翟 永,翟 濤,王代華*,夏永樂,賈振華,王 瑞
(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原030051;2.東方電氣新能源有限公司,甘肅酒泉735000)
爆炸場(chǎng)沖擊波超壓測(cè)試作為評(píng)價(jià)武器系統(tǒng)、工程爆破的有效手段,在工程領(lǐng)域特別是軍工領(lǐng)域有著重要的作用。針對(duì)爆炸沖擊波測(cè)試,當(dāng)前以引線電測(cè)技術(shù)和存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)為主[1-4]。引線電測(cè)技術(shù)存在著布置電纜耗時(shí)耗力的問題,而且電起爆信號(hào)和爆炸產(chǎn)生的電磁干擾極易通過長電纜耦合進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng),引入噪聲甚至虛假信號(hào)。存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)將傳感器與小型數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊集成一體,有效地避免了引線電測(cè)技術(shù)的弊端[5],但在智能化方面仍顯不足:比如無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)狀態(tài),現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)編程、數(shù)據(jù)讀取缺乏靈活性,數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)時(shí)間長等[6-9]。為克服以上兩種方法的不足,研制了一種遠(yuǎn)程無線沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng),并通過了靶場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)的驗(yàn)證。
爆炸沖擊波是爆炸瞬間形成的高溫火球猛烈向外膨脹、壓縮周圍空氣形成的高壓氣浪。近地爆炸沖擊波壓力信號(hào)具有上升沿陡峭、初值高、衰減快、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)[7],測(cè)試系統(tǒng)必須具備極快的響應(yīng)速度和寬工作頻帶,才能保證信號(hào)不失真。
本系統(tǒng)主要針對(duì)大當(dāng)量戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波進(jìn)行研制,測(cè)試難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①不同于小當(dāng)量爆炸試驗(yàn),可在距爆心幾十米處的掩體內(nèi)通過電纜直接操控測(cè)試儀器;大當(dāng)量爆炸試驗(yàn)一般不允許試驗(yàn)人員停留在爆炸場(chǎng)附近,對(duì)測(cè)試儀器的實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作只能采用無線遙控。②爆炸場(chǎng)環(huán)境相當(dāng)惡劣,要測(cè)試地面沖擊波,天線及測(cè)試設(shè)備必須要小型化、高防護(hù)、嵌入地面放置;測(cè)試時(shí)為保證人身安全,測(cè)試人員需在距離爆心數(shù)公里以外的安全區(qū)域操作[10],因此要求測(cè)試系統(tǒng)的無線傳輸距離要足夠遠(yuǎn)。③天線小,而且又貼近地面,導(dǎo)致發(fā)送的大部分電磁波能量被大地吸收,加劇了無線信號(hào)的繞射損耗,造成通信速率和通信距離的直線下降。
測(cè)試系統(tǒng)由無線主控端、中繼站及多個(gè)具有無線功能的智能測(cè)試節(jié)點(diǎn)(無線子系統(tǒng))組成,系統(tǒng)工作原理及現(xiàn)場(chǎng)分布狀態(tài)如圖1所示。在靶場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí),子系統(tǒng)均布設(shè)于爆炸現(xiàn)場(chǎng),中繼站距離子系統(tǒng)150 m左右,無線主控端布設(shè)在2 km處,全場(chǎng)使用無線WIFI技術(shù)進(jìn)行通信。中繼站作為延長網(wǎng)絡(luò)通信的橋梁,可使主控端在安全距離外通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的調(diào)試、參數(shù)設(shè)定及狀態(tài)監(jiān)測(cè);測(cè)試節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成對(duì)沖擊波數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ),并將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)及時(shí)發(fā)送回主控端。
圖1 無線控制的沖擊波測(cè)試系統(tǒng)
測(cè)試節(jié)點(diǎn)采用存儲(chǔ)測(cè)試原理設(shè)計(jì)[11],主要負(fù)責(zé)完成沖擊波超壓信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和傳輸任務(wù),包括傳感器、適配電路、A/D轉(zhuǎn)換器、SDRAM存儲(chǔ)器、FPGA控制器、USB接口、無線模塊、電源管理模塊等,工作原理如圖2所示。
圖2 測(cè)試節(jié)點(diǎn)內(nèi)部原理
根據(jù)沖擊波壓力信號(hào)的特點(diǎn),選擇PCB公司的113系列ICP壓力傳感器作為測(cè)試節(jié)點(diǎn)的敏感元件,該傳感器響應(yīng)速度快、測(cè)試精度高,非常適合沖擊波壓力信號(hào)的測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如表1所示。
