劉小彥，劉 吉，張 斌，李世偉，曹 勛

（中北大學 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051）

戰(zhàn)斗部靜爆試驗中，精確觸發(fā)是測試試驗的必要條件。因此根據(jù)爆轟時的特性參數(shù)設(shè)計一種穩(wěn)定、可靠的觸發(fā)系統(tǒng)至關(guān)重要。

近年來，針對野外爆破試驗觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計，國內(nèi)科研院所做了大量的研究工作。楊業(yè)敏、徐景茂等先后提出了基于通斷靶的觸發(fā)設(shè)計及優(yōu)化設(shè)計方案，該方案需要攜帶電纜，每次爆破前都需要重新纏繞觸發(fā)信號線［1－2］；黨妙妙等提出了一種槍口聲波觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案具有一定的優(yōu)勢，但需針對有用聲波信號的具體特征預先設(shè)置信號識別參數(shù)［3］。不少學者提出了在不同應(yīng)用背景下的基于光信號的觸發(fā)設(shè)計方案，但是鑒于各種測試環(huán)境光信號的特征差異，光觸發(fā)在某些惡劣測試環(huán)境中并未得到廣泛應(yīng)用。

在大當量戰(zhàn)斗部靜爆試驗中，針對采用通斷靶觸發(fā)引起的操作繁瑣、安全性差的問題，設(shè)計了一種非接觸式聲光觸發(fā)系統(tǒng)。

1 激光光幕破片速度測試系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由測試主機、地面合作目標、高速數(shù)據(jù)采集裝置等組成，示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)主機以激光為光源，經(jīng)過光學系統(tǒng)整形為矩形激光光幕，形成兩個互相平行、距離一定的有效區(qū)域。光源發(fā)出的光經(jīng)地面合作目標反射后被光敏器件接收，當破片飛行穿過靶面時，光通量改變，光敏器件將該光通量的變化轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號調(diào)理模塊對信號進行濾波和放大，然后用高速數(shù)據(jù)采集裝置進行數(shù)據(jù)采集以獲取相應(yīng)的過靶信號，最后通過專用的軟件對所獲取的信號進行處理，從而得出破片速度［4］。

2 聲光觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 光觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計

光觸發(fā)主要由光信號預處理模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等組成。鑒于戰(zhàn)斗部靜爆試驗大都在室外靶場進行，戶外強光會對光敏器件的正常使用造成一定的影響，系統(tǒng)利用光信號預處理模塊對光電探測器進行遮光處理，同時模塊預設(shè)光匯聚結(jié)構(gòu)，對火光進行匯聚，以提高系統(tǒng)的可靠性；光電轉(zhuǎn)換模塊將系統(tǒng)接收的光通量變化轉(zhuǎn)換成電信號；信號調(diào)理模塊主要對信號進行濾波、放大等處理；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊則實現(xiàn)模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

2.1.1 光信號預處理模塊

戰(zhàn)斗部靜爆試驗中，戶外日光對光敏器件的影響不容忽視。日光的光譜范圍很寬，且照度強，而爆破時的火光光譜能量大多集中在近紅外范圍內(nèi)，故而有用信號的光譜與日光光譜部分重疊，造成二者無法完全分離出來［5］。本系統(tǒng)充分利用爆破火光與日光在方向性上的差異性，將二者在一定程度上分離開，同時還設(shè)有光匯聚結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)接收的火光進行匯聚，以提高系統(tǒng)的可靠性。光敏器件單獨置于電路板一側(cè)，選用焦距為3.6mm、孔徑比例為1∶2.0、視場角為52°、尺寸為Φ14×15 的AMTV3.6的小鏡頭，用CCD 座將匯聚鏡頭固定在電路板上，實物如圖3所示。光信號預處理模塊在匯聚光信號的同時，也可以遮擋部分環(huán)境光。

2.1.2 光電轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換模塊選用型號為TK130PD 的PIN 硅光電二極管，該器件具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、噪聲低等特征，具體參數(shù)如表1所示。

表1 TK130PD的相關(guān)參數(shù)特性（T＝25℃）

根據(jù)光電二極管的光譜特性曲線及系統(tǒng)參數(shù)計算可得：光電二極管接收到的光強度在1.52 W／m2以上時，系統(tǒng)就可正常工作。

若戰(zhàn)斗部到光觸發(fā)裝置的距離為20m，則由式（1）可得系統(tǒng)正常工作的火光強度約為5.23×105cd。光照度與發(fā)光強度的換算公式為

式中：Er為光照度值，lx；Ir為發(fā)光強度值，cd；r為光源與探測器之間的距離，m。

2.1.3 信號調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)的信號調(diào)理模塊實現(xiàn)信號的濾波、放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化，原理圖如圖4所示。

信號調(diào)理模塊主要由跨阻放大、濾波、電壓信號放大等模塊組成。光通量發(fā)生變化時，光電二極管產(chǎn)生一個反向電流信號；AD8066的第1路放大作為跨阻放大模塊，將光電二極管輸入的微弱的電流信號轉(zhuǎn)換成較強的電壓信號；第2路放大作為主放大模塊，放大倍數(shù)為

綜合考慮系統(tǒng)靈敏度及實際信號特征，設(shè)置Au＝20；C2和R6組成RC高通濾波器，用于濾除低頻噪聲信號，其下限截止頻率為

本系統(tǒng)中C2為0.1μF，R6為500Ω；參數(shù)可以根據(jù)光信號的實際情況進行調(diào)整；此外C3、C4為去耦電容，可以有效地降低元件耦合到電源端的噪聲，提高電源的穩(wěn)定性，其中0.1μF的去耦電容有5 nH 的分布電感，由公式

