炮彈爆炸彈片速率測試系統(tǒng)的工作原理和方案設(shè)計

為了衡量炮彈爆炸所產(chǎn)生的爆炸力，往往需要測量炮彈彈片的飛行速度。然而，炮彈爆炸所產(chǎn)生的彈片不僅數(shù)量不確定，而且各個彈片的飛行方向和速率也各不相同。因此，測量炮彈爆炸彈片的速率要比測量槍支子彈的速率復(fù)雜得多。設(shè)計一種簡單合理、便于實現(xiàn)的測試方法來測量炮彈爆炸彈片速率正是本文研究的課題。

1 測試原理

由于炮彈爆炸時存在諸多不確定性因素，所以在測量彈片速率時只能測其平均速率。具體原理如下：進行測試之前，在炮彈周圍放置一圈靶標，靶標與炮彈的水平距離s0為8m?？紤]到爆炸時彈片將向斜上方飛出，為保證彈片以較大的概率射中靶標，選擇靶的最大高度skmax（即k取最大時的sk）不低于8m（10m左右為宜），如圖1所示。如果能準確記錄炮彈爆炸的時刻t0和某一彈片進入靶的時刻ti，則該彈片的平均飛行速率為，其中k為該彈片所屬的彈洞系列。一個彈洞系列是指靶距相同且屬于同一被測信號通道的一些彈洞。因此，測量彈片速率的關(guān)鍵在于能夠準確測出炮彈爆炸時刻t0和彈片入靶時刻ti。利用數(shù)據(jù)采集卡可以實現(xiàn)上述目的。

如圖2所示，在炮彈爆炸瞬間，繞在炮彈上的觸發(fā)線立刻被炸斷，觸發(fā)線電平立即上升為Vtrg，Vtrg為一直流正電平，作觸發(fā)電平用，其值應(yīng)小于Vcc。從而觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡，啟動采集，開始記錄靶上信號線的輸出波形，波形起點即為炮彈爆炸時刻t0。繼續(xù)記錄靶上信號線輸出波形，根據(jù)其波形特點，即可確定各彈片的入靶時刻ti。如圖3所示，彈片未入靶時，高電平Vcc未與信號線相連，采集到的數(shù)據(jù)為0電平。Vcc為一直流正電平，當彈片入靶時，金屬彈片把Vcc與信號線相連，采集到的數(shù)據(jù)跳變?yōu)閂cc電平。當彈片離靶后，信號線電平又回到0電平。因此，當多個彈片先后入靶時，同一彈洞系列的理想波形便應(yīng)如圖4所示。其中，t1、t2、t3分別為彈片1、彈片2、彈片3的入靶時刻。t0為觸發(fā)時刻，即炮彈爆炸瞬間時刻。至此，炮彈爆炸時刻和各彈片入靶時刻均已準確測得，各彈片的平均飛行速率即可由公式算出。

2 測試系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計

2.1 硬 件

硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集卡和靶標組成，關(guān)鍵在于選擇合適的數(shù)據(jù)采集卡和靶標材料。

選擇數(shù)據(jù)采集卡主要考慮其采樣率和量程。實測中，數(shù)據(jù)采集卡的一個通道對應(yīng)一個彈洞系列，一個彈洞系列可能射入0至多塊彈片。顯然，當有多個彈片射入時，各彈片的入靶時間間隔將非常短，因此，只有采樣率足夠大的數(shù)據(jù)采集卡才能分辨出各彈片的入靶時間間隔。為此，這里選用PCI50612數(shù)據(jù)采集卡，其采樣頻率最高為50Msps。由于炮彈爆炸彈片很多，其飛行方向各不相同，故布防的測試通道也多，實際多達幾十個。所以需要采用多卡并行擴展的方式擴展測試通道，但這樣會導致上位PC機開銷很大，因而，實測中采樣率選擇不是越高越好。采樣率越高，PC機處理的數(shù)據(jù)量越大，PC機處理越復(fù)雜。實測中使用12.5Msps檔采樣率，基本達到實測分辨率要求。此外，選擇大量程的采集卡更好一些，實測中Vcc電壓選擇10V左右較佳，所以采集卡的量程必須大于10V。

