槍彈激波實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

(中國人民解放軍63936部隊，北京 102202)

0 引言

近年來，在阿富汗、敘利亞等全球的敏感地域，各種特種作戰(zhàn)樣式的戰(zhàn)事頻發(fā)，以西方國家為主導(dǎo)的世界軍事強國不斷采用先進(jìn)技術(shù)的武器裝備，在全球戰(zhàn)場上越來越起主導(dǎo)作用，其中偵察與反偵察尤為特出，在輕武器領(lǐng)域如基于激光技術(shù)狙擊手主動探測技術(shù)以及基于聲探測技術(shù)的狙擊手被動探測技術(shù)等。其中狙擊手聲探測系統(tǒng)就是利用聲陣列傳感器實時探測彈丸在空氣中高速飛行時產(chǎn)生的激波，通過數(shù)學(xué)建模與解算，得到狙擊手的隱匿位置，進(jìn)而給予有力還擊[1]。在國外，與其他原理的狙擊手探測系統(tǒng)相比，狙擊手聲探測系統(tǒng)是價格最低廉、測定最精確、使用廣泛的狙擊手探測系統(tǒng)。

另一方面，在武器裝備研制、使用階段，也還需要測試彈丸的空間射擊位置，以確定槍械的射擊精度是否滿足設(shè)計和戰(zhàn)術(shù)要求，而利用彈丸激波實時探測技術(shù)就是一種實用的途徑，結(jié)合數(shù)字信號無線傳輸技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)高速飛行彈丸的全彈道射擊精度、飛行速度等參數(shù)的自動測試[2]，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，儀器布設(shè)方便、迅速，降低了使用要求，克服了人為布設(shè)儀器帶來的隨機誤差，尤其解決了基于光電技術(shù)設(shè)計的各種天幕靶、精度靶等測試設(shè)備遠(yuǎn)距離難于防護(hù)的問題。更突出的優(yōu)點還在于增加激波傳感器的數(shù)量，系統(tǒng)測試精度可以達(dá)到校驗級，可以用于對天幕精度靶、光幕精度靶等傳統(tǒng)光學(xué)精度靶的校驗。通過試驗可知，系統(tǒng)測試精度高，性能穩(wěn)定，沒有誤報、漏報現(xiàn)象，具有極大的推廣應(yīng)用價值。

1 槍彈激波實時測量

1.1 槍彈激波特性

根據(jù)空氣動力學(xué)理論，當(dāng)彈丸以超音速速度在大氣中飛行時，便在彈丸的頭尾部形成一激波[3]。其波陣面可近似為錐面飛行速度越大，其彈丸尖部激波的角度(錐角)越小，向彈道垂直方向擴散的速度越慢，且擴散的速度受環(huán)境溫度的影響，溫度越高，擴散速度越快。實際拍攝的彈丸在空氣中飛行時產(chǎn)生激波的圖片如圖1所示。

圖1 彈丸激波實拍圖

在彈道線附近設(shè)置激波測量傳感器，當(dāng)彈丸激波掃過傳感器時，傳感器周圍的空氣壓力會迅速由靜態(tài)壓力變成超壓狀態(tài)，然后又迅速變成負(fù)壓、由負(fù)壓回歸靜態(tài)壓力狀態(tài)。由于由傳感器探測到的激波波形類似N形狀，俗稱“N波形”，示意圖如圖2所示。

圖2 N波信號示意圖

如果傳感器附近有障礙物干擾會造成激波多次反射，這種壓力變化可能會間隔重復(fù)持續(xù)幾次。

1.2 激波傳感器選型

傳感器選型時，除了考慮傳感器的尺寸、形狀、安裝方式、輸出類型外，主要考慮傳感器的靈敏度、固有頻率、量程、過載能力、指向性等，這些性能指標(biāo)將直接決定是否能準(zhǔn)確、及時地測量激波信號。

激波在空氣中的能量隨傳輸距離呈指數(shù)規(guī)律衰減，且激波的頻率越高，能量衰減越快，激波的傳播距離也就越短。由于不同的武器種類，其彈丸產(chǎn)生的激波頻譜特性差別很大，且當(dāng)測點距離不同的時候，頻譜也會產(chǎn)生變異。根據(jù)目前國內(nèi)外輕武器試驗需求，彈丸激波的壓力峰值一般為MPa量級，綜合考慮信號的后級處理能力，傳感器的靈敏度大于0.1 mV/Pa即可。

對于傳感器固有頻率，當(dāng)測試彈速大于450 m/s的彈丸時,其N波正負(fù)峰寬度(持續(xù)時間)約為120 μs,為保證獲取的N波前沿的陡峭，因此傳感器的最佳固有頻率不小于500 kHz。當(dāng)后續(xù)信號調(diào)理電路一致性很好，做到每個傳感器輸出信號一致性很好時，傳感器的固有頻率可以低至100 kHz。

