毁伤威力场冲击波无线分布式测试方法研究*

杨 帆,梁永烨,杜红棉*,尤文斌,崔 敏,王玉全,刘 帆,焦耀晗

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)



毁伤威力场冲击波无线分布式测试方法研究*

杨 帆1,2,梁永烨1,2,杜红棉1,2*,尤文斌1,2,崔 敏1,2,王玉全1,2,刘 帆1,2,焦耀晗1,2

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

毁伤威力场中冲击波超压测试是评估武器或炸药毁伤威力的一个重要手段,在军工国防领域具有重要作用。针对传统引线法与存储法这两种测试方法的优缺点,分析了冲击波的信号特点及国军标的相关测试要求,提出一种结合无线传感网络(WSN)技术和FPGA逻辑控制技术的冲击波无线分布式测试方法。系统经过激波管动态校准及多次靶场实弹试验,验证了系统具有布设简单、触发策略灵活、无线同步触发性能良好及数据准确度高等优点,特别适合适用于毁伤威力场中复杂恶劣环境下多测点冲击波测试任务。

毁伤威力场;冲击波;激波管;WSN;FPGA

军事上弹药在研制、试验、验收等过程中,需要进行弹药毁伤威力试验。冲击波效应是多种弹箭的主要破坏力之一,持续时间大于0.25 ms、压力值大于3.91 kPa时,就会对人员听觉造成损伤[1-2],当冲击波的动压高于70 kPa时对对性能最好的C类地面野战通信设备结构和大部分零件造成破坏,失去修复价值[3]。因此冲击波测试对评价弹药毁伤效应和的仪器设备防护性能有着重要作用。目前国内外毁伤场冲击波测试方法主要分为引线法和存储法[4]。两种方法都有一定的优点和不足。传统引线法是将传感器置于爆炸现场,同长电缆连接掩体中的二次仪表与瞬态波形记录仪,最后由计算机进行测试数据的复现与处理。该方法具有数据复现快,适合连发测试;但是具有有布设不方便、系统易受噪声干扰、野外需额外提供交流电源、机动性差,校准标定繁琐等缺点[5]。存储法是将传感器、信号调理模块以及数据存储模块集成在一起,置于测点[6]。此方法易布设、易防护、易校准标定、噪声小,但无统一时基。

为克服这两种方法的不足,针对毁伤威力场冲击波测试的复杂环境,参考国军标对冲击波测试的要求,将WSN技术与FPGA技术结合起来,设计了一种无线分布式冲击波测试方法,并通过了靶场的多次实弹测试试验的验证。

1 信号基本特征及分析

弹药的实际毁伤威力场是十分复杂的,通常它们都是带壳的,有的还带有预制破片或钢珠。毁伤威力场中的冲击波场是爆轰强电磁场、高温火球以及高速破片等并存的复杂压力流场[7]。我们在此将其抽象简化为自由场冲击波信号来进行分析。正确认识和理解冲击波超压信号的基本特征才能合理利用有限响应速率测压系统测量冲击波超压,以及判别所记录冲击波超压信号的真伪。如图1中示意绘制了压力p、空间坐标x与时间t三维空间中4个剖面上的自由场冲击波压力波形。自由场冲击波超压信号有如下特点:上升沿陡峭;超压峰值高;正压作用时间短;负压低,负压作用时间长;压力衰减过程呈指数衰减。

图1 压力p、空间坐标x与时间t三维空间中4个剖面上的自由场冲击波压力波形

冲击波场超压的峰值ΔPmax,可根据金尼—格雷厄姆公式[8]计算:

2 系统组成及其工作原理

测试系统主要是有中心控制台及多个不同量程的智能传感器测点(子系统)组成。中心控制台通过无线传感中心节点发送指令控制智能传感器工作并监测其工作状态。无线传感终端节点主要负责接受中心控制台发送的工作指令、同步触发命令并回传测试数据。如图2所示为测试系统工作原理框图。

智能传感器测点完成信号的采集、存储及读取,是整个测试系统的核心。它将系统各模块集成于一体,避免了长线传输时引入的干扰,且易于校准。适配电路将传感器响应的信号进行放大、滤波等处理后输入A/D转换器转化为数字信号,由FPGA控制存储在FLASH存储器中的FIFO中,系统进入循环采样状态。柔性化触发系统给出触发信号,系统进入采存状态直至FLASH存储器存满。数据存储完毕后,进入休眠模式以降低功耗。采集结束后,回收装置,通过USB接口由计算机对装置进行数据回收处理。智能传感器测点原理框图如图3所示。

图3 智能传感器测点原理框图

3 系统激波管动态校准

3.1 激波管动态校准方法

传感器与测试仪器连接后,其动态特性会发生变化,为获取系统整体的动态特性,利用激波管对智能传感器测点进行了动态校准[9]。毁伤威力场冲击波测试时需要使用多个冲击波智能传感器测点。本文只列举其中一个量程为4 MPa的进行动态校准。实验中,被校准系统的传感器为末端安装。根据兰基涅—胡果尼(Rankine-Hugoniot)方程,入射超压平台与波前马赫数的关系为[10]:

