沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)基高精度同步

劉 宇，李 順，李新娥 ，裴東興

(1.中北大學(xué)省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引言

傳統(tǒng)的存儲(chǔ)式測(cè)試系統(tǒng)憑借其布點(diǎn)靈活、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在沖擊波超壓測(cè)試中具有廣泛應(yīng)用[1-5]。但是多個(gè)測(cè)試裝置無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)部晶振同步，采樣時(shí)刻無法同步，存在時(shí)間基準(zhǔn)同步精度低的問題[6-8]，僅限應(yīng)用于時(shí)間精度要求較低的試驗(yàn)。已有的光纖觸發(fā)系統(tǒng)[9]目的在于，為沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)提供觸發(fā)信號(hào)的同時(shí)，以觸發(fā)時(shí)刻作為各個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的斷線觸發(fā)而言，光纖觸發(fā)線攜帶的是光信號(hào)而非電信號(hào)，具有更高的安全性。傳統(tǒng)斷線觸發(fā)存在導(dǎo)線已被炸斷，而爆炸產(chǎn)生的等離子體繼續(xù)導(dǎo)通電路的風(fēng)險(xiǎn)，相比之下光纖觸發(fā)具有更高的可靠性。多裝置聯(lián)合衛(wèi)星授時(shí)[10]，授時(shí)精度僅30 ns。光纖觸發(fā)系統(tǒng)和衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)，在一定程度上可改善時(shí)基同步性，但采樣時(shí)刻最大時(shí)間誤差為1 μs。針對(duì)已有方法的不足，提出光纖觸發(fā)與高精度算法結(jié)合的處理方法，以提高存儲(chǔ)式測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)基同步精度。

1 光纖觸發(fā)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)工作原理

光纖觸發(fā)系統(tǒng)由光纖觸發(fā)線、光纖傳輸線[11]和觸發(fā)箱組成。觸發(fā)箱內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)為CPLD、晶振、光電轉(zhuǎn)化模塊和電光轉(zhuǎn)換模塊。沖擊波超壓測(cè)試裝置內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)為FPGA、光電轉(zhuǎn)換模塊、晶振。光纖觸發(fā)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 光纖觸發(fā)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical fiber trigger system

在試驗(yàn)布場(chǎng)時(shí)，光纖觸發(fā)線纏繞在戰(zhàn)斗部上。光纖觸發(fā)線斷裂后，光電轉(zhuǎn)換模塊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿信號(hào)，CPLD在信號(hào)的下降沿，產(chǎn)生方波信號(hào)。電光轉(zhuǎn)換模塊將方波信號(hào)轉(zhuǎn)化為明暗相間的光信號(hào)。光纖傳輸線將明暗相間的光信號(hào)傳輸給沖擊波超壓測(cè)試裝置。沖擊波超壓測(cè)試裝置內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換模塊將明暗相間的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，方波的首個(gè)上升沿作為觸發(fā)信號(hào)。以方波信號(hào)而非一個(gè)單獨(dú)的上升沿信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，保證了系統(tǒng)的可靠觸發(fā)。

1.2 系統(tǒng)觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間分析

從光纖觸發(fā)線斷裂到?jīng)_擊波超壓測(cè)試裝置觸發(fā)之間的時(shí)間稱為觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間[12-13]T，主要由光信號(hào)傳輸時(shí)間Ta、觸發(fā)箱響應(yīng)時(shí)間Tb、沖擊波超壓測(cè)試裝置響應(yīng)時(shí)間Tc三部分構(gòu)成，即T=Ta+Tb+Tc。

光信號(hào)在普通石英材料光纖中的傳播速度約為2.07×108m/s。以布場(chǎng)距離12 m，光纖觸發(fā)線單程和光纖傳輸線總長(zhǎng)15 m為例，光信號(hào)傳輸時(shí)間Ta約為72 ns。

