王波 胡燕

【摘? 要】沖擊波超壓測(cè)試是武器系統(tǒng)毀傷效果評(píng)估的重要手段，傳統(tǒng)沖擊波超壓測(cè)試是通過低噪聲電纜拉長(zhǎng)線遠(yuǎn)距離測(cè)量的，爆轟當(dāng)量大時(shí)拉線較長(zhǎng)，會(huì)對(duì)沖擊波信號(hào)測(cè)量產(chǎn)生干擾，影響其準(zhǔn)確性。無線沖擊波超壓存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，采用存儲(chǔ)測(cè)試和無線管理相結(jié)合的方式，避免了長(zhǎng)線測(cè)量帶來的信號(hào)干擾，免布線無線管理方式節(jié)約了測(cè)試成本，提前開機(jī)啟動(dòng)方式避免了因觸發(fā)閾值設(shè)置過低造成的誤啟動(dòng)和觸發(fā)閾值設(shè)置過高造成的不啟動(dòng)。

【Abstract】Shock wave overpressure test is an important method for assessing the damage effect of weapon systems. Traditional shock wave overpressure test is measured by low-noise cable extension wires at a long distance. When the detonation equivalent is large， the drawwire is longer， which will disturb the measurement of shock wave signal and affect its accuracy. Wireless shock wave overpressure storage test system， by adopting the combination of storage test and wireless management way， to avoid the long term measurement of signal interference， avoid wiring wireless management way to save the test cost. The startup mode of starting in advance avoids the false startup caused by too low trigger threshold setting and the non-startup caused by too high trigger threshold setting.

【關(guān)鍵詞】沖擊波超壓;ZigBee;LORA擴(kuò)頻;彈載記錄器

【Keywords】shock wave overpressure; ZigBee; LORA spread spectrum; missile-borne recorder

【中圖分類號(hào)】TP271+.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）06-0159-02

1 引言

大當(dāng)量爆轟試驗(yàn)沖擊波超壓測(cè)試時(shí)，傳統(tǒng)的拉長(zhǎng)線測(cè)量缺點(diǎn)突出：

①信號(hào)線拉線較長(zhǎng)，會(huì)對(duì)真實(shí)的信號(hào)產(chǎn)生干擾;②戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)彈片經(jīng)常會(huì)擊中信號(hào)線，導(dǎo)致記錄信號(hào)不完整;③低噪聲電纜價(jià)格昂貴，一次測(cè)量成本高;④多路測(cè)量時(shí)電纜布線復(fù)雜，試驗(yàn)需提前一兩天準(zhǔn)備;⑤為防止測(cè)試電纜被彈片擊中，需深埋地下，不利于寒區(qū)作業(yè)。怎樣高效、低成本、精準(zhǔn)、可靠地獲得沖擊波超壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是大當(dāng)量戰(zhàn)斗部毀傷評(píng)估試驗(yàn)中迫切需要解決的問題。

針對(duì)目前大當(dāng)量戰(zhàn)斗部毀傷評(píng)估中沖擊波超壓測(cè)試出現(xiàn)的問題，開發(fā)設(shè)計(jì)一款具有無線管理功能的存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)有線測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯：

①傳感器和記錄器一體設(shè)計(jì)，信號(hào)傳輸線長(zhǎng)度小于10cm，殼體屏蔽不易受外界信號(hào)干擾;②記錄器采取遠(yuǎn)程無線管理，不浪費(fèi)測(cè)試電纜，節(jié)約測(cè)試成本;③無線管理部分采用LORA擴(kuò)頻技術(shù)，可以任意添加中繼設(shè)備以達(dá)到避障和增程的目的;④點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信有利于單個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)狀態(tài)管理，群發(fā)啟動(dòng)采集指令使測(cè)試節(jié)點(diǎn)同步時(shí)間小于4us;⑤單次20min和7次3min采集模式設(shè)置縮短了系統(tǒng)復(fù)位時(shí)間，可以一次記錄7個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)后統(tǒng)一讀取，使1天內(nèi)進(jìn)行多次沖擊波超壓測(cè)試試驗(yàn)成為可能[1]。本文詳細(xì)闡述了該無線測(cè)試系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、原理樣機(jī)和試驗(yàn)驗(yàn)證等。

2 方案設(shè)計(jì)

無線沖擊波超壓存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)包括測(cè)試節(jié)點(diǎn)、中繼設(shè)備、遠(yuǎn)端無線控制裝置和工控機(jī)（或加固筆記本電腦）組成。

測(cè)試節(jié)點(diǎn)由ICP壓力傳感器感受爆轟沖擊波產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路把ICP壓力傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)兩級(jí)放大后濾波處理以適應(yīng)AD的輸入范圍，再由高速AD轉(zhuǎn)換器將調(diào)理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成16位數(shù)字量，在控制器協(xié)同下將16位數(shù)字量存儲(chǔ)到大容量閃存中，由于閃存的非易失性，該存儲(chǔ)器保證在意外斷電情況下，斷電之前的數(shù)據(jù)有效可讀。無線收發(fā)模塊主要負(fù)責(zé)接收遠(yuǎn)程控制設(shè)備發(fā)出的指令，當(dāng)指令內(nèi)包含的地址信息和自身地址相同時(shí)返回測(cè)試節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息[2]。電池經(jīng)電源管理電路升壓恒流后給ICP壓力傳感器供電，通過LDO降壓給放大器、存儲(chǔ)器、A/D、控制器和無線收發(fā)模塊供電。斷靶信號(hào)通過光電隔離后再輸送給控制器，USB2.0讀數(shù)接口保證測(cè)試節(jié)點(diǎn)和計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)高速傳輸。測(cè)試節(jié)點(diǎn)原理如圖1所示。