(1)

(2)

式中:ΔP5为激波波前的入射超压,P0为低压式气体初始压力;Ms为激波波前的马赫数;Vs=s/t为激波波前的传播速度;s为两测速传感器之间的距离,为0.55m;t为激波经过两测速传感器的时间间隔;T1为未扰动时低压室空气的温度。所用激波管原理图如图4所示,端面底座最多可以安装3个传感器,一次可同时校准3套测试系统,并可以验证无线触发的同步性。

图4 激波管校准结构图

3.2 动态校准实验结果

将激波管作为激励源,对所设计的毁伤威力场冲击波测试系统各智能传感器测点进行动态标定。如图5所示,为智能传感器测点对激波管激波响应的典型压力曲线。表1所示为系统动态标定结果,其中p′为系统所测的压力峰值。由表1可知,3次动态标定的实验系统误差均小于5%,说明系统稳定可靠,能够保证所测数据的准确性。

图5 典型压力曲线

表1 动态标定结果

3.3 无线触发同步性实验结果

为了验证毁伤威力场冲击波无线分布式测试系统中各测点的接收无线触发命令的同步性,我们也在激波管中做了相应的验证实验。我们利用激波管破膜产生前沿平整的激波,在无线外触发情况下,测点AA、BB、CC的传感器A、B、C同时受到反射激波的激励。因此,如果各测点的触发是同步的,那么获得的时基基本上是一致的。反射激波作用在3个测点响应的压力曲线如图6所示。

图6 3个测点响应的压力曲线

从图6可以看出:以触发点作为零时刻,激波到达3个测点的时间基本是一致的,时间点显示在40.26ms左右,从局部图可以看到误差为微秒数量级。因此可以证明无线同步触发的同步性精度高,进一步说明该系统具有统一时基,对有效数据的判读及后续压力场的重构具有重要意义。

4 系统关键技术

4.1 柔性化触发系统设计

毁伤威力场中冲击波信号一般是单次的、瞬态的,捕获这种信号的成功率主要取决于测试系统的触发可靠性和抗干扰能力。查阅相关国军标以及相关文献,并结合前期靶场试验经验,综合WSN技术与FPGA逻辑控制技术优势设计了集成无线单次外触发、无线多次重触发、有线单次外触发、单次内触发和多次重触发于一体的柔性化触发系统,如图7所示。

图7 柔性化触发系统拓扑图

根据不同的试验要求,中心控制台可通过无线通信方式现场给各测点配置最优的触发方式,提高试验的成功率。例如,战斗部空中静爆毁伤试验中可选择无线单次外触发与单次内触发并举的综合触发方式;密闭空间的毁伤试验时可选择断线触发(即有线单次外触发)与单次内触发并举的触发策略[11]。

4.2 FPGA逻辑设计

FPGA在整个测试系统中起到控制中枢的作用,它控制协调整个系统有序、稳定、快速的完成测试任务。FPGA芯片选用Xilinx公司的Spartan-Ⅱ系列芯片XC2S50及配置芯片XCF01S,存储芯片采用三星公司生产的NAND型FLASH闪存芯片K9F1G08U0M。它的具体任务可包括:①控制A/D转换器的采样频率实现数据的模数转换;②控制FLASH芯片K9F1G实现数据的存储、读取和擦除工作;③与无线模块中的430单片机通信,接收中心控制台的指令完成对采样参数的设置。FPGA内部逻辑框框图和程序设计原理图如图8、图9所示。

图8 FPGA内部逻辑框图

图9 FPGA程序设计原理图

4.3 WSN工况设计

WSN(无线传感网络)技术[12]的应用,使得测试系统在分布式现场测试中布设简单、易于防护、可进行连续测试,同时各冲击波测点相互关联,具有统一的工作时基。无线传感网络的工况合理设计,确保测试系统的可靠高效完成测试任务。

如图10所示,系统从断电态进入到供电态后,无线传感网络的中心与终端节点均进行初始化,完成星型网络组建。组网成功后系统分为命令发送、无线通信休眠及测试回传3个阶段。命令发送阶段,根据不同距离测点处冲击波超压值不同,主控制台完成对各测点触发方式、采样频率、增益等参数的配置。此时系统处于循环采样状态,参试人员可以离场。在起爆前1s～2s,各测点装置接受中心控制台的无线同步触发命令,系统进入测试数据采存阶段。在该阶段,系统无线模块下电进入休眠状态,防止爆炸时爆轰区的电磁场对测试系统的干扰。1min后打开无线模块电源,重新初始化无线模块并重新组网,然后进行数据回输工作。

