嵌入胸腔靶标的冲击波存储测试系统设计

摘" 要： 针对目前面向人体胸腔的冲击波超压测试研究较少的问题，设计了模拟人体胸腔的圆筒形靶标，建立了一种嵌入胸腔靶标的冲击波超压存储测试系统，并对冲击波特征参数实时提取技术进行研究。测试系统由FPGA控制，选用ICP型压电式压力传感器，基于已有冲击波存储测试系统的基本功能，结合WiFi技术实现冲击波特征参数的实时提取功能，进行了实验室环境下系统功能检测和外场试验环境下的系统功能验证。结果表明，测试系统能完整记录胸腔靶标所受冲击波压力载荷的数据曲线并实时提取冲击波特征参数，为人体胸腔在冲击波压力载荷下的毁伤机理研究提供了新的手段。

关键词： 冲击波； 人体胸腔靶标； FPGA； 存储测试； 特征参数； 压力传感器

中图分类号： TN06⁃34； TJ06" " " " " " " " " " " "文献标识码： A" " " " " " " " " " " 文章编号： 1004⁃373X（2024）05⁃0035⁃07

Design of shock wave storage and test system embedded in thoracic cavity target

ZHANG Xiya1， 2， WANG Daihua1， 2

（1. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology， North University of China， Taiyuan 030051， China;

2. Key Laboratory of Instrumentation Science amp; Dynamic Measurement， Ministry of Education， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： In view of the less research on the shock wave overpressure test for human thoracic cavity， a cylindrical target simulating human thoracic cavity is designed， a shock wave overpressure storage and test system embedded in the thoracic cavity target is established， and the real⁃time extraction technology of shock wave characteristic parameters is studied. The test system is controlled by FPGA （field⁃programmable gate array）， and the ICP⁃type piezoelectric pressure sensor is adopted. On the basis of the basic functions of the existing shockwave storage and test system， the real⁃time extraction of shockwave characteristic parameters is realized in combination with the WiFi technology. The system function testing in the laboratory environment and the system function validation in the field test environment are carried out. The results show that the test system can completely record the data curve of the shock wave pressure load on the thoracic target and extract the shock wave characteristic parameters in real time， which provides a new means for the study of the destruction mechanism of the human thoracic cavity under the shock wave pressure load.

Keywords： shock wave; human thoracic target; FPGA; storage and test; characteristic parameter; pressure sensor

0" 引" 言

炸药是战斗部毁伤目标的能源物质，爆炸是一种极为迅速的能量释放过程，炸药瞬时化为一团火光，形成烟雾并产生巨响，附近形成强烈的冲击波，对有生力量和建筑物造成伤害[1⁃2]。国内爆炸冲击波的试验测试方法主要采用电测法[3⁃9]，将具有超压传感器的测试仪布设在距离爆心一定距离和高度上，将传感器的敏感面暴露在外界环境中来获取各测点处的冲击波超压曲线。但是冲击波压力对人体的作用来自各个方向，采用传统测试方法只能获取某一点的测量数据，与人体在爆炸场中实际承受的冲击波压力有着明显不同，所以对于人体所承受的爆炸冲击波需要采用不同的测量方法[10]进行研究。

以往针对冲击波对人体胸腔的毁伤机理研究中[11⁃17]，数值模拟和动物试验是常用的研究方法，但建立胸腔实物模型并获取其在冲击波场中实测数据的工作很少，制约了对冲击波对人体胸腔毁伤机理的研究。针对这一问题，本文设计了一种模拟人体胸腔的圆筒形靶标及可嵌入该靶标的微型冲击波存储测试系统，旨在建立一种针对人体胸腔受爆炸冲击波毁伤的测量方法，为准确计算和评估爆炸冲击波对人体胸腔的毁伤效果提供数据支撑。

1" 系统总体设计

1.1" 测试系统设计

针对测试目标，本文将测试系统分为三个部分，分别是现场的冲击波测试仪、远端计算机以及中间的无线通信部分，系统总体设计框架如图1所示。

传感器采集到冲击波压力信号后，将其传输至信号调理电路，通过直流耦合、信号增益、低通滤波将信号调理至适配AD转换的要求，之后信号进入采集存储模块进行模数转换和数据存储。电源管理模块负责低功耗设计并为各个模块提供相应的工作电压。无线通信部分采用WiFi通信技术，通过架设网桥实现远端计算机与爆炸场内冲击波测试系统之间的数据通信。远端计算机部分借助专用数据处理软件，具备WiFi和USB两种通信方式，在试验前进行工作参数设置和远程系统监测，在试验后提取特征参数和测试数据。

1.2" 胸腔靶标设计

以体重为75 kg的成年男性战士体型为参照，设计了一个模拟人体胸腔的圆筒形靶标，如图2所示。该靶标外形由高强度钢制材料构成，高度为700 mm、直径为305 mm，并在半高度位置以环绕的方式间隔90°均布4个微型测试仪。测试仪从圆筒内部安装，嵌入圆筒内；传感器安装在微型测试仪前端并与圆筒弧面相接，保证整个外露面光滑平整。其中一个测试仪正对爆心，如此实现对前、后、左、右4个方向上的冲击波压力进行测量。

