李森，王代華，于建軍，魯 飛，曹海軍

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.晉西工業(yè)集團有限責(zé)任公司 防務(wù)裝備研究院，太原 030051；3.陸軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100072)

0 引言

現(xiàn)階段，面對復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境，毀傷效應(yīng)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的關(guān)注焦點，在戰(zhàn)斗部爆炸過程中所產(chǎn)生的沖擊波及破片是重要毀傷元。根據(jù)安全距離沖擊波毀傷準(zhǔn)則[1]，把沖擊波超壓峰值和正壓作用時間對人的傷害進行劃分后綜合得知，沖擊波測試系統(tǒng)精度應(yīng)達到0.01 kPa以上，而且數(shù)據(jù)存儲必須可靠，對測試系統(tǒng)性能提出更高的要求[2]。

縱覽國內(nèi)外沖擊波測試的發(fā)展現(xiàn)狀，電測法是主流測試方法，從信號轉(zhuǎn)換存儲的角度又可分為引線式和存儲式。引線式測試設(shè)備基于分體式系統(tǒng)架構(gòu)，具有組建系統(tǒng)簡單易行的特點，但也造成了各功能單元分離的局面：僅將傳感器置于爆炸場內(nèi)，后續(xù)記錄儀器遠離爆炸場以求有效防護，中間采用長引線連接。這使得長引線成為整個系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)；存儲式測試設(shè)備屬于專用測試系統(tǒng)，軟硬件組成固化，需不斷豐富工作參數(shù)的程控能力和針對不同環(huán)境的測試能力，提高設(shè)備的通用性。

隨著現(xiàn)代熱武器的命中率和侵徹力的提高，具有鉆地能力的武器性能不斷提高，完全有能力入侵坑道內(nèi)部或附近地形中，產(chǎn)生爆轟產(chǎn)物及破片通過涌入坑道內(nèi)形成沖擊波進行傳播，造成坑道內(nèi)部人員和作戰(zhàn)設(shè)備損傷[3]?？拥纼?nèi)空氣沖擊波形成的波陣面速度較空氣中沖擊波大[4]。由于坑道內(nèi)墻壁面的整形和約束作用，坑道內(nèi)沖擊波的傳播呈現(xiàn)出壓力長時間持續(xù)，衰減速度較自由場空間內(nèi)慢的特點[5]?？拥纼?nèi)爆炸是常見的一種爆炸形式，國內(nèi)外不少研究人員已對坑道內(nèi)爆炸沖擊波的特征開展了研究，但多停留于仿真分析方面，且傳統(tǒng)坑道內(nèi)沖擊波測試手段存在引線長、系統(tǒng)固化等缺點。針對上述問題，本文設(shè)計了一種面向坑道內(nèi)爆沖擊波的多通道存儲測試系統(tǒng)，本系統(tǒng)以FPGA為主控芯片，使用單片高速AD轉(zhuǎn)換芯片，采用高速率的模擬開關(guān)對多路信號進行切換，通過數(shù)字電位器與儀表運放結(jié)合以直流耦合的方式消除ICP傳感器的直流偏置，保證了系統(tǒng)信號的完整性，操作簡單，有效縮短了引線長度，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，可以完成坑道內(nèi)沖擊波測試且數(shù)據(jù)可靠。

1 系統(tǒng)組成及原理

坑道內(nèi)沖擊波具有更快的速度，更大的威力，需要根據(jù)以往沖擊波的測試要求進行相應(yīng)的指標(biāo)提升，故本方案針對坑道內(nèi)沖擊波測試，提高了測試精度，設(shè)計了程控放大倍數(shù)和濾波截止頻率以適應(yīng)坑道內(nèi)沖擊波測試，可通過上位機對其進行靈活設(shè)置[6]。本系統(tǒng)在考慮便攜性及數(shù)據(jù)可靠性的基礎(chǔ)上，采用存儲式設(shè)計[7]，傳感器對數(shù)據(jù)進行采集后，通過信號調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換，存儲至FLASH存儲器，實驗結(jié)束后回收系統(tǒng)利用USB接口進行回讀，將數(shù)據(jù)傳輸至上位機，由上位機對其進行顯示處理。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

