一種無線沖擊波超壓存儲測試系統(tǒng)

王波 胡燕

【摘? 要】沖擊波超壓測試是武器系統(tǒng)毀傷效果評估的重要手段，傳統(tǒng)沖擊波超壓測試是通過低噪聲電纜拉長線遠距離測量的，爆轟當量大時拉線較長，會對沖擊波信號測量產(chǎn)生干擾，影響其準確性。無線沖擊波超壓存儲測試系統(tǒng)，采用存儲測試和無線管理相結合的方式，避免了長線測量帶來的信號干擾，免布線無線管理方式節(jié)約了測試成本，提前開機啟動方式避免了因觸發(fā)閾值設置過低造成的誤啟動和觸發(fā)閾值設置過高造成的不啟動。

【Abstract】Shock wave overpressure test is an important method for assessing the damage effect of weapon systems. Traditional shock wave overpressure test is measured by low-noise cable extension wires at a long distance. When the detonation equivalent is large， the drawwire is longer， which will disturb the measurement of shock wave signal and affect its accuracy. Wireless shock wave overpressure storage test system， by adopting the combination of storage test and wireless management way， to avoid the long term measurement of signal interference， avoid wiring wireless management way to save the test cost. The startup mode of starting in advance avoids the false startup caused by too low trigger threshold setting and the non-startup caused by too high trigger threshold setting.

【關鍵詞】沖擊波超壓;ZigBee;LORA擴頻;彈載記錄器

【Keywords】shock wave overpressure; ZigBee; LORA spread spectrum; missile-borne recorder

【中圖分類號】TP271+.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）06-0159-02

1 引言

大當量爆轟試驗沖擊波超壓測試時，傳統(tǒng)的拉長線測量缺點突出：

①信號線拉線較長，會對真實的信號產(chǎn)生干擾;②戰(zhàn)斗部爆炸時彈片經(jīng)常會擊中信號線，導致記錄信號不完整;③低噪聲電纜價格昂貴，一次測量成本高;④多路測量時電纜布線復雜，試驗需提前一兩天準備;⑤為防止測試電纜被彈片擊中，需深埋地下，不利于寒區(qū)作業(yè)。怎樣高效、低成本、精準、可靠地獲得沖擊波超壓試驗數(shù)據(jù)，是大當量戰(zhàn)斗部毀傷評估試驗中迫切需要解決的問題。

針對目前大當量戰(zhàn)斗部毀傷評估中沖擊波超壓測試出現(xiàn)的問題，開發(fā)設計一款具有無線管理功能的存儲測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)有線測量優(yōu)勢明顯：

①傳感器和記錄器一體設計，信號傳輸線長度小于10cm，殼體屏蔽不易受外界信號干擾;②記錄器采取遠程無線管理，不浪費測試電纜，節(jié)約測試成本;③無線管理部分采用LORA擴頻技術，可以任意添加中繼設備以達到避障和增程的目的;④點對點通信有利于單個測試節(jié)點狀態(tài)管理，群發(fā)啟動采集指令使測試節(jié)點同步時間小于4us;⑤單次20min和7次3min采集模式設置縮短了系統(tǒng)復位時間，可以一次記錄7個試驗數(shù)據(jù)后統(tǒng)一讀取，使1天內(nèi)進行多次沖擊波超壓測試試驗成為可能[1]。本文詳細闡述了該無線測試系統(tǒng)的方案設計、原理樣機和試驗驗證等。

2 方案設計

無線沖擊波超壓存儲測試系統(tǒng)包括測試節(jié)點、中繼設備、遠端無線控制裝置和工控機（或加固筆記本電腦）組成。

測試節(jié)點由ICP壓力傳感器感受爆轟沖擊波產(chǎn)生相應的電信號，信號調(diào)理電路把ICP壓力傳感器產(chǎn)生的電信號經(jīng)兩級放大后濾波處理以適應AD的輸入范圍，再由高速AD轉(zhuǎn)換器將調(diào)理后的模擬信號轉(zhuǎn)化成16位數(shù)字量，在控制器協(xié)同下將16位數(shù)字量存儲到大容量閃存中，由于閃存的非易失性，該存儲器保證在意外斷電情況下，斷電之前的數(shù)據(jù)有效可讀。無線收發(fā)模塊主要負責接收遠程控制設備發(fā)出的指令，當指令內(nèi)包含的地址信息和自身地址相同時返回測試節(jié)點狀態(tài)信息[2]。電池經(jīng)電源管理電路升壓恒流后給ICP壓力傳感器供電，通過LDO降壓給放大器、存儲器、A/D、控制器和無線收發(fā)模塊供電。斷靶信號通過光電隔離后再輸送給控制器，USB2.0讀數(shù)接口保證測試節(jié)點和計算機之間數(shù)據(jù)高速傳輸。測試節(jié)點原理如圖1所示。