2" 硬件设计

2.1" 传感器选型

目前冲击波超压传感器主要分为两种：压阻式压力传感器与压电式压力传感器[18]。压阻式压力传感器具有良好的低频特性，但易受火光和温度的影响，这使其在爆炸冲击波测试试验中受到制约。PCB公司的ICP型压电式压力传感器使用集成电路技术，内置电荷放大器，解决了试验环境对传感器的影响，输出电压为±5 V，响应时间小于1 μs，谐振频率大于500 kHz，非线性小于1%FS，满足冲击波超压信号的测试要求[19]。

2.2" 信号调理模块设计

信号调理模块作为连接传感器与AD之间的桥梁，起到将传感器输出信号调理至与AD转换相适配的作用。传感器输出信号中的直流偏置较高，使得后续处理存在困难，通常采用的交流耦合方式会影响信号的低频响应，故采用直流耦合的方式并配合设计直流偏置消除电路。针对小信号测试需求，加入增益可编程的信号放大电路来保证AD量化误差。设计了低通滤波电路以限制高频杂波来保证测试精度。

2.3" 采集存储模块设计

采集存储模块完成对模拟信号的数字转换、存储与传输的功能。由FPGA控制信号采样频率，采用高速低功耗FLASH存储器作为采集数据的存储单元。采用EEPROM存储系统的工作参数与提取的冲击波特征参数。测试系统的主要传输方式是通过WiFi无线传输，负责远程系统监测、数据与特征参数读取的功能。USB作为有线传输手段，也可完成对测试系统的调试。

2.4" 控制模块设计

控制模块由主控芯片FPGA和单片机构成。FPGA主要完成系统初始化、接收上位机指令、控制AD采样、识别冲击波信号、控制存储器等功能。单片机的主要功能包括接收FPGA定时参数并更新寄存器值，根据定时参数实现对无线部分和数字部分的低功耗电源管理功能。

2.5" 无线传输模块设计

无线传输模块由WiFi模块、AP和网桥组成。WiFi模块集成在测试仪内部，通过引出天线与AP通信，再通过网桥实现远距离通信。由于爆炸场的强破坏性，天线不能架的太高，无线近地传输性能要好。AP距离爆心要尽可能远，功率要保证无线传输距离满足要求。

2.6" 电源管理模块设计

电源管理模块为测试系统提供用电需要。采用8.4 V锂电池供电，通过升压和降压芯片实现电平转换，供电给传感器和各个模块。当测试系统完成冲击波超压信号的采集和存储后，进入低功耗模式以延长待机时间。

3" 软件设计

3.1" 主控程序设计

系统上电后，FPGA对每个模块进行复位和初始化。硬件复位后，先读取状态参数：如果系统仍处于数据保护状态，则无法进行新的存储操作，但可以进行参数设置和数据读取；在非保护状态下，系统才可以进行采、存操作。

系统初始化流程如下：基线调理至设定电压，根据EEPROM中的工作参数设置放大器增益、AD采样率、触发阈值、记录时长。系统初始化完成后，可随时通过计算机更改系统的工作参数。在工作状态下，系统持续采样传感器信号，并根据触发阈值和外触发信号做出触发判断。在未触发状态下，采样数据不断写入FIFO存储器，即负延迟区，不进行FLASH数据存储工作。信号达到触发阈值后，AD采样数据通过FIFO写入FLASH，同时计算冲击波超压峰值、正压作用时间和冲量。当写入FLASH的数据长度达到设定值时，停止数据采样和存储，并设置系统进入数据保护状态，将提取的冲击波特征参数写入EEPROM。系统主控程序流程如图3所示。

3.2" 计算机软件设计

根据模块化设计思想，计算机软件可分为4个部分：模式选择、指令交互、波形显示和数据读取。4个模块协同工作，实现计算机的软件功能设计。

在USB数据交互模式下，计算机通过USB接口与FT600Q芯片交互，FT600Q获得指令后与FPGA指令控制模块交互。在WiFi数据交互模式下，计算机通过无线网络与WiFi模块交互，WiFi模块获取指令后再与FPGA交互。指令交互流程如图4所示。

4" 系统功能验证及现场试验测试

4.1" 实验室环境下功能验证

系统调试完成后，首先在实验室环境下对系统的主要功能进行验证，如图5所示。

系统的主要功能包括数据采集、数据存储和数据读取。由信号发生器产生标准的1 kHz正弦波作为信号源，由系统采集存储后读取数据，计算机软件的显示结果如图6所示。由波形可以看出，测试系统完整地记录了1 kHz的正弦波信号，验证了系统采、存、读功能的正确性。

在实验室环境下验证无线传输速率，通过计算机控制无线模块对测试仪进行10 MB的数据读取，记录数据传输时间，求出传输速率。共进行了5次实验，在数据量均为10 MB时，传输用时分别是70 s、68 s、69 s、70 s、70 s，传输速率分别是1 198 Kb/s、1 233 Kb/s、1 215 Kb/s、1 198 Kb/s、1 198 Kb/s，平均传输速率是1 208 Kb/s，传输速率满足使用需求。