图10 WSN工况状态图

图11 典型试验数据

5 现场试验及数据分析

本测试系统经过实验室动态标定和多次模拟实验后,进行了某战斗部空中静爆毁伤威力测试试验。以战斗部为圆心,距离圆心3m、7m、11m每个距离上分别放置两个冲击波测点。试验中,触发策略选择无线单次外触发与单次内触发并举的综合触发方式。由于各测点仪器的记录时间为10s,记录时间充裕,我们在起爆前1s左右无线触发各测点仪器进入采存状态。图11所示为部分典型试验数据。

我们选择7m两个测点数据和11m一个测点数据进行分析。分析可得:①从图11(a)可以看出,带有预制破片或钨珠的战斗部毁伤场冲击波前会有弹道波或地震波等干扰波。②从图11(b)可知,7m处两个测点超压曲线时间同步性很好,进一步说明了无线同步触发的可靠性。③从图11(b)可知,7m处两个测点冲击波超压峰值分别为0.288MPa与0.232MPa,11m处的冲击波超压峰值0.149MPa;7m与11m处时间间隔约为7ms,换算出冲击波在7m与11m处之间的平均传播速度约为571m/s。

6 结论

本文重点介绍了毁伤威力场冲击波无线分布式测试方法的研究。测试系统经过激波管动态校准,确保了所测数据的准确性,同时验证了系统无线同步触发的可靠性。系统充分发挥了FPGA逻辑控制和WSN技术的优势,使该方法在现场试验中表现出触发策略灵活、布设简单,提高了毁伤威力场冲击波测试效率。结果表明该测试方法具有较好的应用前景和推广价值。

[1]GJB 2A—96 常规兵器发射或爆炸时脉冲噪声和冲击波对人员听觉器官损伤的安全限值[S].中华人民共和国国家军用标准,1996.

[2]刘帆,杜红棉,范锦彪,等.炮口冲击波超压无线存储测试系统设计[J].传感技术学报,2014,27(2):272-276.

[3]GJB 5083—2004 爆炸冲击波对地面野战通信装备的破坏等级及防护要求[S].中华人民共和国国家军用标准,2004.

[4]马铁华,祖静.冲击波超压存储测试技术研究[J].仪器仪表学报,2004,8(4):288-293.

[5]范泽辉,田忠,庸剑.冲击波压力存储测试系统研究[J].中国核科技报告,1999(11):1-10.

[6]祖静,申湘南,张文栋.存储测试技术[J].测试技术学报,1994,8(2):25-31.

[7]黄正平.爆炸与冲击电测技术[M].北京:国防工业出版社,2006:23-36.

[8]GJB 6390.3—2008 杀伤导弹战斗部静爆威力试验方法,第三部分,冲击波超压测试[S].中华人民共和国国家军用标准,2008.

[9]丁永红,尤文斌,马铁华.舰用动爆冲击波记录系统的设计与应用[J].爆炸与冲击,2013,33(2):194-199.

[10]拉赫马社林X A,谢苗诺夫C C.激波管 中册[M].北京:国防工业出版社,1966.

[11]田壮,杜红棉,祖静.战斗部动爆冲击波存储测试方法研究[J].弹箭与制导学报,2013,33(3),66-69.

[12]刘双红,张海龙,靳鸿,等.基于FPGA和MSN的TNT爆炸时刻采集及存储系统[J].传感技术学报,2013,26(7):1009-1013.

Study on Damage Power Field Shock Wave Measuring Method Based on Wireless Distributed Test Technology*

YANGFan1,2,LIANGYongye1,2,DUHongmian1,2*,YOUWenbin1,2,CUIMin1,2,WANGYuquan1,2,LIUFan1,2,JIAOYaohan1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

The shock wave overpressure test is an important tool to evaluate the destructive power of weapons or explosives for damage power field.It plays a significant role in the field of military and defense.In view of the advantages and disadvantages between the traditional method of lead and the storage method,this paper analyzes the signal characteristics of the shock wave and nations mark test requirements,and put forward a kind of combination of wireless sensor network(WSN)technology and FPGA logic control technology of the shock wave wireless distributed test method.The system is dynamic calibrated by shock tube and multiple range live-fire test.The results show that the system has a simple layout,trigger strategy is flexible,wireless synchronization trigger performance good and the high accuracy of the data rate,especially suitable for apply to mutilate power field under complicated conditions in multipoint shock wave testing tasks.

damage power field;shockwave,shock tube;WSN;FPGA

杨 帆(1989-),女,汉族,中北大学硕士研究生,研究方向为信号处理,软件仿真,动态测试,732481921@qq.com;

梁永烨(1989-),女,中北大学硕士研究生,主要研究方向为动态测试与智能仪器,lyy2477@gmail.com;

杜红棉(1977-),女,辽宁省锦州市人,中北大学副教授。主要从事爆炸冲击波测试技术等方面的研究,duhongmian@nuc.edu.cn。

项目来源:山西省基青年科技研究基金项目(2013021015-1);国防科技重点实验室基金项目(9140C120409)

2014-07-15 修改日期:2014-11-14

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.01.013

TN06

A

1004-1699(2015)01-0071-06