觸發(fā)箱響應(yīng)時(shí)間Tb由光電轉(zhuǎn)換時(shí)間Td、電光轉(zhuǎn)換時(shí)間Te和CPLD觸發(fā)判定時(shí)間Tf組成，即Tb=Td+Te+Tf。芯片手冊(cè)中指出，光電轉(zhuǎn)換時(shí)間Td和電光轉(zhuǎn)換時(shí)間Te均為5 ns。如圖2所示，Trigger1和Trigger2為觸發(fā)箱的觸發(fā)信號(hào)的兩種極端情況，Trigger1的上升沿在觸發(fā)箱CLK的上升沿后的極小一段時(shí)間，Trigger2的上升沿在觸發(fā)箱CLK的上升沿前的極小一段時(shí)間。為保證可靠觸發(fā)，CPLD經(jīng)歷兩個(gè)時(shí)鐘周期后才會(huì)發(fā)出信號(hào)。因此，觸發(fā)箱中CPLD觸發(fā)判定時(shí)間Tf為20～30 ns，觸發(fā)箱響應(yīng)時(shí)間Tb為30～40 ns。

圖2 觸發(fā)箱觸發(fā)信號(hào)和采樣時(shí)鐘的時(shí)序圖Fig.2 Timing diagram of trigger signal and clock of trigger box

沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間Tc由光電轉(zhuǎn)換時(shí)間Td和FPGA觸發(fā)判定時(shí)間Tg組成，即Tc=Td+Tg。為保證可靠觸發(fā)，F(xiàn)PGA接收到觸發(fā)信號(hào)后，經(jīng)歷兩個(gè)時(shí)鐘周期后進(jìn)行觸發(fā)采樣，因此FPGA觸發(fā)判定時(shí)間Tg為20～30 ns。沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間Tc為25～35 ns，觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間T為127～147 ns。

2 時(shí)基高精度同步算法

2.1 超采樣頻率計(jì)數(shù)法

GJB 6390.3—2008規(guī)定沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)的采樣率Fs≥1 MHz，理論上采樣率越高，同步效果越好。但受到傳感器響應(yīng)時(shí)間、諧振頻率等參數(shù)的限制，過高的采樣頻率并不能采集到更多有用的信息，反而會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過大，增大數(shù)據(jù)分析難度，因此目前主流的采樣頻率為1 MHz。

沖擊波超壓測(cè)試裝置的晶振為100 MHz。利用遠(yuǎn)大于采樣頻率(1 MHz)的計(jì)數(shù)頻率(100 MHz)對(duì)觸發(fā)時(shí)刻和觸發(fā)后第一個(gè)采樣時(shí)刻之間的時(shí)間間隔Ts進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)周期T1為10 ns，得到計(jì)數(shù)值N：

(1)

如圖3所示，以裝置a、b、c為例，不同的沖擊波超壓測(cè)試裝置CLK(采樣時(shí)鐘)的相位不同, 觸發(fā)箱向沖擊波超壓測(cè)試裝置發(fā)出的SG(觸發(fā)信號(hào))是同步的。通過N確定時(shí)間軸上不同裝置測(cè)試信號(hào)的先后順序， SG上升沿(觸發(fā)時(shí)刻)和CLK上升沿(采樣時(shí)刻)之間的時(shí)間差最小為10 ns，最大為1 000 ns，對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值N分別為1和100。因此，觸發(fā)時(shí)刻和觸發(fā)后第一個(gè)采樣時(shí)刻的時(shí)間間隔為N×T1，可將不同沖擊波超壓測(cè)試裝置采集到的數(shù)據(jù)在同一時(shí)間軸下高精度顯示。

圖3 裝置觸發(fā)信號(hào)和采樣時(shí)鐘的時(shí)序圖Fig.3 Timing diagram of trigger signal and sampling clock of device

2.2 線性插值法

沖擊波超壓測(cè)試裝置可以在時(shí)間維度上選擇SG上升沿時(shí)刻為觸發(fā)時(shí)刻，但在實(shí)際數(shù)據(jù)中，采樣點(diǎn)之間不存在數(shù)據(jù)。因此需要在兩個(gè)相鄰采樣點(diǎn)之間插入99個(gè)點(diǎn)，每個(gè)插入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值通過線性插值法[14]求得。

(2)