試驗前，在坑道內(nèi)壁或地面上進行打孔，用于試驗時安裝傳感器，傳感器引線通過在墻體或地面挖槽等方式引出至位于坑道口附近安全位置的測試設(shè)備，引線溝槽用角鐵覆蓋保護；并通過炸藥當(dāng)量及測點距離對裝置采樣頻率、放大倍數(shù)、觸發(fā)電平等參數(shù)進行設(shè)置。系統(tǒng)選用ICP傳感器，將沖擊波壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過適配放大器、程控放大器、濾波器等模擬電路將信號調(diào)理到適應(yīng)AD轉(zhuǎn)換的要求。模擬信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后連續(xù)存儲在存儲器中，整個采集和存儲過程由微控制器FPGA協(xié)調(diào)一致控制。待爆炸過程結(jié)束后，現(xiàn)場連接USB數(shù)據(jù)線，將存儲數(shù)據(jù)回傳計算機，再進行數(shù)據(jù)的后續(xù)分析處理和打印等工作，最終提供被測沖擊波信號的有關(guān)特征參數(shù)。系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 程控消除直流偏置

測試系統(tǒng)的信號都來源于所選用傳感器，傳感器的信號調(diào)理是整個系統(tǒng)的重中之重。本設(shè)備采用的是美國PCB公司的ICP壓力傳感器，其量程50～1 000 psi多種類可選，非線性誤差≤1.0% FS，諧振頻率≥500 kHz，分辨率可達0.007 kPa，符合坑道內(nèi)爆沖擊波測試相關(guān)國軍標(biāo)的性能及精度要求，外形尺寸合適、輸出信號調(diào)理簡單，使用便捷。

目前常規(guī)消除ICP壓力傳感器輸出的直流偏置電壓的方式是采用交流耦合消除，但這種方式會使信號低頻特性受到影響，增加后續(xù)信號分析的誤差。本系統(tǒng)使用兩片數(shù)字電位器組合儀表放大器用以消除ICP傳感器直流偏置。采用兩片數(shù)字電位器級聯(lián)的目的是提高精度，其電路圖如圖3所示。

圖3 消除直流偏置電路圖

將傳感器的輸出信號和數(shù)字電位器的電壓輸出分別連接至儀表放大器同相及反相輸入端，系統(tǒng)上電后，在傳感器沒有接收沖擊波信號時，僅輸出直流偏置，此時AD對儀表放大器差模輸出進行采樣。當(dāng)儀表放大器輸出為正電壓時，說明傳感器直流偏置電壓相對較大，則逐級提高數(shù)字電位器級數(shù)；當(dāng)儀表放大器輸出為負電壓時，說明數(shù)字電位器輸出電壓相對較大，則逐級降低數(shù)字電位器級數(shù)。直至調(diào)節(jié)至儀表放大器輸出信號為0 V，鎖定數(shù)字電位器級數(shù)，模擬開關(guān)切換至下一通道進行消除直流偏置操作。消除直流偏置原理框圖如圖4所示。

圖4 消除直流偏置原理框圖

2.2 程控信號放大及噪聲濾除

為使系統(tǒng)可以針對坑道內(nèi)沖擊波速度快、超壓值大、衰減速度快的特點，需要系統(tǒng)有更大的量程跨度。故本系統(tǒng)采用更大放大倍數(shù)的程控信號放大器和程控濾波器設(shè)計，可以根據(jù)測試需求和測點安排對每通道的放大倍數(shù)和濾波截止頻率進行獨立調(diào)整，用于滿足不同藥量戰(zhàn)斗部、不同測點距離等多種測試需求[8]，使系統(tǒng)更具有靈活性和通用性。

程控放大器設(shè)計為1～100倍可由主控芯片程控放大倍數(shù)。系統(tǒng)通過GCK、GCS和GSI三個引腳的信號對程控放大器的增益倍數(shù)選擇和工作模式進行控制。程控放大原理圖如圖5所示。