表1 測(cè)試系統(tǒng)主要指標(biāo)
系統(tǒng)工作過程:試驗(yàn)前,依據(jù)爆炸當(dāng)量和測(cè)試距離將各測(cè)試節(jié)點(diǎn)分別布設(shè)于指定位置,主控端以IP地址作為身份識(shí)別代碼,通過無線網(wǎng)絡(luò)有區(qū)別地對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定,包括放大倍數(shù)、采樣頻率、觸發(fā)電平、存儲(chǔ)長度、負(fù)延時(shí)長度、定時(shí)時(shí)間等;參數(shù)設(shè)置完成后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入定時(shí)狀態(tài),自動(dòng)關(guān)閉無線,系統(tǒng)禁止觸發(fā);定時(shí)結(jié)束后,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入循環(huán)采樣階段,開始全速工作;沖擊波信號(hào)使系統(tǒng)觸發(fā)后,有效數(shù)據(jù)被順序?qū)懭氪鎯?chǔ)器中;寫數(shù)據(jù)完成,系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉采樣模塊,同時(shí)開啟無線開關(guān),主控端可以通過無線網(wǎng)絡(luò)第一時(shí)間獲知現(xiàn)場(chǎng)各測(cè)試節(jié)點(diǎn)的狀態(tài),并將超壓數(shù)據(jù)讀回。
WIFI符合IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn),是一種短距離無線通信技術(shù),工作在2.4GHz的ISM自由頻段,采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)[12-13],具有傳輸速率快、覆蓋范圍廣、帶寬自動(dòng)調(diào)整、組網(wǎng)便捷、擴(kuò)展性好等特點(diǎn),而且通過一系列的沖突避免和確認(rèn)、錯(cuò)誤重發(fā)機(jī)制保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性,可為系統(tǒng)主控端與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的相互通信提供良好的網(wǎng)絡(luò)保障。
無線WIFI的組網(wǎng)模式有Ad-hoc模式和Infra模式兩種。測(cè)試系統(tǒng)主控端要同時(shí)對(duì)遠(yuǎn)程的若干測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制,故采用集中控制式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),此網(wǎng)絡(luò)由AP和無線終端共同組建,其中AP作為無線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者和中心節(jié)點(diǎn),用于在主控端和測(cè)試節(jié)點(diǎn)之間接收、緩存和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),所有的無線通信都由AP來處理和完成。無線通信時(shí)測(cè)試節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)接收并執(zhí)行相應(yīng)的指令,比如狀態(tài)監(jiān)測(cè)、參數(shù)設(shè)置、回讀數(shù)據(jù)等;主控端負(fù)責(zé)發(fā)送指令,并接收測(cè)試節(jié)點(diǎn)發(fā)回的數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)選用某串口轉(zhuǎn)WIFI模塊作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)模塊,它支持IEEE802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn),內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧,串口波特率最高達(dá)921 600 bit/s,具有體積小、功耗小等特點(diǎn)。系統(tǒng)選用的無線AP支持IEEE802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn),內(nèi)置MIMO定向雙極化天線,增益為10.4 dBi~11.2 dBi,AP覆蓋距離遠(yuǎn),支持客戶端模式和中繼模式,可與其他AP通信,延伸網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,適合搭建基于WIFI的遠(yuǎn)距離無線分布式測(cè)試系統(tǒng)。無線模塊和AP的配置參數(shù)如表2、表3所示。
表2 無線模塊配置
表3 AP配置
LabVIEW集成了豐富的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、顯示等工具包,內(nèi)置了多種通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù),提供了強(qiáng)大的傳統(tǒng)程序調(diào)試工具和外部程序接口能力[14-15],因此本系統(tǒng)的上位機(jī)以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái),結(jié)合內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與無線模塊的數(shù)據(jù)通信。