塊提供同步觸發(fā)信號，作為數(shù)據(jù)采集儀的啟動時刻，同步獲得破片過靶信號，進而處理得到破片速度參數(shù)。

圖1 測試系統(tǒng)示意圖

2 同步觸發(fā)模塊與控制程序

2.1 光電觸發(fā)信號源

光觸發(fā)模塊主要由光信號預(yù)處理部分、光電變換部分、信號調(diào)理部分、A/D變換部分組成。系統(tǒng)的光信號預(yù)處理部分是指在實驗開始前對光電探測器進行的遮光處理，并同時設(shè)計了聚光結(jié)構(gòu)，光電變換部分的作用是將系統(tǒng)接收到的光通量進行變化，轉(zhuǎn)換成可用的電信號[11-12]，信號調(diào)理部分主要是對電信號進行濾波、放大等處理；A/D變換部分則主要實現(xiàn)了模擬信號向數(shù)字信號的變換。光電二極管獲得爆炸火光的瞬變光通量時形成反向光電流，放大器采用雙運放AD8066，第一級完成A/V轉(zhuǎn)換，第二級完成主放大功能，放大倍數(shù)為

(1)

接收光強與爆心距離平方成反比，設(shè)置Au=20 K/1 K=20，通過C2、R3組成的RC高通濾波器和電壓比較器LM311實現(xiàn)了對輸出電平值的控制，可以根據(jù)實驗的具體需求適當(dāng)調(diào)整R8、R9的阻值設(shè)置閾值VT,當(dāng)背景光過強時，容易造成誤觸發(fā)，此時可以對VT進行調(diào)整。

(2)

圖2 光觸發(fā)電路原理圖

利用爆炸火光和太陽光光譜成份和入射角度的差異性將陽光隔離，采用光學(xué)鏡頭完成爆炸火光的會聚。將光電傳感器與光電調(diào)理電路集成在同一電路板，鏡頭焦距為3.6 mm、F值為1∶2、視場角為52°，安裝相應(yīng)的調(diào)節(jié)底座，實物如圖3所示。

圖3 光觸發(fā)系統(tǒng)信號預(yù)處理模塊實物

2.2 虛擬儀器的軟件實現(xiàn)

虛擬儀器軟件的流程圖如圖4所示，首先對其進行初始化選擇和設(shè)置，設(shè)備自檢通過后啟動數(shù)據(jù)采集程序，否則系統(tǒng)自動返回初始階段重新判斷。數(shù)采程序啟動后，先完成采集參數(shù)配置，可以選擇默認參數(shù)配置或手動設(shè)置參數(shù)；而后系統(tǒng)進入待觸發(fā)狀態(tài)，如果接收到正常觸發(fā)信號，這組信號將被保存，否則系統(tǒng)也會自動返回到初始化設(shè)計后進行再判斷，并給予故障提示；被保存的有效信號經(jīng)過數(shù)據(jù)緩存處理后可選擇是否生成報告[13-16]。

3 實驗驗證

以TNT當(dāng)量為5 kg的戰(zhàn)斗部為研究對象，在距離爆炸中心L1=10 m、L2=15 m、L3=20 m的不同方位分別布置3個測試點，每個測試點2個通道，共6個通道，某個測試點布置如圖5所示，測試主機位于地下，地上只保留光反射合作目標(biāo)，外加保護殼體和調(diào)整機構(gòu)的光電觸發(fā)模塊采用磁鋼吸附于合作目標(biāo)的框架之上，調(diào)整會聚方向?qū)?zhǔn)爆心方向。獲得典型波形如圖6(a)、(b)所示，典型數(shù)據(jù)如表1所示。圖6中，顯示獲取的4個破片過靶波形，設(shè)置采樣率2.5 M/s，采樣時間10 ms。啟動、停止兩通道中4個破片波形逐一對應(yīng)的關(guān)系。