無線通信模塊選用EBYTE公司E22系列模塊，模塊型號為E22-400T30S。該模塊基于SEMTECH公司SX1268射頻芯片設計，芯片采取全新一代LORA擴頻技術，工作在（410.125～493.125MHz）頻段（默認433.125 MHz）。模塊支持LBT功能，發(fā)射前自動檢測信道噪聲，噪聲超過閾值延時發(fā)送，可極大地提高模塊在惡劣環(huán)境下的通信成功率。模塊有RSSI信號強度指示功能，用于評估信號質(zhì)量、改善通信網(wǎng)絡和測距，該功能亦可配合軟件實現(xiàn)手動LBT功能[3]。模塊內(nèi)置低噪聲放大器（LNA）和功率放大器（PA），實現(xiàn)更遠的通信距離和更強的抗干擾能力。

接收機靈敏度與濾波器帶寬如下式關系：

Pr=KT0Bn（S/N）i

Bn為濾波器帶寬（3倍調(diào)制碼率），KT0為-147dBm/Hz，對于FSK體制，若對誤碼率要求的指標為10-5，則最低信噪比為14dB，靈敏度要求為-100dBm，接收機帶寬約為750kHz。實際接收機靈敏度設計指標可優(yōu)于-90dBm，考慮到平均功耗，發(fā)射機功率設計為30dBm。圖2展示了E22系列模塊在LORA擴頻通信數(shù)據(jù)傳輸時遇到干擾物或障礙物后進入自動跳頻模式。

測試節(jié)點通過軟件可以設置成單次20min采集模式和7次3min采集模式，其中后者為常用模式也是默認模式。測試節(jié)點內(nèi)置可充電鋰電池，試驗前充滿電按爆轟當量的大小和傳感器量程布置在距爆心不同半徑處，中繼設備按地形和控制距離的遠近布置，以實現(xiàn)增程和避障作用，原則上中繼設備最多可以布置256個，但實際使用中一般不超過3個就可以實現(xiàn)10km內(nèi)的有效控制和避障。

3 原理樣機

在基礎理論研究和關鍵技術研究的基礎上，開發(fā)實用化原理樣機對基礎理論和關鍵技術進行驗證。實用化原理樣機開發(fā)流程分為系統(tǒng)設計、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)驗證3步。系統(tǒng)設計首先根據(jù)系統(tǒng)指標要求完成各模塊的設計生產(chǎn)加工，然后進行計算機程序開發(fā)同時確定系統(tǒng)工作時序，最后基于系統(tǒng)軟件仿真和半實物仿真平臺，對系統(tǒng)設計進行仿真評估/優(yōu)化。系統(tǒng)集成主要完成實用化原理樣機集成及整機性能實驗室測試，最后進行外場試驗驗證。無線沖擊波超壓測試系統(tǒng)50個測試節(jié)點如圖3所示。

4 試驗驗證

為驗證原理樣機的可行性，在某基地進行了一次50kg的TNT當量的爆轟試驗，在距爆心半徑12m和18m的位置分別布置3個無線測試節(jié)點和3個有線測試節(jié)點，遠程無線控制裝置放置在直線距離11.8km處，因爆點和遠程控制端有一個小山包，在山的一側(cè)和山的背后放2個中繼設備，6個測試節(jié)點點名、自檢和啟動正常，整個試驗準備時間53min，試驗結束后回收測試節(jié)點，測試結果和同一半徑有線測試結果相比較，壓力值和脈寬誤差范圍不超過5%（有線測試只測到4條完整有效的曲線）。圖4為無線沖擊波超壓測試節(jié)點不同半徑處沖擊波超壓曲線。

5 結論

采用無線管理和存儲測試相結合的沖擊波超壓測試系統(tǒng)節(jié)約了測試成本、縮短了準備時間、降低了信號干擾、提高了系統(tǒng)可靠性、實現(xiàn)了遠距離無線控制，在大當量戰(zhàn)斗部毀傷效果評估中優(yōu)勢明顯，經(jīng)過原型樣機和試驗驗證原理可行。

【參考文獻】

【1】張鋒.嵌入式高速串行總線技術：基于FPGA實現(xiàn)與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

【2】杜正闊，高寶君，何宗明.CadenceAllegro實戰(zhàn)攻略與高速PCB設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

【3】Stallings，William.Wireless communications and networks （無線通信與網(wǎng)絡）[M].北京：清華大學出版社，2003.