炮d爆炸d片速率测试系统的工作原理和方案设计

为了衡量炮d爆炸所产生的爆炸力，往往需要测量炮dd片的飞行速度。然而，炮d爆炸所产生的d片不仅数量不确定，而且各个d片的飞行方向和速率也各不相同。因此，测量炮d爆炸d片的速率要比测量q支子d的速率复杂得多。设计一种简单合理、便于实现的测试方法来测量炮d爆炸d片速率正是本文研究的课题。

1 测试原理

由于炮d爆炸时存在诸多不确定性因素，所以在测量d片速率时只能测其平均速率。具体原理如下：进行测试之前，在炮d周围放置一圈靶标，靶标与炮d的水平距离s0为8m。考虑到爆炸时d片将向斜上方飞出，为保证d片以较大的概率射中靶标，选择靶的最大高度skmax（即k取最大时的sk）不低于8m（10m左右为宜），如图1所示。如果能准确记录炮d爆炸的时刻t0和某一d片进入靶的时刻TI，则该d片的平均飞行速率为，其中k为该d片所属的d洞系列。一个d洞系列是指靶距相同且属于同一被测信号通道的一些d洞。因此，测量d片速率的关键在于能够准确测出炮d爆炸时刻t0和d片入靶时刻TI。利用数据采集卡可以实现上述目的。

如图2所示，在炮d爆炸瞬间，绕在炮d上的触发线立刻被炸断，触发线电平立即上升为Vtrg，Vtrg为一直流正电平，作触发电平用，其值应小于Vcc。从而触发数据采集卡，启动采集，开始记录靶上信号线的输出波形，波形起点即为炮d爆炸时刻t0。继续记录靶上信号线输出波形，根据其波形特点，即可确定各d片的入靶时刻TI。如图3所示，d片未入靶时，高电平Vcc未与信号线相连，采集到的数据为0电平。Vcc为一直流正电平，当d片入靶时，金属d片把Vcc与信号线相连，采集到的数据跳变为Vcc电平。当d片离靶后，信号线电平又回到0电平。因此，当多个d片先后入靶时，同一d洞系列的理想波形便应如图4所示。其中，t1、t2、t3分别为d片1、d片2、d片3的入靶时刻。t0为触发时刻，即炮d爆炸瞬间时刻。至此，炮d爆炸时刻和各d片入靶时刻均已准确测得，各d片的平均飞行速率即可由公式算出。

2 测试系统的软、硬件设计

2.1 硬 件

硬件部分主要由数据采集卡和靶标组成，关键在于选择合适的数据采集卡和靶标材料。

选择数据采集卡主要考虑其采样率和量程。实测中，数据采集卡的一个通道对应一个d洞系列，一个d洞系列可能射入0至多块d片。显然，当有多个d片射入时，各d片的入靶时间间隔将非常短，因此，只有采样率足够大的数据采集卡才能分辨出各d片的入靶时间间隔。为此，这里选用PCI50612数据采集卡，其采样频率最高为50Msps。由于炮d爆炸d片很多，其飞行方向各不相同，故布防的测试通道也多，实际多达几十个。所以需要采用多卡并行扩展的方式扩展测试通道，但这样会导致上位PC机开销很大，因而，实测中采样率选择不是越高越好。采样率越高，PC机处理的数据量越大，PC机处理越复杂。实测中使用12.5Msps档采样率，基本达到实测分辨率要求。此外，选择大量程的采集卡更好一些，实测中Vcc电压选择10V左右较佳，所以采集卡的量程必须大于10V。

靶标材料同样很重要。由图3可以看出，d片与靶上不同电平的二导线连接时，由于d片的电感效应和导线间的电容效应，正好形成了LC振荡，等效电路如图5所示，导致采集的波形不再是图4所示的理想波形。为了减小波形振荡，需要选择合适的材料，同时合理布线以减小导线的分布电容。图3中的下拉电阻R也有电容效应，等效电路如图6所示。当某一d片已离靶而下一d片又尚未入靶时，信号线电平并不降为0电平，而是稳定在某一值上，所以，也应该减小R的电容效应。受上述效应影响，采集卡采集到的波形已完全不像图4所示的理想波形，而是如图7所示的波形。

该系统的硬件连接如图8所示。其中每个靶区的电路图如图3所示，每个靶区采集的波形与图7所示波形相似，触发信号电路区如图2所示。显然，相邻靶区之间的间距不宜太大，以免漏测。但这样又会带来负面影响，即当靶区1有d片入靶而靶区2没有d片入靶时，靶区1将有LC振荡。由于共振，靶区2也会有同频振荡，只是振幅小一些。这种通道之间的相互干扰往往使人误认为在靶区1有d片入靶的同一时刻，靶区2也有d片入靶。由于靶区1和靶区2的靶距不一样，这样势必引起速率计算不准确。可以通过软件来消除这种假象。

2.2 软件设计

软件设计的主要任务是：根据采集到的如图7所示的波形，采用一种合适的算法，确定各d片的入靶时刻，从而计算各d片的平均飞行速率。具体的算法流程如图9。

根据已有的试验统计规律，同一靶区内二d片入靶时间间隔的最大值不会超过某一门限值Δt。据此可以把同一d片的交点合并在一起，以便区分各d片入靶时刻。如图10，Δt1小于门限值Δt，故该交点仍属于d片1的交点，而Δt2大于门限值？驻t，则该交点已不属于d片1，而是d片2的第一个交点。由于存在放电现象，在d片入靶前的某个时刻，电平就已经开始上升，故此处选择电平上升到Vcc的1/3处的时刻作为入靶时刻。

如前所述，由于LC振荡引起的通道间共振，将导致某个时刻本无d片入靶的通道也会出现与该时刻有d片入靶的通道相类似的波形。虽然无d片入靶时通道的波形振幅比较小，但其振幅偶尔也会超过Vcc。为避免误以为有d片入靶而导致的速率计算错误，可在下述算法中予以清除。如图10所示，对于每个d片，从d片入靶时的第一个交点起，向正时间方向平移时间tm2。从该时刻起，向正时间方向取tm2长的时间段求波形平均电平（如图10的），然后将该平均电平与该d片入靶前的平均电平（如图10的）相比较。如果电平阶跃差大于某门限值，则认为该通道此时刻有d片入靶；如果电平阶跃差小于此门限，则该通道此时刻无d片入靶。这是因为，根据试验统计规律，某时间段内，受其他通道干扰而产生的通道波形，其电平阶跃差不会很大。这样就可以解决LC振荡引起通道间共振引起的误以为d片入靶的计算错误。

3 结 论

本文采用PCI50612数据采集卡及合适的d靶信号线组成硬件电路，并配以相应的数字信号处理技术，为某部队靶场设计了一套炮d爆炸d片飞行速率测试系统。实验证实，测得的平均速率为1800m/s左右，达到了良好的测试效果。该方法原理简单，硬件设计成本较低，所用算法也不复杂，可方便地用于金属爆炸飞行物速率的测试。

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