多通道同步數據采集的大當量爆炸場參數光電測試系統

劉 秀，劉 吉，顏 兵，劉小彥，張 靜

(中北大學 電子測試技術重點實驗室，太原 030051)

【光學工程與電子技術】

多通道同步數據采集的大當量爆炸場參數光電測試系統

劉 秀，劉 吉，顏 兵，劉小彥，張 靜

(中北大學 電子測試技術重點實驗室，太原 030051)

針對戰斗部爆炸場破片速度等參數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信號源的多通道同步分布式數據采集系統；設計了光電觸發模塊將爆炸火光經過光電轉換，信號調理形成觸發信號源，多個數據采集單元的觸發模塊參數相同，保證其響應時間一致；采用多通道數據采集單元配合激光光幕破片數據采集可以構建多點測試系統；通過多次戰斗部破片速度測試試驗結果表明：在TNT當量為5 kg時，測試系統分別布設在距離爆心不同距離處，可以完成可靠觸發并獲得有效數據。

光電檢測；爆炸場；速度；數據采集

對戰斗部毀傷效能的評估常常采用靜爆實驗法對爆炸場產生沖擊波超壓和破片的速度分布等參數進行測試[1-3]。在破片速度測試時，由于測試現場環境惡劣，不同類型的戰斗部破片的飛散規律不盡相同，為實現破片速度參數的全面準確測量，需要在爆心周圍進行多點分布式同步測量系統[4-6]。當前，爆炸場多參數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，但在測量時容易引入干擾源且布設費時費力，試驗中容易損傷。GPS同步測量方法有測量設備體積小巧、全天候、精度高等優點，但是設備較為昂貴，操作復雜[7-9]。本文針對此問題，提出一種以爆炸火光作為觸發信號源的多通道分布式同步爆炸場參數測試方法。

1 爆炸場參數多通道同步測試系統

爆炸場參數多通道同步測試系統主要由觸發模塊、激光光幕破片速度參數測試儀、分布多通道數據采集系統、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(也可以根據測試需求改變半徑長度)。破片速度參數測試儀以激光模組作為主動光源，經過光學系統整形形成兩個矩形激光光幕，由它們形成相互平行、距離確定的有效區域，根據定距測時法進行速度測試。觸發模塊提供同步觸發信號，作為數據采集儀的啟動時刻，同步獲得破片過靶信號，進而處理得到破片速度參數。

圖1 測試系統示意圖

2 同步觸發模塊與控制程序

2.1 光電觸發信號源

光觸發模塊主要由光信號預處理部分、光電變換部分、信號調理部分、A/D變換部分組成。系統的光信號預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，并同時設計了聚光結構，光電變換部分的作用是將系統接收到的光通量進行變化，轉換成可用的電信號[11-12]，信號調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了模擬信號向數字信號的變換。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轉換，第二級完成主放大功能，放大倍數為

(1)

接收光強與爆心距離平方成反比，設置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實現了對輸出電平值的控制，可以根據實驗的具體需求適當調整R8、R9的阻值設置閾值VT,當背景光過強時，容易造成誤觸發，此時可以對VT進行調整。

(2)

圖2 光觸發電路原理圖

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，采用光學鏡頭完成爆炸火光的會聚。將光電傳感器與光電調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°，安裝相應的調節底座，實物如圖3所示。

圖3 光觸發系統信號預處理模塊實物

2.2 虛擬儀器的軟件實現

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置，設備自檢通過后啟動數據采集程序，否則系統自動返回初始階段重新判斷。數采程序啟動后，先完成采集參數配置，可以選擇默認參數配置或手動設置參數；而后系統進入待觸發狀態，如果接收到正常觸發信號，這組信號將被保存，否則系統也會自動返回到初始化設計后進行再判斷，并給予故障提示；被保存的有效信號經過數據緩存處理后可選擇是否生成報告[13-16]。

3 實驗驗證

以TNT當量為5 kg的戰斗部為研究對象，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，外加保護殼體和調整機構的光電觸發模塊采用磁鋼吸附于合作目標的框架之上，調整會聚方向對準爆心方向。獲得典型波形如圖6(a)、(b)所示，典型數據如表1所示。圖6中，顯示獲取的4個破片過靶波形，設置采樣率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的關系。

圖4 虛擬儀器軟件流程

圖5 系統現場布設圖

共進行了2組實驗，每組5發，每發均可靠觸發，在某些實驗中同時采用了斷線觸發的方式以比對觸發時刻的同步性，比對結果發現二者誤差在μs量級，達到了與采集設備采樣間隔時間可比擬的程度，滿足設計要求。

實驗在野外自然照明下進行，實驗中經歷了全天的不同光照強度(本地區光照度范圍：1.0×104～1.2×105lux)，沒有出現環境光誤觸發現象。但通過采集觸發信號發現，調整視場方向得到的原始光電信號幅度存在差異，實際使用時應該增加瞄準和調整機構以保證接收足夠的爆炸火光。

表1 實驗數據 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系統主模塊需要GPS發射器，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。在彈體固定觸發線分別引線至各個采集點的觸發的方式也十分可靠，但是每次實驗需要重現接線，實驗過程中經常出現觸發線被破片擊中而重新布設，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濟、可靠、實驗效率高，滿足大當量激光測試速度參數測試系統多通道同步測試的要求。

4 結論

本文提出了基于光觸發同步的多通道數據采集爆炸場參數測試技術，該技術利用爆炸時產生的瞬時火光作為觸發源完成多通道數據的同步采集，使用該方法與激光破片測速儀聯合使用可完成戰斗部破片速度的測試，專用的虛擬儀器軟件完成系統自檢和時序的控制。通過對5 kg戰斗部靜爆現場試驗，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，能保證測試數據的可靠捕捉，解決了以往多個觸發引線存在的費時費力可靠性差的問題。

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(責任編輯楊繼森)

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研究。

10.11809/scbgxb2017.01.030

劉秀，劉吉，顏兵，等.多通道同步數據采集的大當量爆炸場參數光電測試系統[J].兵器裝備工程學報，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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