子母彈拋撒過程的存儲遙測方法

原曉潔，范錦彪，張翠芳

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

子母彈子彈的拋撒過程的運動參數對于子彈的精確制導、準確打擊目標都是非常關鍵的因素。運動參數有子彈受到的沖擊加速度和在空中的飛行姿態等［1］。采集記錄數據的方法通常有無線實時傳輸和存儲測試方法。無線實時傳輸方法是將傳感器和發射機放在拋撒彈上，接收機和計算機等設備遠離實驗現場［2］。存在的問題：子母彈大多是通過拋撒藥爆炸驅動，會伴有爆炸等高過載行為，炸藥爆炸瞬間釋放出大量的熱能和高溫高壓氣體，并伴隨強大的沖擊波，會影響無線電波，導致數據無法正常傳輸，計算機收到的數據不完整（丟包嚴重）。存儲測試方法是將傳感器、A／D轉換器、存儲器等電路組成為一個微型化測試裝置置于拋撒現場，記錄完畢后，回收并從裝置上讀取數據［3］。不足之處有：1）回收過程耗時長甚至可能無法回收；2）下次實驗需再次安裝，費時費力且增加了實驗的不穩定因素；3）無法實時獲得測試數據，存在意外掉電丟失數據的可能。因此針對以上方法的不足和優點，提出了存儲遙測方法。

1 存儲測試與遙測

子母彈子彈的拋撒過程中，一般會伴有高過載或火箭發射等較強的沖擊波影響，通用的測試儀器不能做近場測試，因此常采用存儲測試技術和遙測技術［4］。

1.1 存儲測試技術

存儲測試技術是指在對被測對象無影響或影響在允許范圍的條件下，在被測體內置入微型數據采集與存儲測試裝置，現場實時完成信息的快速采集與記錄，事后回放記錄儀中的數據，由計算機處理和再現測試信息的一種動態測試技術［5］。

存儲測試由調理電路、放大電路、A／D轉換器、存儲器和控制器組成。該單元采集傳感器輸出的信號并經過調理、放大和A／D轉換后存入存儲器。存儲測試技術的原理框圖如圖1所示。

圖1 存儲測試裝置的框圖Fig.1 Block diagram of memory test module

1.2 遙測技術

遙測技術是對相隔一定距離的對象的參量進行檢測并把測得結果傳送到接收地點的技術。隨著射頻技術、集成電路技術的發展，無線通信功能的實現越來越容易，數據傳輸速度也越來越快，并且逐漸達到可以和有線網絡相媲美的水平。而同時有線網絡布線麻煩，線路故障難以檢查，設備重新布局就要重新布線，且不能隨意移動等缺點越發突出。在向往自由和希望隨時隨地進行通信的今天，人們把目光轉向了遙測方式，尤其是一些人們不方便隨時到達現場的地方［6］。遙測系統分為檢測發射部分和接收部分，遙測系統原理框圖如圖2所示［7］。

圖2 遙測系統的框圖Fig.2 Block diagram of telemetry system

2 子彈存儲遙測

2.1 存儲遙測原理

存儲遙測方法結合了存儲測試和遙測的優點，是在爆炸拋撒瞬間先把數據存儲起來，避開影響無線電波的時刻，子彈在空中飛行過程中無線傳輸數據。

該測試裝置由存儲測試電路和無線收發電路組成。具體工作原理是存儲測試電路采集并保存傳感器采集到的數據，無線收發電路在數據保存完畢后從存儲測試單元中讀取數據，并發射出去。裝置的總體框圖如圖3所示。

圖3 系統總體框圖Fig.3 Overall system block diagram

傳感器采集子彈上的各種參數，通過調理、A／D轉換后存入存儲器，CPLD是整個電路時序的核心器件，主要用于需要同時完成的同步信號如地址發生器、時鐘分頻等的數字邏輯。通過程序設置比較器閾值電壓，當傳感器輸入信號大于閾值時，CPLD控制存儲器存入觸發時刻以后1s的數據，隨即CPLD控制存儲電路進入微功耗狀態（數據處于保持態），同時給單片機發送標志信號，可以讀取數據。單片機感應到標志信號后，控制存儲器讀出數據并通過無線發射出去，接收機接收信號并存入計算機。

在實驗前，整個系統處于超低功耗，無線芯片處于睡眠，存儲電路處于下電狀態。實驗開始時，計算機發送指令喚醒無線芯片，存儲電路開始上電，進入待觸發狀態。當采集到數據后，電路觸發同時CPLD控制存儲電路進入微功耗，單片機從存儲器中讀取數據并通過無線發射出去，當數據發射出去后，無線芯片進入微功耗，再次讀數需要再次喚醒。所以電路只有在工作時電流很大，完成工作后，電路就進入微功耗狀態，電流只有幾個微安。存儲遙測裝置一旦安裝好，就可以進行多次實驗。

存儲器采用靜態高速存取的SRAM（靜態存儲器），具有讀寫速度快、數據存儲可靠、讀寫操作簡單、不用擦除等優點。在實際電路中選擇的存儲器容量通常偏大，實驗時有時采集到的有效數據比較少，用大容量存儲器不僅會造成一定程度的浪費而且加長了數據的傳輸時間。在系統中用CPLD程序改變存儲器的存儲地址，實現了一片存儲器可根據實際需要存儲不同長度的數據，使用起來更加方便靈活。