4.2" 现场试验验证

为进一步评估系统的适用性，参加了某静爆试验冲击波超压测试，现场布局如图7所示。在试验准备阶段，将胸腔靶标固定于爆炸场内某距离处，与爆心同高，以正对爆心的传感器为前测点，按顺时针方向依次为左侧点、后测点和右测点。在距离靶标100 m处布设AP与网桥，在距离试验现场3 km处架设远程网桥与计算机。胸腔靶标照片如图8所示。布置完毕后通过人工检测，确保系统工作正常，测试人员撤离至远程控制端。

试验结束后，在远程控制端无线读取冲击波超压特征参数，随后传输冲击波超压测试曲线。本文给出其中2次试验的测试结果，冲击波超压曲线如图9、图10所示，冲量曲线如图11、图12所示。特征参数提取统计表见表1。

从测试结果可以看出：测试系统完整记录了冲击波曲线，并提取出冲击波特征参数；靶标正面朝向冲击波时，前测点的冲击波压力远大于其他三个测点，左、右测点的冲击波压力基本一致，后测点受到的冲击波压力最小且正压作用时间最长；前测点冲量最大，左右测点冲量基本一致，前、后测点冲量大于左右两侧的冲量。

5" 结" 论

本文设计的冲击波存储测试系统经实验室检测，各项功能正常。经现场试验检测，可完整记录胸腔靶标4个方向所受冲击波压力载荷曲线，实时提取了冲击波特征参数。测试结果表明，测试系统稳定可靠，可用于模拟人体胸腔在爆炸试验中的冲击波超压测试，可为评估爆炸冲击波对人体胸腔的毁伤机理提供数据支撑。

注：本文通讯作者为王代华。

参考文献

[1] 卢芳云，蒋邦海，李翔宇，等.武器战斗部投射与毁伤[M].北京：科学出版社，2013.

[2] 祖静，马铁华，范锦彪，等.新概念动态测试[M].北京：国防工业出版社，2017.

[3] 王代华，宋林丽，张志杰.基于ICP传感器的存储式冲击波超压测试系统[J].传感技术学报，2012，25（4）：478⁃482.

[4] 翟永，翟涛，王代华，等.冲击波超压无线存储测试系统研究[J].传感技术学报，2015，28（12）：1893⁃1898.

[5] 王代华，范少波，朱金瑞，等.存储式冲击波测试系统的多参数程控技术[J].传感技术学报，2019，32（3）：380⁃384.

[6] 杨磊.静爆场冲击波测试系统动态特性与布点优化研究[D].太原：中北大学，2019.

[7] 刘宇，李顺，李新娥，等.冲击波超压测试系统的时基高精度同步[J].探测与控制学报，2023，45（1）：119⁃123.

[8] 宋林丽，马竹新，王代华，等.一种自适应触发门限的冲击波测试系统[J].兵器装备工程学报，2023，44（2）：120⁃125.

[9] 薛瑞华，王代华，李彤华，等.基于存储测试的冲击波特征参数快速评估技术[J].现代电子技术，2023，46（18）：43⁃46.

[10] 李冈，蔡萌，徐冰川，等.人体躯干冲击波超压测试方法研究[J].兵器装备工程学报，2022，43（6）：218⁃223.

[11] 薛瑞华.基于FPGA的冲击波测试系统及特征参数实时提取技术研究[D].太原：中北大学，2023.

[12] 刘震，李兵仓，周金生.爆炸性武器致胸部损伤的研究[J].中国胸心血管外科临床杂志，2001（1）：44⁃46.

[13] 段维勋，易定华，侯晓彬，等.爆炸性胸部创伤伤情特点分析[J].中国急救医学，2004（4）：25⁃27.

[14] MACFADDEN L N， CHAN P C， HO H H， et al. A model for predicting primary blast lung injury [J]. Journal of trauma and acute care surgery， 2012， 73（5）： 1121⁃1129.

[15] 周杰，陶钢，王健.爆炸冲击波对肺损伤的数值模拟[J].爆炸与冲击，2012，32（4）：418⁃422.

[16] 周杰，陶钢.人体胸部爆炸冲击波创伤模型与评估[J].弹道学报，2013，25（3）：64⁃69.

[17] NATO. Procedures for evaluating the protection level of logistic and light armored vehicles： AEP⁃55， Volume 2， mine threat [R]. Brussels： Allied Engineering Publication， 2011.

[18] 黄家蓉，王幸，孙桂娟.冲击波超压测量影响因素探索[C]//第一届全国工程安全与防护学术会议论文集.北京：中国岩石力学与工程学会，2008：161⁃165.

[19] 中国人民解放军总装备部.面杀伤导弹战斗部静爆威力试验方法 第3部分：冲击波超压测试：GJB 6390.3—2008[S].北京：总装备部军标出版发行部，2008.