式(2)中，n=1,2,…,99,代表插值點(diǎn)數(shù)；Xa=0，Xb=100；Ya為相鄰前一個(gè)采樣點(diǎn)的采樣值；Yb為相鄰后一個(gè)采樣點(diǎn)的采樣值；將X1=1，X2=2，…，X99=99分別代入Xn，即可得到每一個(gè)插值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值Y1，Y2，…，Y99。

沖擊波超壓測(cè)試裝置晶振頻率為100 MHz，超采樣頻率計(jì)數(shù)法的最大時(shí)間誤差為10 ns，觸發(fā)箱最大響應(yīng)時(shí)間誤差為10 ns，裝置最大響應(yīng)時(shí)間誤差為10 ns。測(cè)試系統(tǒng)的最大時(shí)間誤差為30 ns。同一試驗(yàn)下，裝置之間的最大同步誤差為20 ns。其中，F(xiàn)PGA響應(yīng)時(shí)間誤差10 ns，超采樣頻率計(jì)數(shù)法時(shí)間誤差為10 ns。本文采用的高精度同步算法，同時(shí)擁有著低頻采樣數(shù)據(jù)量低，高頻采樣響應(yīng)速度高和時(shí)間精度高的優(yōu)點(diǎn)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

20 kg TNT炸藥在無邊界的空中爆炸，裝藥的高度為1.5 m，進(jìn)行沖擊波超壓測(cè)試。距爆心的地面水平投影距離5 m位置處布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，一個(gè)傳感器分別與兩個(gè)沖擊波超壓測(cè)試裝置T1和T2連接，即兩個(gè)裝置記錄同一個(gè)傳感器的輸出。裝置布設(shè)示意圖如圖4所示。

圖4 裝置布設(shè)示意圖Fig.4 Layout diagram of devices

距爆心的地面水平投影距離6、7、9、12 m位置處，每個(gè)距離處布設(shè)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，放置兩個(gè)沖擊波超壓測(cè)試裝置A1、A2，B1、B2，C1、C2，D1、D2。具體布設(shè)如圖5所示。

沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)具有負(fù)延時(shí)[15]功能，即可以記錄觸發(fā)前8 s的數(shù)據(jù)。為了在數(shù)據(jù)格式中區(qū)分負(fù)延時(shí)的數(shù)據(jù)和觸發(fā)后的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)格式中加入了觸發(fā)標(biāo)志位。觸發(fā)之前數(shù)據(jù)中的觸發(fā)標(biāo)志位為0，觸發(fā)后為1。讀取各個(gè)沖擊波超壓測(cè)試裝置測(cè)得的數(shù)據(jù)，其計(jì)數(shù)值N如表1所示。

表1 各測(cè)點(diǎn)裝置的計(jì)數(shù)值NTab.1 Count value N of devices at each measuring point

以T1沖擊波超壓測(cè)試裝置為例，通過觸發(fā)標(biāo)志位找到觸發(fā)前的最后一個(gè)采樣點(diǎn)和觸發(fā)后的第一個(gè)采樣點(diǎn)。如圖6所示，兩個(gè)采樣點(diǎn)之間通過線性插值插入了99個(gè)點(diǎn)，其中第88個(gè)插值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為0時(shí)刻基準(zhǔn)，代入表1中N=12，觸發(fā)時(shí)刻和觸發(fā)后第一個(gè)采樣時(shí)刻的時(shí)間間隔為N×T1=120 ns。

圖6 插值計(jì)數(shù)示意圖Fig.6 Schematic diagram of interpolation counting

將T1、T2測(cè)試裝置采集的數(shù)據(jù)值繪制成超壓曲線。同一傳感器采集的壓力信號(hào)是唯一確定的，不同裝置采集到的壓力值原則上應(yīng)該相同；但由于裝置之間的采樣時(shí)鐘存在相位差，使得同一傳感器連接的不同裝置所測(cè)得的超壓曲線在時(shí)間上有較大差異。以第3 947個(gè)采樣點(diǎn)為例，兩裝置在此采樣點(diǎn)的壓力值不同，如圖7所示。

圖7 5 m處時(shí)基高精度同步算法處理前的超壓曲線Fig.7 Overpressure curve before processing with time base high-precision synchronous algorithm at 5 m

