一種無線沖擊波超壓存儲測試系統

王波 胡燕

【摘? 要】沖擊波超壓測試是武器系統毀傷效果評估的重要手段，傳統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生干擾，影響其準確性。無線沖擊波超壓存儲測試系統，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約了測試成本，提前開機啟動方式避免了因觸發閾值設置過低造成的誤啟動和觸發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，會對真實的信號產生干擾;②戰斗部爆炸時彈片經常會擊中信號線，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，不利于寒區作業。怎樣高效、低成本、精準、可靠地獲得沖擊波超壓試驗數據，是大當量戰斗部毀傷評估試驗中迫切需要解決的問題。

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

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點狀態管理，群發啟動采集指令使測試節點同步時間小于4us;⑤單次20min和7次3min采集模式設置縮短了系統復位時間，可以一次記錄7個試驗數據后統一讀取，使1天內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包括測試節點、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。

測試節點由ICP壓力傳感器感受爆轟沖擊波產生相應的電信號，信號調理電路把ICP壓力傳感器產生的電信號經兩級放大后濾波處理以適應AD的輸入范圍，再由高速AD轉換器將調理后的模擬信號轉化成16位數字量，在控制器協同下將16位數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，斷電之前的數據有效可讀。無線收發模塊主要負責接收遠程控制設備發出的指令，當指令內包含的地址信息和自身地址相同時返回測試節點狀態信息[2]。電池經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讀數接口保證測試節點和計算機之間數據高速傳輸。測試節點原理如圖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，發射前自動檢測信道噪聲，噪聲超過閾值延時發送，可極大地提高模塊在惡劣環境下的通信成功率。模塊有RSSI信號強度指示功能，用于評估信號質量、改善通信網絡和測距，該功能亦可配合軟件實現手動LBT功能[3]。模塊內置低噪聲放大器（LNA）和功率放大器（PA），實現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于-90dBm，考慮到平均功耗，發射機功率設計為30dBm。圖2展示了E22系列模塊在LORA擴頻通信數據傳輸時遇到干擾物或障礙物后進入自動跳頻模式。

測試節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。測試節點內置可充電鋰電池，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10km內的有效控制和避障。

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流程分為系統設計、系統集成和系統驗證3步。系統設計首先根據系統指標要求完成各模塊的設計生產加工，然后進行計算機程序開發同時確定系統工作時序，最后基于系統軟件仿真和半實物仿真平臺，對系統設計進行仿真評估/優化。系統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50個測試節點如圖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個無線測試節點和3個有線測試節點，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，在山的一側和山的背后放2個中繼設備，6個測試節點點名、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節約了測試成本、縮短了準備時間、降低了信號干擾、提高了系統可靠性、實現了遠距離無線控制，在大當量戰斗部毀傷效果評估中優勢明顯，經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實現與應用[M].北京：電子工業出版社，2006.

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

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