圖4 虛擬儀器軟件流程

圖5 系統(tǒng)現(xiàn)場布設(shè)圖

共進行了2組實驗，每組5發(fā)，每發(fā)均可靠觸發(fā)，在某些實驗中同時采用了斷線觸發(fā)的方式以比對觸發(fā)時刻的同步性，比對結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者誤差在μs量級，達到了與采集設(shè)備采樣間隔時間可比擬的程度，滿足設(shè)計要求。

實驗在野外自然照明下進行，實驗中經(jīng)歷了全天的不同光照強度(本地區(qū)光照度范圍：1.0×104～1.2×105lux)，沒有出現(xiàn)環(huán)境光誤觸發(fā)現(xiàn)象。但通過采集觸發(fā)信號發(fā)現(xiàn)，調(diào)整視場方向得到的原始光電信號幅度存在差異，實際使用時應(yīng)該增加瞄準(zhǔn)和調(diào)整機構(gòu)以保證接收足夠的爆炸火光。

表1 實驗數(shù)據(jù) m/s

圖6 破片的典型波形

本方法實驗成成本在千元量級，而GPS系統(tǒng)主模塊需要GPS發(fā)射器，從模塊需要GPS接收器同步的方法比較，每套的實驗成本在萬元量級。在彈體固定觸發(fā)線分別引線至各個采集點的觸發(fā)的方式也十分可靠，但是每次實驗需要重現(xiàn)接線，實驗過程中經(jīng)常出現(xiàn)觸發(fā)線被破片擊中而重新布設(shè)，浪費了人力物力，降低了實驗效率。因此，實驗和理論分析表明，本方法與其他方法相比經(jīng)濟、可靠、實驗效率高，滿足大當(dāng)量激光測試速度參數(shù)測試系統(tǒng)多通道同步測試的要求。

4 結(jié)論

本文提出了基于光觸發(fā)同步的多通道數(shù)據(jù)采集爆炸場參數(shù)測試技術(shù)，該技術(shù)利用爆炸時產(chǎn)生的瞬時火光作為觸發(fā)源完成多通道數(shù)據(jù)的同步采集，使用該方法與激光破片測速儀聯(lián)合使用可完成戰(zhàn)斗部破片速度的測試，專用的虛擬儀器軟件完成系統(tǒng)自檢和時序的控制。通過對5 kg戰(zhàn)斗部靜爆現(xiàn)場試驗，完成了多個通道破片信號的同步采集和處理。實驗表明：該方法滿足測試要求，能保證測試數(shù)據(jù)的可靠捕捉，解決了以往多個觸發(fā)引線存在的費時費力可靠性差的問題。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

Design of Explosion Field Parameters Test System Based on Multichannel Synchronous Data Acquisition

LIU Xiu, LIU Ji, YAN Bing, LIU Xiao-yan, ZHANG Jing

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Aiming at the needing distribution system of parameters measurement, such as fragment velocity in warhead explosion and the deficiency of poor accuracy and high cost of existing methods, a multichannel synchronous distributed data acquisition system based on explosion of fire as the trigger signal source was proposed. A photoelectric trigger module was designed, which could transform from explosion fire to the trigger signal source after photoelectric conversion and signal processing. Every trigger module keeps same parameters, that can ensures that it’s have corresponding time. Combining PXI data acquisition unit and laser screen fragments measurement unit can build testing system. The results show that the systems could work properly at different distance, when the TNT equivalent of warhead is 5kg.

photoelectric measurement; explosion field; velocity; synchronous data acquisition

2016-09-12；

2016-10-15

電子測試技術(shù)重點實驗室基金(9140C12040515X)

劉秀(1990—)，女，碩士研究生，主要從事光電探測理論與技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.01.030

劉秀，劉吉，顏兵，等.多通道同步數(shù)據(jù)采集的大當(dāng)量爆炸場參數(shù)光電測試系統(tǒng)[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(1):130-133.

format:LIU Xiu, LIU Ji, YAN Bing, et al.Design of Explosion Field Parameters Test System Based on Multichannel Synchronous Data Acquisition[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):130-133.

TN247

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