大当量爆炸场破片速度测试系统中声光触发设计

刘小彦，刘 吉，张 斌，李世伟，曹 勋

（中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

战斗部静爆试验中，精确触发是测试试验的必要条件。因此根据爆轰时的特性参数设计一种稳定、可靠的触发系统至关重要。

近年来，针对野外爆破试验触发系统的设计，国内科研院所做了大量的研究工作。杨业敏、徐景茂等先后提出了基于通断靶的触发设计及优化设计方案，该方案需要携带电缆，每次爆破前都需要重新缠绕触发信号线［1－2］；党妙妙等提出了一种枪口声波触发系统设计方案，该方案具有一定的优势，但需针对有用声波信号的具体特征预先设置信号识别参数［3］。不少学者提出了在不同应用背景下的基于光信号的触发设计方案，但是鉴于各种测试环境光信号的特征差异，光触发在某些恶劣测试环境中并未得到广泛应用。

在大当量战斗部静爆试验中，针对采用通断靶触发引起的操作繁琐、安全性差的问题，设计了一种非接触式声光触发系统。

1 激光光幕破片速度测试系统

系统主要由测试主机、地面合作目标、高速数据采集装置等组成，示意图如图1所示。

系统主机以激光为光源，经过光学系统整形为矩形激光光幕，形成两个互相平行、距离一定的有效区域。光源发出的光经地面合作目标反射后被光敏器件接收，当破片飞行穿过靶面时，光通量改变，光敏器件将该光通量的变化转换成电信号，通过信号调理模块对信号进行滤波和放大，然后用高速数据采集装置进行数据采集以获取相应的过靶信号，最后通过专用的软件对所获取的信号进行处理，从而得出破片速度［4］。

2 声光触发系统的设计

2.1 光触发系统的设计

光触发主要由光信号预处理模块、光电转换模块、信号调理模块、模数转换模块等组成。鉴于战斗部静爆试验大都在室外靶场进行，户外强光会对光敏器件的正常使用造成一定的影响，系统利用光信号预处理模块对光电探测器进行遮光处理，同时模块预设光汇聚结构，对火光进行汇聚，以提高系统的可靠性；光电转换模块将系统接收的光通量变化转换成电信号；信号调理模块主要对信号进行滤波、放大等处理；模数转换模块则实现模拟信号向数字信号的转换，系统组成框图如图2所示。

2.1.1 光信号预处理模块

战斗部静爆试验中，户外日光对光敏器件的影响不容忽视。日光的光谱范围很宽，且照度强，而爆破时的火光光谱能量大多集中在近红外范围内，故而有用信号的光谱与日光光谱部分重叠，造成二者无法完全分离出来［5］。本系统充分利用爆破火光与日光在方向性上的差异性，将二者在一定程度上分离开，同时还设有光汇聚结构，对系统接收的火光进行汇聚，以提高系统的可靠性。光敏器件单独置于电路板一侧，选用焦距为3.6mm、孔径比例为1∶2.0、视场角为52°、尺寸为Φ14×15 的AMTV3.6的小镜头，用CCD 座将汇聚镜头固定在电路板上，实物如图3所示。光信号预处理模块在汇聚光信号的同时，也可以遮挡部分环境光。

2.1.2 光电转换模块

系统的光电转换模块选用型号为TK130PD 的PIN 硅光电二极管，该器件具有灵敏度高、响应速度快、噪声低等特征，具体参数如表1所示。

表1 TK130PD的相关参数特性（T＝25℃）

根据光电二极管的光谱特性曲线及系统参数计算可得：光电二极管接收到的光强度在1.52 W／m2以上时，系统就可正常工作。

若战斗部到光触发装置的距离为20m，则由式（1）可得系统正常工作的火光强度约为5.23×105cd。光照度与发光强度的换算公式为

式中：Er为光照度值，lx；Ir为发光强度值，cd；r为光源与探测器之间的距离，m。

2.1.3 信号调理及模数转换模块

系统的信号调理模块实现信号的滤波、放大，模数转换模块实现模拟信号向数字信号的转化，原理图如图4所示。

信号调理模块主要由跨阻放大、滤波、电压信号放大等模块组成。光通量发生变化时，光电二极管产生一个反向电流信号；AD8066的第1路放大作为跨阻放大模块，将光电二极管输入的微弱的电流信号转换成较强的电压信号；第2路放大作为主放大模块，放大倍数为