對于傳感器量程，考慮到近距離測試彈丸激波的可能性，以及大口徑槍彈激波的壓力峰值，取傳感器量程為10 MPa，且其動態(tài)過載能力不小于10 MPa。

對于傳感器指向性，在實際測試中，彈丸是來自不同的方向的。為了滿足測試要求，傳感器應(yīng)具有全向性,盡可能使不同方向的彈丸激波信號幅度處于同一個量級。

根據(jù)以上傳感器的靈敏度、固有頻率、量程、過載能力、指向性等性能指標(biāo)需求，M132系列微型壓力傳感器比較適合用于激波信號的測試。

1.3 激波傳感器輸出信號調(diào)理

傳感器信號調(diào)理必須實現(xiàn)其輸出幅度滿足后續(xù)處理要求，同時其帶寬、信噪比也必須滿足要求；多通道測試時，還必須保證通道一致性。由于激波測試傳感器輸出信號微弱，其輸出需要經(jīng)過多級放大才能滿足后級信號處理要求，其輸出信號調(diào)理主要包括電荷放大器、一級放大、二級放大、帶通濾波等。為了適應(yīng)不同靈敏度的傳感器以及用于不同距離的測量，二級放大器的輸出還反饋控制一級放大的增益，使得最終信號調(diào)理的輸出電平總是在5 V左右，以便于后級信號的處理，其原理如圖3所示。

圖3 傳感器輸出信號調(diào)理原理框圖

1.3.1 電荷放大器設(shè)計

由于選用的激波傳感器為電荷輸出，為便于后級信號放大調(diào)理，首先須將電荷輸出轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觯措姾呻妷恨D(zhuǎn)換(俗稱電荷放大器)。綜合考慮全系統(tǒng)采用正電源供電，因此選用運放AD743以及設(shè)計電壓偏置電路，其電路原理如圖4所示。

圖4 電荷放大器電路原理圖

為避免高低溫對運放器件造成溫漂影響，實際電路設(shè)計時，利用同型號運放另設(shè)計一路放大電路，不同環(huán)境溫度時其輸出結(jié)果和常溫時相比較，用其差值控制電荷放大器的增益，從而消除環(huán)境溫度的影響。

1.3.2 信號放大

信號放大包括一級放大和二級放大。核心器件采用精密儀器用運算放大器 INA114，INA114價格低廉、精度高，使用簡單，只需一個外部電阻就可以設(shè)置1～10 000之間的任意增益值。

經(jīng)過一級放大后,激波信號的幅值依然相對較小,需要對信號進(jìn)行二級放大。為保證多通道測試時，由于傳感器的靈敏度不一致而造成信號調(diào)理輸出幅度差異很大，在二級放大中增加了信號負(fù)反饋，實現(xiàn)放大器增益歸一化控制。

1.3.3 帶通濾波器設(shè)計

測試時，除了高速飛行彈丸產(chǎn)生的激波，還有射擊時火藥的爆炸聲和周圍環(huán)境的雜散的聲音，這些聲信號也會作用于激波傳感器，隨同激波信號同比例被放大,從而大大降低輸出信號的信噪比?？紤]到彈丸激波信號的主頻分布在5～50 kHz區(qū)間,因此在二級放大輸出電路中加入帶通濾波器[4],可以有效降低噪聲的干擾。

進(jìn)行帶通濾波器設(shè)計時，采取二階低通和二階高通濾波電路串聯(lián)的方式，兩者既可以設(shè)計成跟隨器，也可設(shè)計成具有放大的功能濾波器，不過放大倍數(shù)不宜過大，以免影響濾波器的帶寬。

帶通濾波器的核心器件運放采用高精度單片運算放大器 OP37。OP37是一種高精度、超低噪聲和高速相結(jié)合的儀表級單片運算放大器，具備工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)直流特性，具有很低的輸入失調(diào)電壓和漂移，其輸入失調(diào)電壓典型值為10 μV。OP37的優(yōu)良特性使它特別適合用作濾波器，而不用考慮調(diào)零和頻率問題就能滿足要求。

1.3.4 槍彈激波波形實時測量

槍彈激波波形實時測量電路設(shè)計調(diào)試完成后，進(jìn)行了實彈射擊測試。試驗時，在空曠區(qū)域，使用7.62 mm口徑的某型武器,測點距離槍口10 m，距地面高1.5 m,距彈道線1 m，彈速約700 m/s時，其實測波形如圖5所示。