圖5 程控放大原理圖

程控濾波器設(shè)計為可經(jīng)由外部時鐘進行調(diào)節(jié)的低通濾波器，截止頻率40k～500k可調(diào)，試驗前根據(jù)測點實際情況進行調(diào)節(jié)可有效降低信噪比。程控濾波原理圖如圖6所示。

圖6 程控濾波電路圖

2.3 采集存儲模塊設(shè)計

本系統(tǒng)主控芯片選擇的是Altera公司的FPGA芯片，采用高速切換的多路模擬開關(guān)加單片AD的設(shè)計。模擬開關(guān)選用美國ADI公司的8通道多路復(fù)用器ADG708，該芯片供電方式為1.8～5.5 V單電源供電或±2.5 V雙電源供電，電阻3 Ω，導(dǎo)通電阻平坦度0.75 Ω，開關(guān)時間達14 ns，可以實現(xiàn)多通道快速切換[9]。AD轉(zhuǎn)換器選用美國ADI公司的16位逐次逼近型ADC，該芯片吞吐速率可達12.5 MSPS，有優(yōu)異的直流精度性能。存儲元件上，由于NAND FLASH具有擦寫速率高、存儲密度大，適配讀寫速率要求快、數(shù)據(jù)量大的存儲測試系統(tǒng)，故選擇Micron公司的NAND FLASH作為存儲芯片。本系統(tǒng)選用的NAND FLASH存儲容量為128 MByte。

圖7 AD模塊工作時序

系統(tǒng)上電未觸發(fā)時，系統(tǒng)記錄預(yù)先設(shè)置好的負延時，即系統(tǒng)基線。沖擊波信號來臨后，傳感器開始進行數(shù)據(jù)采集。采集到的信號通過預(yù)先設(shè)置好倍數(shù)的程控放大電路進行放大，后進入之后的程控濾波電路中濾除雜波，提高數(shù)據(jù)可靠性。經(jīng)過放大和濾波電路的信號被調(diào)理至AD采樣芯片的輸入范圍，AD芯片再經(jīng)由模擬開關(guān)切換采集各信道的沖擊波信號。由于AD芯片與FLASH存儲器的數(shù)據(jù)傳輸寬度和傳輸速率均不相同，AD芯片輸出的數(shù)字信號先由單片機內(nèi)的FIFO進行緩存后再存入FLASH存儲器。讀取數(shù)據(jù)時，控制芯片將FLASH中的數(shù)據(jù)信息取出，再次通過FIFO緩存后進入數(shù)據(jù)接口，即可通過USB芯片及接口將數(shù)據(jù)傳輸至上位機。采集存儲模塊原理框圖如圖8所示。

圖8 采集存儲模塊原理框圖

2.4 壞塊管理策略

由于NAND FLASH在出廠及之后的使用過程中會產(chǎn)生無效塊，即壞塊，為保證數(shù)據(jù)可靠性，進行壞塊管理十分必要[11]。系統(tǒng)上電后會遍歷各塊的壞塊標(biāo)志位，找出壞塊并建立壞塊表存儲至FLSH第一塊第一頁中；發(fā)現(xiàn)使用壞塊時，在寫入或擦除操作完成后發(fā)送狀態(tài)讀取指令，返回值若為高電平則此塊標(biāo)記為壞塊并記錄近壞塊表中，并將數(shù)據(jù)重新寫入其他好塊內(nèi)。

通常發(fā)現(xiàn)壞塊時的處理方法是在存儲至這塊時跳過，但這種做法會破壞存儲地址的連續(xù)性。由于本系統(tǒng)為多通道設(shè)備，存儲區(qū)已劃分出各通道的存儲地址界限，用后面的好塊簡單代替發(fā)現(xiàn)的壞塊可能會導(dǎo)致超出地址界限使每通道記錄的數(shù)據(jù)混亂。故先劃分出壞塊保留區(qū)，對發(fā)現(xiàn)的壞塊的物理地址進行替換。此種方法可保證數(shù)據(jù)存儲區(qū)域邏輯地址連續(xù)，提高數(shù)據(jù)可靠性。本系統(tǒng)為方便存儲區(qū)域管理及劃分，將最后60塊用作壞塊保留區(qū)。壞塊替換流程圖如圖9所示。