靶標材料同樣很重要。由圖3可以看出，彈片與靶上不同電平的二導線連接時，由于彈片的電感效應(yīng)和導線間的電容效應(yīng)，正好形成了LC振蕩，等效電路如圖5所示，導致采集的波形不再是圖4所示的理想波形。為了減小波形振蕩，需要選擇合適的材料，同時合理布線以減小導線的分布電容。圖3中的下拉電阻R也有電容效應(yīng)，等效電路如圖6所示。當某一彈片已離靶而下一彈片又尚未入靶時，信號線電平并不降為0電平，而是穩(wěn)定在某一值上，所以，也應(yīng)該減小R的電容效應(yīng)。受上述效應(yīng)影響，采集卡采集到的波形已完全不像圖4所示的理想波形，而是如圖7所示的波形。

該系統(tǒng)的硬件連接如圖8所示。其中每個靶區(qū)的電路圖如圖3所示，每個靶區(qū)采集的波形與圖7所示波形相似，觸發(fā)信號電路區(qū)如圖2所示。顯然，相鄰靶區(qū)之間的間距不宜太大，以免漏測。但這樣又會帶來負面影響，即當靶區(qū)1有彈片入靶而靶區(qū)2沒有彈片入靶時，靶區(qū)1將有LC振蕩。由于共振，靶區(qū)2也會有同頻振蕩，只是振幅小一些。這種通道之間的相互干擾往往使人誤認為在靶區(qū)1有彈片入靶的同一時刻，靶區(qū)2也有彈片入靶。由于靶區(qū)1和靶區(qū)2的靶距不一樣，這樣勢必引起速率計算不準確?？梢酝ㄟ^軟件來消除這種假象。

2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的主要任務(wù)是：根據(jù)采集到的如圖7所示的波形，采用一種合適的算法，確定各彈片的入靶時刻，從而計算各彈片的平均飛行速率。具體的算法流程如圖9。

根據(jù)已有的試驗統(tǒng)計規(guī)律，同一靶區(qū)內(nèi)二彈片入靶時間間隔的最大值不會超過某一門限值Δt。據(jù)此可以把同一彈片的交點合并在一起，以便區(qū)分各彈片入靶時刻。如圖10，Δt1小于門限值Δt，故該交點仍屬于彈片1的交點，而Δt2大于門限值？駐t，則該交點已不屬于彈片1，而是彈片2的第一個交點。由于存在放電現(xiàn)象，在彈片入靶前的某個時刻，電平就已經(jīng)開始上升，故此處選擇電平上升到Vcc的1/3處的時刻作為入靶時刻。

如前所述，由于LC振蕩引起的通道間共振，將導致某個時刻本無彈片入靶的通道也會出現(xiàn)與該時刻有彈片入靶的通道相類似的波形。雖然無彈片入靶時通道的波形振幅比較小，但其振幅偶爾也會超過Vcc。為避免誤以為有彈片入靶而導致的速率計算錯誤，可在下述算法中予以清除。如圖10所示，對于每個彈片，從彈片入靶時的第一個交點起，向正時間方向平移時間tm2。從該時刻起，向正時間方向取tm2長的時間段求波形平均電平（如圖10的），然后將該平均電平與該彈片入靶前的平均電平（如圖10的）相比較。如果電平階躍差大于某門限值，則認為該通道此時刻有彈片入靶；如果電平階躍差小于此門限，則該通道此時刻無彈片入靶。這是因為，根據(jù)試驗統(tǒng)計規(guī)律，某時間段內(nèi)，受其他通道干擾而產(chǎn)生的通道波形，其電平階躍差不會很大。這樣就可以解決LC振蕩引起通道間共振引起的誤以為彈片入靶的計算錯誤。

3 結(jié) 論

本文采用PCI50612數(shù)據(jù)采集卡及合適的彈靶信號線組成硬件電路，并配以相應(yīng)的數(shù)字信號處理技術(shù)，為某部隊靶場設(shè)計了一套炮彈爆炸彈片飛行速率測試系統(tǒng)。實驗證實，測得的平均速率為1800m/s左右，達到了良好的測試效果。該方法原理簡單，硬件設(shè)計成本較低，所用算法也不復(fù)雜，可方便地用于金屬爆炸飛行物速率的測試。

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