多通道同步数据采集的大当量爆炸场参数光电测试系统

刘 秀，刘 吉，颜 兵，刘小彦，张 静

(中北大学 电子测试技术重点实验室，太原 030051)

【光学工程与电子技术】

多通道同步数据采集的大当量爆炸场参数光电测试系统

刘 秀，刘 吉，颜 兵，刘小彦，张 静

(中北大学 电子测试技术重点实验室，太原 030051)

针对战斗部爆炸场破片速度等参数测试中需要多点分布测试方法存在精度差，成本高的问题，提出了一种以爆炸火光作为触发信号源的多通道同步分布式数据采集系统；设计了光电触发模块将爆炸火光经过光电转换，信号调理形成触发信号源，多个数据采集单元的触发模块参数相同，保证其响应时间一致；采用多通道数据采集单元配合激光光幕破片数据采集可以构建多点测试系统；通过多次战斗部破片速度测试试验结果表明：在TNT当量为5 kg时，测试系统分别布设在距离爆心不同距离处，可以完成可靠触发并获得有效数据。

光电检测；爆炸场；速度；数据采集

对战斗部毁伤效能的评估常常采用静爆实验法对爆炸场产生冲击波超压和破片的速度分布等参数进行测试[1-3]。在破片速度测试时，由于测试现场环境恶劣，不同类型的战斗部破片的飞散规律不尽相同，为实现破片速度参数的全面准确测量，需要在爆心周围进行多点分布式同步测量系统[4-6]。当前，爆炸场多参数测量中多点同步测试的方法主要有多点布线法和GPS同步测量法。多点布线法原理简单，容易实现，但在测量时容易引入干扰源且布设费时费力，试验中容易损伤。GPS同步测量方法有测量设备体积小巧、全天候、精度高等优点，但是设备较为昂贵，操作复杂[7-9]。本文针对此问题，提出一种以爆炸火光作为触发信号源的多通道分布式同步爆炸场参数测试方法。

1 爆炸场参数多通道同步测试系统

爆炸场参数多通道同步测试系统主要由触发模块、激光光幕破片速度参数测试仪、分布多通道数据采集系统、信号分析专用软件组成[10]。如图1所示，以爆破中心为圆心，半径为5、10、15、20 m的圆上放置信号探测装置(也可以根据测试需求改变半径长度)。破片速度参数测试仪以激光模组作为主动光源，经过光学系统整形形成两个矩形激光光幕，由它们形成相互平行、距离确定的有效区域，根据定距测时法进行速度测试。触发模块提供同步触发信号，作为数据采集仪的启动时刻，同步获得破片过靶信号，进而处理得到破片速度参数。

图1 测试系统示意图

2 同步触发模块与控制程序

2.1 光电触发信号源

光触发模块主要由光信号预处理部分、光电变换部分、信号调理部分、A/D变换部分组成。系统的光信号预处理部分是指在实验开始前对光电探测器进行的遮光处理，并同时设计了聚光结构，光电变换部分的作用是将系统接收到的光通量进行变化，转换成可用的电信号[11-12]，信号调理部分主要是对电信号进行滤波、放大等处理；A/D变换部分则主要实现了模拟信号向数字信号的变换。光电二极管获得爆炸火光的瞬变光通量时形成反向光电流，放大器采用双运放AD8066，第一级完成A/V转换，第二级完成主放大功能，放大倍数为

(1)

接收光强与爆心距离平方成反比，设置Au=20 K/1 K=20，通过C2、R3组成的RC高通滤波器和电压比较器LM311实现了对输出电平值的控制，可以根据实验的具体需求适当调整R8、R9的阻值设置阈值VT,当背景光过强时，容易造成误触发，此时可以对VT进行调整。

(2)

图2 光触发电路原理图

利用爆炸火光和太阳光光谱成份和入射角度的差异性将阳光隔离，采用光学镜头完成爆炸火光的会聚。将光电传感器与光电调理电路集成在同一电路板，镜头焦距为3.6 mm、F值为1∶2、视场角为52°，安装相应的调节底座，实物如图3所示。

图3 光触发系统信号预处理模块实物

2.2 虚拟仪器的软件实现

虚拟仪器软件的流程图如图4所示，首先对其进行初始化选择和设置，设备自检通过后启动数据采集程序，否则系统自动返回初始阶段重新判断。数采程序启动后，先完成采集参数配置，可以选择默认参数配置或手动设置参数；而后系统进入待触发状态，如果接收到正常触发信号，这组信号将被保存，否则系统也会自动返回到初始化设计后进行再判断，并给予故障提示；被保存的有效信号经过数据缓存处理后可选择是否生成报告[13-16]。

3 实验验证

以TNT当量为5 kg的战斗部为研究对象，在距离爆炸中心L1=10 m、L2=15 m、L3=20 m的不同方位分别布置3个测试点，每个测试点2个通道，共6个通道，某个测试点布置如图5所示，测试主机位于地下，地上只保留光反射合作目标，外加保护壳体和调整机构的光电触发模块采用磁钢吸附于合作目标的框架之上，调整会聚方向对准爆心方向。获得典型波形如图6(a)、(b)所示，典型数据如表1所示。图6中，显示获取的4个破片过靶波形，设置采样率2.5 M/s，采样时间10 ms。启动、停止两通道中4个破片波形逐一对应的关系。

图4 虚拟仪器软件流程

图5 系统现场布设图

共进行了2组实验，每组5发，每发均可靠触发，在某些实验中同时采用了断线触发的方式以比对触发时刻的同步性，比对结果发现二者误差在μs量级，达到了与采集设备采样间隔时间可比拟的程度，满足设计要求。