在LabVIEW中可直接調(diào)用TCP模塊完成程序的編寫,無需考慮網(wǎng)絡(luò)的底層實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)TCP/IP協(xié)議的內(nèi)容和傳輸格式,上位機(jī)與子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)要確定每個(gè)子系統(tǒng)的IP地址、通信源端口及目標(biāo)端口,也就是套接字Socket,從而實(shí)現(xiàn)面向連接的端口對(duì)端口的數(shù)據(jù)通信。Socket技術(shù)有效地實(shí)現(xiàn)了主控端PC機(jī)與測(cè)試節(jié)點(diǎn)之間不同應(yīng)用程序的相互通信。采用Socket連接時(shí),主動(dòng)發(fā)起連接請(qǐng)求方為客戶端,被動(dòng)接受連接請(qǐng)求方為服務(wù)端。本系統(tǒng)應(yīng)用于多節(jié)點(diǎn)分布式測(cè)試場(chǎng)合,為避免多個(gè)客戶端同時(shí)對(duì)服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求,發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁堵現(xiàn)象,導(dǎo)致請(qǐng)求超時(shí)、無法建立Socket通信等問題,將測(cè)試節(jié)點(diǎn)的無線模塊設(shè)置為服務(wù)器模式,上位機(jī)設(shè)置為客戶端模式。
以讀取數(shù)據(jù)為例來說明上位機(jī)與子系統(tǒng)無線模塊的通信過程,各測(cè)試節(jié)點(diǎn)采集完數(shù)據(jù)后并沒有立刻上傳,而是暫時(shí)保存于內(nèi)部存儲(chǔ)器中,同時(shí)監(jiān)聽并等待接收上位機(jī)的連接請(qǐng)求。無線網(wǎng)絡(luò)建立后,上位機(jī)以選定IP地址的方式對(duì)某一個(gè)或多個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)發(fā)起連接請(qǐng)求,測(cè)試節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)建立Socket通信后,開始傳送數(shù)據(jù)。圖3為測(cè)試節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的Socket通信流程圖。
圖3 Socket通信流程圖
針對(duì)靶場(chǎng)環(huán)境對(duì)無線通信的特殊要求,本文采用以下措施來增加無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離:①在無線模塊與天線之間增加雙向功率放大器,一方面將輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大,得到足夠大的射頻輸出功率后通過天線輻射出去;另一方面通過放大微弱的接收信號(hào)來提高接收靈敏度。②強(qiáng)大的沖擊波極易對(duì)測(cè)試系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損傷,為防止天線被沖擊波毀壞,采用PCB定向天線嵌入子系統(tǒng)表面(圖5中測(cè)試節(jié)點(diǎn)上表面的黑色條狀物),定向天線能將天線的輻射能量集中在一個(gè)方向,增加了輻射功率的有效利用率,而且較短的電纜也減少了對(duì)射頻信號(hào)的損耗。③由于測(cè)試節(jié)點(diǎn)全部布設(shè)于地面,大部分射頻信號(hào)被地面吸收和反射,導(dǎo)致單個(gè)AP對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的覆蓋距離縮短為一百米左右,難以滿足主控端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制要求。如果利用單個(gè)橋接器作為中繼器,由于雙向通信會(huì)共享帶寬,通信的實(shí)際帶寬分成了兩半,不利于數(shù)據(jù)的高效傳輸。本文采用兩個(gè)橋接器背靠背組成中繼點(diǎn),其中一個(gè)AP工作在客戶端模式,作為信號(hào)接收器接收主控端AP的無線信號(hào),另一個(gè)AP采用覆蓋模式,用來對(duì)無線節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行覆蓋。此種模式能夠有效實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的放大和延伸,使無線傳輸距離達(dá)到兩公里,有效解決了通信距離上的問題。④通過反復(fù)試驗(yàn),適度增加AP與地面的垂直距離,即將AP的物理高度增加,可有效地減少地面對(duì)射頻信號(hào)的吸收和反射。
AP與上位機(jī)和無線子系統(tǒng)的通信原理如圖4所示,AP與測(cè)試節(jié)點(diǎn)的通信試驗(yàn)照片如圖5所示。
圖4 系統(tǒng)無線通信原理
圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片
測(cè)試節(jié)點(diǎn)內(nèi)部包含了多種電路,不同功能電路的工作電壓不同,為了延長系統(tǒng)工作時(shí)間,需要采取相應(yīng)措施盡可能降低內(nèi)部電路的功耗。
由于測(cè)試對(duì)象特殊,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)備工作要耗費(fèi)很長時(shí)間。測(cè)試節(jié)點(diǎn)布設(shè)完成后,測(cè)試人員需要提前撤離現(xiàn)場(chǎng),爆炸后方可進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)。傳統(tǒng)的測(cè)試節(jié)點(diǎn)上電即開始全速工作,如果彈藥爆炸前的準(zhǔn)備工作過多,測(cè)試節(jié)點(diǎn)就會(huì)在長時(shí)間的等待中耗費(fèi)大量電量,可能出現(xiàn)爆炸前電量已耗完的情況,導(dǎo)致測(cè)試任務(wù)失敗。但是測(cè)試人員在撤離前必須給測(cè)試節(jié)點(diǎn)上電,本文設(shè)計(jì)了定時(shí)上電功能來解決這個(gè)問題。