圖5 槍彈激波實時測量波形圖

由圖5可見，信號調(diào)理輸出N波信號正、負(fù)峰脈沖持續(xù)時間約120 μs，與理論分析計算結(jié)果相符；輸出信號信噪比較高，信號幅度達(dá)2.5 V，可以進(jìn)行后續(xù)的時間間隔測量分析；但由于濾波器帶寬以及截止頻率參數(shù)設(shè)計等因素，N波的正、負(fù)峰并不對稱，以及出現(xiàn)明顯的拖尾現(xiàn)象，考慮到后級處理只在時域分析N波的正峰的上升特性以及到達(dá)峰值的時刻，因此滿足設(shè)計要求。

當(dāng)取消帶通濾波器時，二級放大輸出的實測波形更接近圖2所示的N波形。因此，可以根據(jù)后續(xù)信號處理的要求進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計確定帶通濾波器的具體參數(shù)。

2 槍彈激波實時監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

2.1 槍彈激波實時監(jiān)測系統(tǒng)原理

槍彈激波最廣泛的應(yīng)用，一是在戰(zhàn)場上探測狙擊手位置，二是在試驗靶場探測彈著點坐標(biāo)，歸根結(jié)底都是聲源定位[5]。目前現(xiàn)有的聲源目標(biāo)定位技術(shù)基本上可以分為3類[6]：基于最大輸出功率的可控波束形成技術(shù)、高分辨率譜估計技術(shù)和基于聲達(dá)時間差的定位技術(shù)。鑒于槍彈激波持續(xù)時間短，所以選用基于聲達(dá)時間差的定位技術(shù)[7]。

傳感器陣列形式有均勻直線式、平面陣、立體陣等，不同的陣列模型適用于不同的測試范圍：三維空間定位一般需要采用立體陣，而二維平面定位一般采用平面陣，具體哪個效果更佳，還需要看定位靶面的大小。為簡化設(shè)計以及測試結(jié)果可驗證，設(shè)計采用四角平面方陣結(jié)構(gòu)[7]，4個傳感器分別位于正方形的4個頂角，如圖6所示。

圖6 激波傳感器陣列示意圖

如圖6所示，以正方形中心為原點、對角線分別為x軸和y軸建立直角坐標(biāo)系，T1、T2、T3、T4分別為4個傳感器，距坐標(biāo)原點均為L，則T1、T2、T3、T4坐標(biāo)分別為(-L,0)、(0,-L)、(L,0)、(0,L)，P為命中靶面的彈著點，坐標(biāo)為(x,y)，并設(shè)P至T1距離為R1，P至T2距離與P至T1距離的差為r2，P至T3距離與P至T1距離的差為r3，P至T4距離與P至T1距離的差為r4，則有[8]：

(1)

x2+(y+L)2=(R1+r2)2

(2)

(x-L)2+y2=(R1+r3)2

(3)

x2+(y-L)2=(R1+r4)2

(4)

解式(1)～(4)，得：

(5)

(6)

(7)

設(shè)激波傳播速度為C，ti為激波從P至Ti時間與從P傳至T1時間的差，則ri為C與ti的積，ti可通過基于CPLD芯片的脈沖時間間隔電路[9-10]測得，由此可求得x，y的值。

實際情況下，安裝激波傳感器陣列時，人們習(xí)慣將正方形的一條邊和地面平行。為此，可將由圖6所述的傳感器陣列逆時針旋轉(zhuǎn)45°，而坐標(biāo)系不變，x、y坐標(biāo)表達(dá)式(5)、(6)還需進(jìn)行新的坐標(biāo)系變換。

圖6中，正方形對角線上傳感器間距的大小以及精度都會影響彈著點坐標(biāo)的測試精度，必須合理設(shè)計和安裝傳感器。當(dāng)需要更高的測試精度時，可以增加傳感器的數(shù)量，建立多組傳感器陣列，求取多組陣列計算結(jié)果的平均值即可。

2.2 槍彈激波實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

槍彈激波實時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括激波傳感器陣列和信號分析處理兩部分。傳感器陣列除了傳感器以及信號調(diào)理部分外，還集成有脈沖間隔時間測量電路、數(shù)字信號無線傳輸電路。信號分析處理是一臺安裝有上位機應(yīng)用軟件的手持單板計算機或筆記本計算機。兩者通過WIFI進(jìn)行無線信號傳輸。當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時，也可以運用無線數(shù)傳技術(shù)實現(xiàn)信號無線傳輸，其原理結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 槍彈激波實時監(jiān)測系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

激波傳感器陣列如圖6所示，4個激波傳感器位于垂直平面內(nèi)，且每個傳感器分別置于正方形的4個頂角；激波傳感器間距為500 mm；傳感器敏感端面均朝向彈道線；在傳感器靠近槍口側(cè)距傳感器50 mm處垂直設(shè)置對比紙靶，信號調(diào)理電路及信號無線傳輸電路置于傳感器陣列的下沿。