实验在野外自然照明下进行，实验中经历了全天的不同光照强度(本地区光照度范围：1.0×104～1.2×105lux)，没有出现环境光误触发现象。但通过采集触发信号发现，调整视场方向得到的原始光电信号幅度存在差异，实际使用时应该增加瞄准和调整机构以保证接收足够的爆炸火光。

表1 实验数据 m/s

图6 破片的典型波形

本方法实验成成本在千元量级，而GPS系统主模块需要GPS发射器，从模块需要GPS接收器同步的方法比较，每套的实验成本在万元量级。在弹体固定触发线分别引线至各个采集点的触发的方式也十分可靠，但是每次实验需要重现接线，实验过程中经常出现触发线被破片击中而重新布设，浪费了人力物力，降低了实验效率。因此，实验和理论分析表明，本方法与其他方法相比经济、可靠、实验效率高，满足大当量激光测试速度参数测试系统多通道同步测试的要求。

4 结论

本文提出了基于光触发同步的多通道数据采集爆炸场参数测试技术，该技术利用爆炸时产生的瞬时火光作为触发源完成多通道数据的同步采集，使用该方法与激光破片测速仪联合使用可完成战斗部破片速度的测试，专用的虚拟仪器软件完成系统自检和时序的控制。通过对5 kg战斗部静爆现场试验，完成了多个通道破片信号的同步采集和处理。实验表明：该方法满足测试要求，能保证测试数据的可靠捕捉，解决了以往多个触发引线存在的费时费力可靠性差的问题。

[1] 田培培.温压药剂爆炸高温场特性红外测试技术研究[D].太原：中北大学,2016.

[2] 张茹开.爆炸瞬态温度测试方法研究[D].太原：中北大学,2013.

[3] 胡皓南.冲击波超压智能测试系统的研究[D].太原：中北大学,2013.

[4] 徐菲.毁伤威力场测试系统软件关键技术研究[D].太原：中北大学，2013.

[5] 陈凯.分布式网络化测试系统中的同步触发技术研究[D].太原：中北大学，2008.

[6] 王浩,刘文怡,韩志军.多通道同步数据采集与处理系统的设计与实现[J].通信技术,2009(1):297-299.

[7] 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.

[8] 徐景茂，李永池，陈安敏.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(10):58-61.

[9] 胡茂力，李艳春，肖南峰.基于物联网的多传感器数据采集系统研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(10)：108 - 117．

[10]花江.基于差分GPS的战术数据链高精度时间同步[J].电讯技术,2016(4):389-393.

[11]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(2):49-51.

[12]ZHENG Ailian,ZHANG Jie,HUANG Bozhi.Stability Analysis and Design of a Mono-pulse Photoelectric Detecting System[C]//Information Engineering Research Institute,USA.Proceedings of 2013International Conference on Mechatronic Systems and Materials Application(ICMSMA 2013).Information Engineering Research Institute,USA,2013.

[13]梁杰.冲击波测试与光触发设计[D].太原：中北大学,2014.

[14]刘珊.基于虚拟仪器的弹药特种效能参数测试技术研究[D].长春：长春理工大学,2013.

[15]JIN Nan,CHEN Yuanzeng.The Design Of High-precision,High-capacity,Multi-channel Synchronous Data Acquisition System Based On STM32[C]//International Informatization and Engineering Associations、Atlantis Press.Proceedings of 2015 4th International Conference on Mechatronics,Materials,Chemistry and Computer Engineering (ICMMCCE 2015).International Informatization and Engineering Associations、Atlantis Press,2015.

[16]LIU Junzhi.Design of a dual channel high-speed wideband synchronous data acquisition system[C]//IEEE Beijing Section、Chinese Institute of Electronics.Proceedings of 2015 12th IEEE International Conference on Electronic Measurement & Instruments.IEEE Beijing Section、Chinese Institute of Electronics,2015.

[17]张学伦，张团，王昭明.基于 AUTODYN 爆炸场三波点的数值模拟[J].四川兵工学报，2015(3)：17-19．

(责任编辑杨继森)

Design of Explosion Field Parameters Test System Based on Multichannel Synchronous Data Acquisition

LIU Xiu, LIU Ji, YAN Bing, LIU Xiao-yan, ZHANG Jing

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Aiming at the needing distribution system of parameters measurement, such as fragment velocity in warhead explosion and the deficiency of poor accuracy and high cost of existing methods, a multichannel synchronous distributed data acquisition system based on explosion of fire as the trigger signal source was proposed. A photoelectric trigger module was designed, which could transform from explosion fire to the trigger signal source after photoelectric conversion and signal processing. Every trigger module keeps same parameters, that can ensures that it’s have corresponding time. Combining PXI data acquisition unit and laser screen fragments measurement unit can build testing system. The results show that the systems could work properly at different distance, when the TNT equivalent of warhead is 5kg.

photoelectric measurement; explosion field; velocity; synchronous data acquisition

2016-09-12；

2016-10-15

电子测试技术重点实验室基金(9140C12040515X)

刘秀(1990—)，女，硕士研究生，主要从事光电探测理论与技术研究。

10.11809/scbgxb2017.01.030

刘秀，刘吉，颜兵，等.多通道同步数据采集的大当量爆炸场参数光电测试系统[J].兵器装备工程学报，2017(1):130-133.

format:LIU Xiu, LIU Ji, YAN Bing, et al.Design of Explosion Field Parameters Test System Based on Multichannel Synchronous Data Acquisition[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):130-133.

TN247

A