圖9 壞塊替換流程圖

邏輯地址和物理地址分別為存儲映射表的頁內(nèi)地址和頁內(nèi)數(shù)據(jù)對應(yīng)地址，進行壞塊管理時，首先主控芯片會將FLASH第一頁中地址映射表和壞塊表讀取至RAM進行操作。發(fā)現(xiàn)壞塊時，首先訪問RAM內(nèi)的壞塊表，找到壞塊保留區(qū)中的第一個好塊，對其物理地址進行替換，之后及時更新RAM內(nèi)的壞塊表和物理映射表，并將替換塊的壞塊標(biāo)志位置1。最后將RAM內(nèi)更新后的壞塊信息寫入FLASH第一塊第一頁中同步更新，避免FLASH與RAM中的壞塊表和地址映射表有信息遲滯，造成數(shù)據(jù)丟失。物理地址映射示意圖如圖10所示。

3 實測實驗

本系統(tǒng)經(jīng)多次實彈測試證明了其實用性及數(shù)據(jù)可靠性。圖11為某次坑道靜爆沖擊波超壓試驗測試現(xiàn)場布局圖，按照試驗大綱要求，以坑道內(nèi)爆心在地面上的投影為零點，分別在距零點6 m、12 m和15 m的地面上各布設(shè)3個測點，中間測點與爆心位于坑道中軸線上，共計9個測點。

圖11 某坑道靜爆沖擊波超壓試驗測試現(xiàn)場布局圖

根據(jù)被測信號特征，系統(tǒng)增益設(shè)置為2倍，觸發(fā)方式設(shè)置為內(nèi)觸發(fā)，觸發(fā)電平設(shè)置為500 mV，采樣頻率設(shè)置為2 MHz。圖12為本次試驗的典型曲線。

圖12 某坑道靜爆沖擊波超壓試驗曲線

4 數(shù)據(jù)處理與分析

表1為測試數(shù)據(jù)處理結(jié)果，從各個測點所采集到的沖擊波曲線中可以看出，坑道內(nèi)同一截面不同位置的沖擊波超壓并不相等，截面中心會相對偏小。距離爆心越近的測點沖擊波曲線波動越劇烈，呈現(xiàn)出不止一個峰值，且第二個波峰為最大值，原因是距離爆心越近，引爆時化學(xué)反應(yīng)界面以超音速推進形成爆轟波，受裝藥形狀及坑道截面等因素影響波陣面以不同形狀向外擴展，作用于坑道墻壁發(fā)生多次反射、疊加，未形成穩(wěn)定的波陣面，有著較大的強度波動[12]。結(jié)果表明距離爆心越近時，沖擊波圖像中的二次波峰越明顯，甚至超過首個波峰。說明近距離坑道爆破中，起爆沖擊波會與反射沖擊波相疊加，產(chǎn)生更大的二次波峰。

表1 某坑道沖擊波超壓試驗測試結(jié)果

距離逐漸增大時，沖擊波超壓會逐漸減小且衰減速度隨距離增大逐漸變慢，最遠的測點7#、8#和9#的圖像只有一個明顯峰值，說明此距離下沖擊波陣面經(jīng)坑道內(nèi)壁整形后，逐漸形成向前傳播的規(guī)則平面波[13]。

5 結(jié)束語

在坑道內(nèi)爆試驗中，由于坑道墻壁的限制，沖擊波傳播規(guī)律與自由場空間內(nèi)不同。經(jīng)多次實彈測試驗證，本系統(tǒng)操作便捷，測試規(guī)模大，數(shù)據(jù)精度高，可靠性好，具有良好的靈活性與通用性，可以滿足多種試驗條件下對坑道內(nèi)沖擊波的測試。也可通過將傳感器設(shè)置于地面、炮口等位置完成自由場或炮口等沖擊波測試任務(wù)，具有良好的應(yīng)用前景。