可知其并行共振頻率在7MHz左右，對10MHz以下的噪聲有較好去耦效果；4.7μF的去耦電容的并行共振頻率大約在2MHz以上，對低頻噪聲有較好去耦效果；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊選用電壓比較器LM311來實現(xiàn)，可以根據(jù)需要調(diào)整R8、R9的阻值，設(shè)置合理的閾值，其中

通過合理設(shè)置閾值，可以有效防止因戶外強光而造成的誤觸發(fā)，從而進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

2.2 聲觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計

爆破測試中，聲音信號屬于典型的特征信號之一，聲觸發(fā)系統(tǒng)使用非常便捷。其設(shè)計原理圖如圖5所示。

如圖5所示，系統(tǒng)選用了靈敏度較高的電容式聲傳感器，它具有頻率帶寬廣、響應(yīng)曲線平直、非線性畸變小，瞬態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點；系統(tǒng)選用了NPN 型三極管進行電流信號的放大，可通過滑動變阻器R8來調(diào)節(jié)電壓比較器的閾值大小，根據(jù)測試對象的具體參數(shù)，設(shè)置合理的閾值，從而有效地避免誤觸發(fā)，以提高系統(tǒng)的可靠性。待觸發(fā)時系統(tǒng)輸出高電平信號，當聲音信號的強度達到預設(shè)信號強度時，系統(tǒng)輸出低電平信號。

此外，大當量爆炸場破片速度測試中，考慮到聲音傳播速度慢，如果在聲傳感器接收到信號的同時開始采集數(shù)據(jù)，會造成破片過靶信號的丟失；為此需要根據(jù)相關(guān)參數(shù)設(shè)置合理的負延遲，以確保采集數(shù)據(jù)的完整性。以測試距離d＝20m、聲音速度vs＝240m／s，采樣率fs＝2 MHz，破片速度v＝1 400m／s為例，則

代入數(shù)據(jù)可得：負延遲≈89 200。即此時需要設(shè)置至少89 200 個數(shù)據(jù)點的負延遲，才能滿足測試要求。

3 試驗結(jié)果及分析

對于光觸發(fā)系統(tǒng)，為了利用爆破火光與日光在方向性上的差異性，將二者在一定程度上分離開，故在試驗中需要將其固定在地面合作目標的適當位置，并將光匯聚裝置正對戰(zhàn)斗部，如圖6所示。對于聲觸發(fā)系統(tǒng)，則可以將其與測試主機布設(shè)在同一位置。

將聲光觸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用于TNT 當量大于20kg的野外靜爆試驗中，觸發(fā)系統(tǒng)布設(shè)在距爆心20 m處，獲取的典型破片過靶信號波形如圖7所示。 鑒于戰(zhàn)斗部靜爆試驗次數(shù)所限，給出測試中獲取的5次破片速度測試結(jié)果，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 多次戰(zhàn)斗部預制破片速度測試結(jié)果

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一種戰(zhàn)斗部靜爆試驗中專用的聲、光觸發(fā)系統(tǒng)。其中光觸發(fā)模塊具有火光匯聚、背景光隔離等特點，可有效提高系統(tǒng)的可靠性和靈敏度，聲觸發(fā)模塊具有寬頻帶、高響應(yīng)速度的特點，通過對不同環(huán)境照度測試設(shè)定了合理的觸發(fā)閾值。多次現(xiàn)場試驗表明，在TNT 當量大于2kg時，觸發(fā)系統(tǒng)距爆心20m 處，均可提供穩(wěn)定、可靠的觸發(fā)信號。該聲光觸發(fā)系統(tǒng)不但可與激光破片速度測試儀配合使用，也可為爆炸場中其他設(shè)備提供觸發(fā)信號源。

（References）

［1］楊業(yè)敏，張旭東.一種野外測試用高性能觸發(fā)線路［J］.爆炸與沖擊，1981（1）：97－98.YANG Yemin，ZHANG Xudong.A kind of high quality trigger circuit used in field measurement［J］.Explosion and Shock Waves，1981（1）：97－98.（in Chinese）

［2］徐景茂，李永池，陳安敏，等.化爆試驗中測試系統(tǒng)觸發(fā)同步的新方法［J］.計量與測試技術(shù)，2011，38（10）：58－61.XU Jingmao，LI Yongchi，CHEN Anmin，et al.New method of synchronous trigger action of measurement system in explosion test［J］.Metrology ＆ Measurement Technique，2011，38（10）：58－61.（in Chinese）

［3］黨妙妙，雷鳴，付永升.槍口聲波觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計［J］.機械與電子，2013，（3）：9－12.DANG Miaomiao，LEI Ming，F(xiàn)U Yongsheng.A design of muzzle sound trigger system［J］.Machinery ＆Electronics，2013，（3）：9－12.（in Chinese）

［4］劉吉，趙冬娥，于麗霞，等.激光光幕戰(zhàn)斗部破片速度測試系統(tǒng)的信號處理［J］.彈箭與制導學報，2013，33（2）：49－51.LIU Ji，ZHAO Dong’e，YU Lixia，et al.Signal processing of laser screen warhead velocity measurement system［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2013，33（2）：49－51.（in Chinese）

［5］梁杰.沖擊波測試與光觸發(fā)設(shè)計［D］.太原：中北大學，2014.LIANG Jie.The shock wave test and design of lighttriggering［D］.Taiyuan：North University of China，2014.（in Chinese）