測(cè)試節(jié)點(diǎn)上電后對(duì)其進(jìn)行定時(shí)參數(shù)設(shè)定,設(shè)定完成即進(jìn)入超低功耗的定時(shí)狀態(tài),只有FPGA、晶振在工作,傳感器、適配電路、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等器件都不工作,待預(yù)設(shè)時(shí)間到來后才進(jìn)入全速工作模式。由于試驗(yàn)前的等待時(shí)間一般比較長,定時(shí)上電功能會(huì)節(jié)省大量電量,為后續(xù)的采集存儲(chǔ)任務(wù)留有余量。
測(cè)試節(jié)點(diǎn)各階段工作狀態(tài)如圖6所示。測(cè)試節(jié)點(diǎn)布設(shè)完成后,主控端要對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和參數(shù)編程設(shè)定,測(cè)試節(jié)點(diǎn)上電的同時(shí)也打開無線開關(guān)。由于無線模塊功耗較大,設(shè)置無線模塊在空閑時(shí)處于低功耗狀態(tài),僅在需要發(fā)射信號(hào)時(shí)才進(jìn)入正常工作狀態(tài);同時(shí)為了防止爆轟區(qū)電離場(chǎng)對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生影響,定時(shí)功能開啟后,無線自動(dòng)關(guān)閉。
圖6 系統(tǒng)工作狀態(tài)圖
圖6所示,測(cè)試節(jié)點(diǎn)工作在定時(shí)狀態(tài)和循環(huán)記錄狀態(tài)時(shí),主控端無法通過無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)。從定時(shí)開始到系統(tǒng)觸發(fā)這段時(shí)間,無線處于關(guān)閉狀態(tài),一方面盡可能降低系統(tǒng)功耗,另一方面可防止爆轟區(qū)電離場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。彈藥爆炸后沖擊波使系統(tǒng)內(nèi)觸發(fā),該觸發(fā)信號(hào)作為開關(guān)信號(hào)使測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)入順序記錄狀態(tài),同時(shí)開啟無線功能,無線網(wǎng)絡(luò)重新建立后,主控端便可通過無線監(jiān)測(cè)各測(cè)試節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、讀取記錄數(shù)據(jù)。
為了評(píng)估本系統(tǒng)的可靠性,對(duì)某彈的靜爆試驗(yàn)進(jìn)行了沖擊波測(cè)試。參照相關(guān)國軍標(biāo)[16-17]要求,測(cè)試節(jié)點(diǎn)距爆心徑向分布于30°和120°兩個(gè)方向,測(cè)試距離分別為30 m和60 m。測(cè)試節(jié)點(diǎn)敏感面向上,與地面平齊,彈藥放于高0.5 m的鐵架上。測(cè)試節(jié)點(diǎn)布設(shè)完成后,主控端通過無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行定時(shí)時(shí)間、放大倍數(shù)、采樣頻率、存儲(chǔ)長度等參數(shù)的設(shè)置,爆炸結(jié)束后遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)狀態(tài),并將測(cè)試數(shù)據(jù)讀回。
圖7給出了本系統(tǒng)記錄的30 m和60 m處的地面沖擊波曲線,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況如表4所示。
圖7 沖擊波曲線
表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著測(cè)試距離的增大,沖擊波超壓峰值遞減,正壓持續(xù)時(shí)間卻增大,說明沖擊波速度在隨著傳播距離的增加逐漸衰減;由于測(cè)試場(chǎng)地的不平坦,相同距離的測(cè)試節(jié)點(diǎn)捕獲的沖擊波數(shù)據(jù)相差較大,真實(shí)反映了地面爆炸沖擊波的傳播規(guī)律。
與傳統(tǒng)的沖擊波測(cè)試系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)捕獲率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、無線通信距離遠(yuǎn)、操作方便、功耗低、可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試人員可通過無線WIFI遠(yuǎn)程監(jiān)控布設(shè)于爆炸現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試節(jié)點(diǎn)狀態(tài),設(shè)定參數(shù)和回讀數(shù)據(jù),極大提升了測(cè)試的智能性,節(jié)省了大量的現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備時(shí)間。多次靶場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)表明,本系統(tǒng)數(shù)據(jù)捕獲率高、工作穩(wěn)定可靠,可為各類彈藥的科研試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)依據(jù),在軍工測(cè)試中具有良好的應(yīng)用前景。
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