劉曉琦，尤文斌，丁永紅，白志強(qiáng)，胡時(shí)光

(1 中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2 中北大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

沖擊波信號(hào)測(cè)試在各類戰(zhàn)斗部靜、動(dòng)爆試驗(yàn)中都有應(yīng)用[1-2]。存儲(chǔ)測(cè)試法布點(diǎn)靈活，抗干擾能力強(qiáng)，可直接測(cè)得沖擊波測(cè)試曲線，獲取超壓值、比沖量等關(guān)鍵信息，是沖擊波測(cè)試的主要手段[3]。在一次靜爆試驗(yàn)中，往往需要多臺(tái)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)[4]，多位置分散獨(dú)立布點(diǎn)，不同測(cè)點(diǎn)記錄沖擊波超壓信號(hào)到達(dá)時(shí)刻差異較大，沒有統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)，導(dǎo)致后續(xù)難以分析沖擊波的傳播規(guī)律。

針對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試方法的不足，設(shè)計(jì)一種具有時(shí)基統(tǒng)一功能的沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，將光纖觸發(fā)[5]、光纖傳輸[6-7]和衛(wèi)星授時(shí)[8]與存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)[9]相結(jié)合，解決存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)沖擊波傳播時(shí)間無法準(zhǔn)確測(cè)量和時(shí)基統(tǒng)一性差的問題。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

基于光纖和衛(wèi)星授時(shí)的沖擊波時(shí)基統(tǒng)一存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)是一種適用于野外惡劣環(huán)境的沖擊波測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖1所示，包含測(cè)試存儲(chǔ)、授時(shí)系統(tǒng)和中心監(jiān)控平臺(tái)3個(gè)部分。測(cè)試存儲(chǔ)部分完成沖擊波的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的工作；光纖系統(tǒng)完成對(duì)設(shè)備的光纖觸發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸；中心監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超壓測(cè)試系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。

實(shí)測(cè)時(shí)，遠(yuǎn)程控制臺(tái)通過光纖通信裝置與記錄儀連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)記錄儀的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)快速讀取，光纖斷線觸發(fā)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)記錄儀的同時(shí)觸發(fā)，沖擊波測(cè)試記錄儀實(shí)現(xiàn)爆炸時(shí)沖擊波超壓信號(hào)的采集和存儲(chǔ)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.1 存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)

沖擊波存儲(chǔ)記錄儀原理如圖2所示，記錄儀由信號(hào)調(diào)理模塊、Flash閃存、CLPD時(shí)序控制+MCU邏輯控制、光纖模塊和電源管理模塊等組成。沖擊波信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，MCU配合CPLD將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)存入Flash中，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。MCU作為主控單元完成存儲(chǔ)指令控制，CPLD實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制。上位機(jī)通過光纖模塊可對(duì)記錄儀進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)讀取。

圖2 存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 授時(shí)系統(tǒng)

授時(shí)系統(tǒng)采用AT6558多模衛(wèi)星授時(shí)芯片，該芯片支持中國的BDS、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS等衛(wèi)星系統(tǒng)；支持BDS/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的單系統(tǒng)授時(shí)，以及任意組合的多系統(tǒng)聯(lián)合授時(shí)，確保授時(shí)精度。該芯片體積小，具備低功耗設(shè)計(jì)，授時(shí)精度小于30 ns，內(nèi)置天線檢測(cè)及天線短路保護(hù)功能，能夠在沖擊波測(cè)試下精準(zhǔn)授時(shí)，芯片電路圖如圖3所示。

圖3 授時(shí)系統(tǒng)芯片

1.3 光纖系統(tǒng)

光纖通信具有很強(qiáng)的抗電磁干擾特性，可在復(fù)雜的爆炸場(chǎng)環(huán)境中穩(wěn)定傳輸[10]。光纖系統(tǒng)在本設(shè)計(jì)中有兩個(gè)作用：一是實(shí)現(xiàn)中心監(jiān)控平臺(tái)與測(cè)試存儲(chǔ)裝置的數(shù)據(jù)傳輸和狀態(tài)監(jiān)控;二是完成光纖斷線對(duì)多臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的同步觸發(fā)。針對(duì)這兩個(gè)需求，設(shè)計(jì)了一種集斷線觸發(fā)和數(shù)據(jù)通信于一體的新型光纖系統(tǒng)。

系統(tǒng)主要由光收/發(fā)模塊、光隔離器、觸發(fā)箱和光復(fù)用/解復(fù)用器等組成。測(cè)試裝置內(nèi)置光收發(fā)模塊，經(jīng)光纖連接復(fù)用/解復(fù)用器1與觸發(fā)箱連接，觸發(fā)箱光纖回路與被測(cè)彈藥綁定，光纖回路被炸斷時(shí)，觸發(fā)箱發(fā)送光脈沖信號(hào)，經(jīng)光隔離器與復(fù)用/解復(fù)用器2實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)試存儲(chǔ)裝置同步觸發(fā)。中心監(jiān)控平臺(tái)經(jīng)多路復(fù)用/解復(fù)用器、光中繼放大等模塊與測(cè)試裝置相連，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)距離的中心監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光纖結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 光纖技術(shù)

系統(tǒng)采用波分復(fù)用(WDM)傳輸技術(shù)[11]，利用一根光纖可以同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)的載波。將光傳輸應(yīng)用的波長(zhǎng)范圍分成若干個(gè)波段，每個(gè)波段作為一個(gè)獨(dú)立的信道。在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器把多種光載波信號(hào)匯合在一起，并耦合到光線路中同一根光纖進(jìn)行傳輸；經(jīng)中繼放大器[12]后，在接收端經(jīng)分波器將各種波長(zhǎng)的載波信息進(jìn)行分離，然后由光接收機(jī)進(jìn)行接收，上位機(jī)進(jìn)行原始信號(hào)恢復(fù)。