無線通信模塊選用EBYTE公司E22系列模塊，模塊型號(hào)為E22-400T30S。該模塊基于SEMTECH公司SX1268射頻芯片設(shè)計(jì)，芯片采取全新一代LORA擴(kuò)頻技術(shù)，工作在（410.125～493.125MHz）頻段（默認(rèn)433.125 MHz）。模塊支持LBT功能，發(fā)射前自動(dòng)檢測(cè)信道噪聲，噪聲超過閾值延時(shí)發(fā)送，可極大地提高模塊在惡劣環(huán)境下的通信成功率。模塊有RSSI信號(hào)強(qiáng)度指示功能，用于評(píng)估信號(hào)質(zhì)量、改善通信網(wǎng)絡(luò)和測(cè)距，該功能亦可配合軟件實(shí)現(xiàn)手動(dòng)LBT功能[3]。模塊內(nèi)置低噪聲放大器（LNA）和功率放大器（PA），實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的通信距離和更強(qiáng)的抗干擾能力。

接收機(jī)靈敏度與濾波器帶寬如下式關(guān)系：

Pr=KT0Bn（S/N）i

Bn為濾波器帶寬（3倍調(diào)制碼率），KT0為-147dBm/Hz，對(duì)于FSK體制，若對(duì)誤碼率要求的指標(biāo)為10-5，則最低信噪比為14dB，靈敏度要求為-100dBm，接收機(jī)帶寬約為750kHz。實(shí)際接收機(jī)靈敏度設(shè)計(jì)指標(biāo)可優(yōu)于-90dBm，考慮到平均功耗，發(fā)射機(jī)功率設(shè)計(jì)為30dBm。圖2展示了E22系列模塊在LORA擴(kuò)頻通信數(shù)據(jù)傳輸時(shí)遇到干擾物或障礙物后進(jìn)入自動(dòng)跳頻模式。

測(cè)試節(jié)點(diǎn)通過軟件可以設(shè)置成單次20min采集模式和7次3min采集模式，其中后者為常用模式也是默認(rèn)模式。測(cè)試節(jié)點(diǎn)內(nèi)置可充電鋰電池，試驗(yàn)前充滿電按爆轟當(dāng)量的大小和傳感器量程布置在距爆心不同半徑處，中繼設(shè)備按地形和控制距離的遠(yuǎn)近布置，以實(shí)現(xiàn)增程和避障作用，原則上中繼設(shè)備最多可以布置256個(gè)，但實(shí)際使用中一般不超過3個(gè)就可以實(shí)現(xiàn)10km內(nèi)的有效控制和避障。

3 原理樣機(jī)

在基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)實(shí)用化原理樣機(jī)對(duì)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)用化原理樣機(jī)開發(fā)流程分為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)驗(yàn)證3步。系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求完成各模塊的設(shè)計(jì)生產(chǎn)加工，然后進(jìn)行計(jì)算機(jī)程序開發(fā)同時(shí)確定系統(tǒng)工作時(shí)序，最后基于系統(tǒng)軟件仿真和半實(shí)物仿真平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真評(píng)估/優(yōu)化。系統(tǒng)集成主要完成實(shí)用化原理樣機(jī)集成及整機(jī)性能實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，最后進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。無線沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)50個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證原理樣機(jī)的可行性，在某基地進(jìn)行了一次50kg的TNT當(dāng)量的爆轟試驗(yàn)，在距爆心半徑12m和18m的位置分別布置3個(gè)無線測(cè)試節(jié)點(diǎn)和3個(gè)有線測(cè)試節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)程無線控制裝置放置在直線距離11.8km處，因爆點(diǎn)和遠(yuǎn)程控制端有一個(gè)小山包，在山的一側(cè)和山的背后放2個(gè)中繼設(shè)備，6個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)點(diǎn)名、自檢和啟動(dòng)正常，整個(gè)試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間53min，試驗(yàn)結(jié)束后回收測(cè)試節(jié)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果和同一半徑有線測(cè)試結(jié)果相比較，壓力值和脈寬誤差范圍不超過5%（有線測(cè)試只測(cè)到4條完整有效的曲線）。圖4為無線沖擊波超壓測(cè)試節(jié)點(diǎn)不同半徑處沖擊波超壓曲線。

5 結(jié)論

采用無線管理和存儲(chǔ)測(cè)試相結(jié)合的沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)節(jié)約了測(cè)試成本、縮短了準(zhǔn)備時(shí)間、降低了信號(hào)干擾、提高了系統(tǒng)可靠性、實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無線控制，在大當(dāng)量戰(zhàn)斗部毀傷效果評(píng)估中優(yōu)勢(shì)明顯，經(jīng)過原型樣機(jī)和試驗(yàn)驗(yàn)證原理可行。

【參考文獻(xiàn)】

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