2.2 存儲遙測裝置

存儲遙測裝置是直徑60mm，高66mm的金屬圓柱體，存儲遙測電路灌封在圓柱體內部，外部只留有傳感器接口、天線接口、讀數口、充電口和操作面板。存儲遙測裝置如圖4所示。

圖4 存儲遙測裝置圖Fig.4 Storage telemetry device

無線收發的一大難點就是發射端天線的選擇，由于是做爆炸拋撒實驗，子彈在拋撒后會硬著陸，普通天線在爆炸和著陸這兩個時刻極容易損壞，影響數據的傳輸。所以設計了在子彈表面覆銅做環形天線，有效地降低了天線的損壞。如果實驗中天線出現輕微的損傷不會影響無線電波的傳播，保證了數據的可靠傳輸。在主機接收端采用傳統的桿式天線。讀數口用于在測試中天線毀壞時，數據可以由單片機控制通過數據口傳輸給計算機。

3 測試驗證

為了驗證此方法的可行性，進行了相應的模擬彈燃氣囊拋撒實驗，實驗時只采集了拋撒過程中子彈受到的加速度信號。在拋撒的同時采用高速攝影機拍攝拋撒的整個過程，攝影機最快一秒可拍五萬張照片，精度非常高，用于跟系統采集數據進行比較。模擬彈的燃氣囊裝置如圖5所示。

圖5 模擬彈燃氣囊裝置Fig.5 Simulated bomb gas capsule unit

圖5中可看到兩個模擬彈、炸藥引爆點、天線安裝點，存儲遙測裝置安裝在模擬彈內部，加速度傳感器固定在模擬彈內表面的孔中，如圖6、圖7所示。

圖6 模擬彈側視圖Fig.6 Side view of simulated bomb

圖7 模擬彈內部結構圖Fig.7 Simulated bomb internal structure

實驗時只在一個模擬彈上安裝了兩套電路，兩幅天線，四個傳感器，同時采集彈兩頭正反兩面受到的四種加速度信號，圖8、圖9顯示了一頭的正反方向的兩組信號。

通過多次實驗表明，數據都能完好地傳回計算機，圖8、圖9為一次丟點實驗數據，圖中數據共1 024個點，其中有兩個丟點，丟點處按前一個點的數據進行了補點，總體數據良好。從圖中數據可見在爆炸瞬間有很高的波峰，沖擊波在試驗彈內部不停地回蕩，所以會看到來回波動的曲線，曲線迅速衰減，20ms后幾乎為零。從圖中曲線可分析得出爆炸產生的沖擊波對子彈的作用時間非常短暫，且峰值很大。

圖8 正面傳感器采集的數據Fig.8 Collected data by positive sensor

圖9 反面傳感器采集的數據Fig.9 Collected data by negative sensor

電路的精度提前進行了標定，利用電荷校準儀給出的標準電荷值（pc），在軟件界面圖型上顯示出相應的比特（bit）值，可計算出電路的靈敏度X（pc／bit），傳感器的靈敏度為Y（g／pc）。系統的靈敏度Z（g／bit）＝Y·X。試驗后只要知道采集到的比特值，就可推算出加速度值a。軟件編寫時已加入此算法，所以圖8和圖9中只看到加速度值。加速度值通過，可得子彈拋撒過程的速度v。高速攝影A機拍出的照片經過簡單的計算和處理，也可得子彈拋撒過程的速度vB。以照相機算出的速度為標準，比對各個時刻的速度，系統的相對誤差為×100%≈1%，可得出系統的誤差很小。

4 結論

本文提出了子母彈子彈爆炸拋撒環境下的存儲遙測方法。該方法用于遠距離采集各種參數，先存儲采集到的信號然后再通過無線傳輸的方式傳回主機。實驗證明，該方法在燃氣囊拋撒等惡劣環境下出色地完成了存儲遙測的任務，能夠完整地存儲子彈受到的加速度、角度和角速度等參數，并及時傳回主機，實時監測測試裝置，遠程控制，具有操作簡單、微功耗、抗干擾能力強、誤碼率低的特點，解決了傳統方法干擾大、安裝困難、無法及時獲取數據的問題。該方法在其他爆炸測試領域有很好的應用前景和推廣價值，下一階段，本文將圍繞遠距離的無線傳輸展開研究。

［1］TAN Dacheng，YUAN Zengfeng.Cluster Warhead Dispersing Technique and Its Interior Ballistic Calculation［J］.Journal of Beijing Institute of Technology （English Edition），2000，09（03）：273－277.

［2］高仁璟，劉國新，唐禎安.基于Si4432的無線射頻遙控系統設計［J］.通信技術，2010，43（10）：137－139.GAO Renjing，LIU Guoxin，TANG Zhen’an.Design of RF remote control system based on Si4432［J］.Communications Technology，2010，43（10）：137－139.

［3］劉鑫，孔德仁，蔣東東.基于CPLD三維加速度存儲測試方法研究［J］.電子測量技術，2010，33（03）：99－101.LIU Xin，KONG Deren，JIANG Dongdong.Stored testing and measuring of three－axis acceleration based on CPLD［J］.Electronic Measurement Technology，2010，33（03）：99－101.

［4］朱仕永.導彈囊拋子彈動態參數測試及姿態仿真研究［D］.太原：中北大學，2009.

［5］丁永紅.近距離無線遙測技術研究［D］.太原：中北大學，2008.

［6］黃智偉.無線發射與接收電路設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［7］李文仲，段朝玉.C8051F系列單片機與短距離無線數據通信［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.