為準(zhǔn)確測得激波信號達(dá)到每個傳感器的時刻，在傳感器陣列前方(槍口側(cè))設(shè)置一個傳感器，當(dāng)激波信號略過該傳感器時輸出一個脈沖信號作為傳感器陣列的4個傳感器時間間隔測量的啟動信號，陣列傳感器的輸出信號作為時間間隔測量的停止信號。

根據(jù)啟動傳感器與激波傳感器陣列的距離，以及該系統(tǒng)適應(yīng)的槍彈速度范圍，設(shè)計確定時間間隔測量的長度。當(dāng)距離為1 m、彈速區(qū)間為500～1 200 m/s時，激波傳播時間最大約為2 ms。實際設(shè)計時，時鐘頻率為10 MHz，二進(jìn)制計數(shù)器長度為16位。

時間間隔測量模塊核心芯片為EPM1270，同時集成8通道，便于傳感器陣列擴展；除了8通道16位二進(jìn)制計數(shù)器外，還設(shè)計有輸入信號整形模塊、有抗干擾模塊、邏輯控制模塊、總線輸出模塊等。

系統(tǒng)控制電路核心芯片采用STC15W4K60S4單片機，該系列單片機運行速度快，程序存儲空間及運行內(nèi)存大，有硬件看門狗功能，外圍器件少，編程調(diào)試方便，成本低。一個串口用于下載程序，一個串口用于與上位機通信。為了計算激波擴散速度，單片機還通過溫度測量模塊測試環(huán)境的溫度。單片機軟件由Keil C編程實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)傳輸采用無線傳輸方式。近距離通信時，由WIFI模塊實現(xiàn)，以便于組網(wǎng)測試；遠(yuǎn)距離通信時，由基于RS232接口的無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)，最遠(yuǎn)距離不小于1 000 m，滿足輕武器試驗的需求。

上位機應(yīng)用軟件由LabWindows/CVI軟件編程工具編程實現(xiàn)，功能主要有：數(shù)據(jù)無線通信控制、彈著點坐標(biāo)計算、結(jié)果分析統(tǒng)計、輸出及輸入控制等。數(shù)據(jù)無線傳輸還具有誤碼檢查、重傳，以及信道通信質(zhì)量檢測功能。彈著點坐標(biāo)計算通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫的方式實現(xiàn)，便于今后擴展升級。

2.3 實驗結(jié)果與分析

系統(tǒng)建立后，使用5.8 mm口徑自動步槍，進(jìn)行了實彈射擊試驗，射距100 m，每組射擊10發(fā)，測試結(jié)果如表1所示。表1中，x(紙)、y(紙)分別表示實際量得的紙靶的彈著點水平和高低方向的坐標(biāo)，x(電)、y(電)分別表示由槍彈激波實時監(jiān)測系統(tǒng)測得的彈著點水平和高低方向的坐標(biāo)。

表1 定位精度對比表 mm

由表1可見，水平方向(x軸)儀器測試與紙靶對比最小誤差為0.1 mm，最大誤差為1.2 mm，組平均誤差為0.27 mm；高低方向(y軸)儀器測試與紙靶對比最小誤差為0.5 mm，最大誤差為1.9 mm，組平均誤差為0.39 mm。按照傳感器的陣列模型以及數(shù)學(xué)模型分析可知，高低方向坐標(biāo)的測試精度應(yīng)該和水平方向的測試精度相同，而實際測試結(jié)果表明，高低方向的測試誤差大于水平方向的測試誤差，經(jīng)過查找分析原因，系在傳感器陣列布設(shè)時，水平方向利用水平儀調(diào)校確保了水平方向的精度，但是垂直方向沒有采用專業(yè)儀器或手段確保靶面與地平面垂直，即彈道線沒有與傳感器陣列面的法線平行，由此引入了測試誤差。

綜上所述，采用激波測試方法所得結(jié)果與實際位置接近，定位精度滿足使用要求[11]。但是由于傳感器的探測角度限制，遠(yuǎn)離坐標(biāo)原點的誤差較大，且越接近傳感器探測角度邊界，誤差越大。當(dāng)需要定位精度更高時，可以考慮增加傳感器的數(shù)量來提高測試精度。

3 結(jié)束語

本文介紹的槍彈激波實時監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于多套基于聲測試技術(shù)的常規(guī)武器性能測試儀器的設(shè)計，增加了試驗手段，明顯提高了參數(shù)測試精度和試驗效率。但是，由于在多路時差估計時采用了基于時域的脈沖時間間隔測試方法，限制了激波測試的路數(shù)。今后，可以進(jìn)一步優(yōu)化濾波器性能設(shè)計，準(zhǔn)確測量“N波形”，擴展激波測試的路數(shù)，利用頻域時差估計技術(shù)準(zhǔn)確獲取時差，進(jìn)一步拓展激波實時測量的應(yīng)用領(lǐng)域。