综合考虑系统灵敏度及实际信号特征，设置Au＝20；C2和R6组成RC高通滤波器，用于滤除低频噪声信号，其下限截止频率为

本系统中C2为0.1μF，R6为500Ω；参数可以根据光信号的实际情况进行调整；此外C3、C4为去耦电容，可以有效地降低元件耦合到电源端的噪声，提高电源的稳定性，其中0.1μF的去耦电容有5 nH 的分布电感，由公式

可知其并行共振频率在7MHz左右，对10MHz以下的噪声有较好去耦效果；4.7μF的去耦电容的并行共振频率大约在2MHz以上，对低频噪声有较好去耦效果；模数转换模块选用电压比较器LM311来实现，可以根据需要调整R8、R9的阻值，设置合理的阈值，其中

通过合理设置阈值，可以有效防止因户外强光而造成的误触发，从而进一步提高系统的可靠性。

2.2 声触发系统的设计

爆破测试中，声音信号属于典型的特征信号之一，声触发系统使用非常便捷。其设计原理图如图5所示。

如图5所示，系统选用了灵敏度较高的电容式声传感器，它具有频率带宽广、响应曲线平直、非线性畸变小，瞬态响应好等优点；系统选用了NPN 型三极管进行电流信号的放大，可通过滑动变阻器R8来调节电压比较器的阈值大小，根据测试对象的具体参数，设置合理的阈值，从而有效地避免误触发，以提高系统的可靠性。待触发时系统输出高电平信号，当声音信号的强度达到预设信号强度时，系统输出低电平信号。

此外，大当量爆炸场破片速度测试中，考虑到声音传播速度慢，如果在声传感器接收到信号的同时开始采集数据，会造成破片过靶信号的丢失；为此需要根据相关参数设置合理的负延迟，以确保采集数据的完整性。以测试距离d＝20m、声音速度vs＝240m／s，采样率fs＝2 MHz，破片速度v＝1 400m／s为例，则

代入数据可得：负延迟≈89 200。即此时需要设置至少89 200 个数据点的负延迟，才能满足测试要求。

3 试验结果及分析

对于光触发系统，为了利用爆破火光与日光在方向性上的差异性，将二者在一定程度上分离开，故在试验中需要将其固定在地面合作目标的适当位置，并将光汇聚装置正对战斗部，如图6所示。对于声触发系统，则可以将其与测试主机布设在同一位置。

将声光触发系统应用于TNT 当量大于20kg的野外静爆试验中，触发系统布设在距爆心20 m处，获取的典型破片过靶信号波形如图7所示。 鉴于战斗部静爆试验次数所限，给出测试中获取的5次破片速度测试结果，数据如表2所示。

表2 多次战斗部预制破片速度测试结果

4 结束语

笔者设计了一种战斗部静爆试验中专用的声、光触发系统。其中光触发模块具有火光汇聚、背景光隔离等特点，可有效提高系统的可靠性和灵敏度，声触发模块具有宽频带、高响应速度的特点，通过对不同环境照度测试设定了合理的触发阈值。多次现场试验表明，在TNT 当量大于2kg时，触发系统距爆心20m 处，均可提供稳定、可靠的触发信号。该声光触发系统不但可与激光破片速度测试仪配合使用，也可为爆炸场中其他设备提供触发信号源。

（References）

［1］杨业敏，张旭东.一种野外测试用高性能触发线路［J］.爆炸与冲击，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，陈安敏，等.化爆试验中测试系统触发同步的新方法［J］.计量与测试技术，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］党妙妙，雷鸣，付永升.枪口声波触发系统设计［J］.机械与电子，2013，（3）：9－12.DANG Miaomiao，LEI Ming，FU Yongsheng.A design of muzzle sound trigger system［J］.Machinery ＆Electronics，2013，（3）：9－12.（in Chinese）

［4］刘吉，赵冬娥，于丽霞，等.激光光幕战斗部破片速度测试系统的信号处理［J］.弹箭与制导学报，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.冲击波测试与光触发设计［D］.太原：中北大学，2014.LIANG Jie.The shock wave test and design of lighttriggering［D］.Taiyuan：North University of China，2014.（in Chinese）