根據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)光纖信道數(shù)量，采用DWM技術(shù)，選用G.652光纖，波長(zhǎng)1 550 nm，工作波段為C波段,每種光信道最多可達(dá)2.5 Gbit/s。

2.2 觸發(fā)技術(shù)

斷線觸發(fā)的原理在于觸發(fā)箱在光纖回路被炸斷后，會(huì)發(fā)送滿足所有波段(能被所有存儲(chǔ)測(cè)試裝置接收)的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)光隔離器、中繼放大器和復(fù)用/解復(fù)用器給所有裝置統(tǒng)一的觸發(fā)信號(hào)，存儲(chǔ)測(cè)試裝置記錄該點(diǎn)時(shí)刻作為沖擊波傳播時(shí)刻起點(diǎn)。沖擊波信號(hào)來臨時(shí)超壓信號(hào)大于電路閾值壓力，記錄該時(shí)刻為沖擊波傳播時(shí)刻終點(diǎn)。

觸發(fā)時(shí)間Tq分為兩部分：斷線響應(yīng)時(shí)間Td，傳輸時(shí)間Tc。

Tq=Td+Tc

(1)

光在光纖中傳播速率c，觸發(fā)箱到彈藥距離為s，則式(1)中Tc可表達(dá)為:

(2)

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試斷線響應(yīng)時(shí)間Td約為4 μs；觸發(fā)箱到各裝置的距離約為20 m；傳輸時(shí)間Tc為0.1 μs。理論分析光纖觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間約為4.1 μs；沖擊波作用時(shí)間為ms量級(jí)，觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沖擊波傳播時(shí)間，可應(yīng)用于沖擊波測(cè)試。

2.3 衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)

每個(gè)沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)中裝有衛(wèi)星授時(shí)模塊[13]，為各個(gè)裝置統(tǒng)一授時(shí)。整個(gè)定時(shí)模塊由CPLD統(tǒng)一控制，系統(tǒng)采用4 MHz雙計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)方式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)數(shù)。CPLD收到BDS/GPS發(fā)出的脈沖信號(hào)后，CPLD控制計(jì)數(shù)器1進(jìn)行計(jì)數(shù)，下一個(gè)脈沖信號(hào)來到后，計(jì)數(shù)器2運(yùn)行，并將第一個(gè)計(jì)數(shù)器記錄值存儲(chǔ)。記錄時(shí)刻T的計(jì)算公式為:

(3)

式中：TG為衛(wèi)星脈沖信號(hào)到來的時(shí)刻;t為計(jì)數(shù)器脈沖時(shí)間間隔;N為計(jì)數(shù)器在一個(gè)脈沖時(shí)間間隔記錄的總次數(shù);n為觸發(fā)時(shí)計(jì)數(shù)器記錄的次數(shù)。

光纖給出斷線觸發(fā)信號(hào)后，裝置觸發(fā)并將此刻BDS/GPS授時(shí)脈沖信號(hào)和相應(yīng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)在Flash。沖擊波信號(hào)到來后，CPLD檢測(cè)壓力信號(hào)大于閥值，再次將該時(shí)刻BDS/GPS授時(shí)信號(hào)和相應(yīng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值記錄到Flash，完成爆點(diǎn)時(shí)刻和沖擊波到達(dá)測(cè)點(diǎn)時(shí)刻的記錄。

3 試驗(yàn)測(cè)試

3.1 斷線響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

為了驗(yàn)證光纖觸發(fā)測(cè)試的可靠性和觸發(fā)精度，利用示波器對(duì)光纖觸發(fā)模塊進(jìn)行了多次測(cè)試,電壓從0 V上升到觸發(fā)值平均觸發(fā)時(shí)間(斷線響應(yīng)時(shí)間Td)約為4 μs，經(jīng)多次測(cè)試，觸發(fā)誤差始終保持在0.5 μs以內(nèi)，可以保證系統(tǒng)的時(shí)基統(tǒng)一，滿足測(cè)試需求。圖5為其中一次光纖觸發(fā)模塊測(cè)試結(jié)果。

圖5 光纖觸發(fā)信號(hào)同步測(cè)試

3.2 實(shí)爆測(cè)試

為驗(yàn)證沖擊波超壓存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)基統(tǒng)一性，進(jìn)行了靜爆試驗(yàn)測(cè)試。分別在距離爆心20 m，25 m，30 m和40 m處安置存儲(chǔ)測(cè)試裝置，圖6為20 m處記錄儀裝置現(xiàn)場(chǎng)安置圖，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖6 記錄儀現(xiàn)場(chǎng)圖

表1 不同測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

實(shí)際測(cè)試時(shí)考慮到爆心位置、地形和環(huán)境溫度等影響，沖擊波傳播速度會(huì)有一定的偏差。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在相同距離不同方位測(cè)點(diǎn)的時(shí)間差值最大為3 μs，最小為1 μs，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，證明該沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)具有良好的時(shí)基統(tǒng)一性。

4 結(jié)論

基于光纖和衛(wèi)星授時(shí)的沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快速、觸發(fā)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一時(shí)基下沖擊波傳播時(shí)間的精確測(cè)量，可為沖擊波信號(hào)的研究和彈藥的毀傷威力評(píng)估提供依據(jù)。但光纖布設(shè)會(huì)導(dǎo)致超壓測(cè)試布場(chǎng)較復(fù)雜，爆炸場(chǎng)環(huán)境惡劣導(dǎo)致衛(wèi)星授時(shí)干擾較大，因此測(cè)試系統(tǒng)還需進(jìn)一步完善。