利用時(shí)基高精度同步算法，對(duì)裝置T1、T2采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)基同步處理，結(jié)果如圖8所示。時(shí)基高精度同步算法處理后的兩條壓力曲線更逼近于一條特定的壓力曲線。T1、T2裝置的超壓曲線得到了很高的一致性。T1、T2裝置的第3 947個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)際采樣時(shí)刻分別為觸發(fā)后的3 947 120和3 947 620 ns。

圖8 5 m處時(shí)基高精度同步算法處理后的超壓曲線Fig.8 Overpressure curveafter processing with time base high-precision synchronous algorithm at 5 m

將所有裝置測(cè)得的超壓曲線繪制在同一個(gè)時(shí)間軸下，如圖9所示，直觀地展現(xiàn)出沖擊波到達(dá)各測(cè)點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間以及超壓峰值，為沖擊波傳播規(guī)律的研究提供依據(jù)。

圖9 所有測(cè)點(diǎn)超壓曲線Fig.9 Overpressure curves of all measuring points

圖10—圖13分別為測(cè)點(diǎn)A1、A2，B1、B2，C1、C2，D1、D2沖擊波到達(dá)時(shí)刻細(xì)節(jié)圖(單位：ns)。

圖10 A1、A2測(cè)點(diǎn)沖擊波到達(dá)時(shí)刻細(xì)節(jié)圖Fig.10 Detailed drawing of shock wave arrival time of A1 and A2measuring points

圖11 B1、B2測(cè)點(diǎn)沖擊波到達(dá)時(shí)刻細(xì)節(jié)圖Fig.11 Detailed drawing of shock wave arrival time of B1 and B2 measuring points

圖12 C1、C2測(cè)點(diǎn)沖擊波到達(dá)時(shí)刻細(xì)節(jié)圖Fig.12 Detailed drawing of shock wave arrival time of C1 and C2 measuring points

圖13 D1、D2測(cè)點(diǎn)沖擊波到達(dá)時(shí)刻細(xì)節(jié)圖Fig.13 Detailed drawing of shock wave arrival time of D1 and D2measuring points

由圖10—圖13分析：測(cè)點(diǎn)A1、A2處沖擊波到達(dá)時(shí)間相差20 ns；測(cè)點(diǎn)B1、B2處沖擊波到達(dá)時(shí)間相差6 340 ns；測(cè)點(diǎn)C1、C2處沖擊波到達(dá)時(shí)間相差6 130 ns；測(cè)點(diǎn)D1、D2處沖擊波到達(dá)時(shí)間相差30 890 ns。

考慮到布設(shè)測(cè)點(diǎn)位置存在距離誤差，測(cè)點(diǎn)B1、B2，C1、C2，D1、D2處沖擊波傳播速度約為550、470、350 m/s，若測(cè)點(diǎn)位置存在1 cm距離誤差，將會(huì)造成18、21、28 μs時(shí)間誤差。圖10—圖13的時(shí)間誤差在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

針對(duì)存儲(chǔ)式?jīng)_擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)間時(shí)基不能高精度同步的問題，提出一種光纖觸發(fā)與高精度同步算法結(jié)合的處理方法。

1) 該方法使得存儲(chǔ)式?jīng)_擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間小于150 ns，其中光信號(hào)在15 m光纖上的傳輸時(shí)間約為72 ns，觸發(fā)箱的響應(yīng)時(shí)間為30～40 ns，測(cè)試裝置的響應(yīng)時(shí)間為25～35 ns。

2) 該方法將測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間誤差控制在30 ns內(nèi)，其中觸發(fā)箱中CPLD的響應(yīng)時(shí)誤差為10 ns，測(cè)試裝置中FPGA的觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間誤差為10 ns，超采樣頻率計(jì)數(shù)法的最大時(shí)間誤差為10 ns，提升了測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精度，可滿足絕大部分測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)基同步精度要求。

3) 該方法既滿足了采樣精度的要求，數(shù)據(jù)量小，提高了數(shù)據(jù)分析的效率，又提高了時(shí)間基準(zhǔn)的同步精度，為沖擊波傳播規(guī)律的研究提供依據(jù)。