大當(dāng)量爆炸場(chǎng)破片速度測(cè)試系統(tǒng)中聲光觸發(fā)設(shè)計(jì)

劉小彥，劉 吉，張 斌，李世偉，曹 勛

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)中，精確觸發(fā)是測(cè)試試驗(yàn)的必要條件。因此根據(jù)爆轟時(shí)的特性參數(shù)設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定、可靠的觸發(fā)系統(tǒng)至關(guān)重要。

近年來，針對(duì)野外爆破試驗(yàn)觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，國內(nèi)科研院所做了大量的研究工作。楊業(yè)敏、徐景茂等先后提出了基于通斷靶的觸發(fā)設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，該方案需要攜帶電纜，每次爆破前都需要重新纏繞觸發(fā)信號(hào)線［1－2］；黨妙妙等提出了一種槍口聲波觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案具有一定的優(yōu)勢(shì)，但需針對(duì)有用聲波信號(hào)的具體特征預(yù)先設(shè)置信號(hào)識(shí)別參數(shù)［3］。不少學(xué)者提出了在不同應(yīng)用背景下的基于光信號(hào)的觸發(fā)設(shè)計(jì)方案，但是鑒于各種測(cè)試環(huán)境光信號(hào)的特征差異，光觸發(fā)在某些惡劣測(cè)試環(huán)境中并未得到廣泛應(yīng)用。

在大當(dāng)量戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)中，針對(duì)采用通斷靶觸發(fā)引起的操作繁瑣、安全性差的問題，設(shè)計(jì)了一種非接觸式聲光觸發(fā)系統(tǒng)。

1 激光光幕破片速度測(cè)試系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由測(cè)試主機(jī)、地面合作目標(biāo)、高速數(shù)據(jù)采集裝置等組成，示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)主機(jī)以激光為光源，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)整形為矩形激光光幕，形成兩個(gè)互相平行、距離一定的有效區(qū)域。光源發(fā)出的光經(jīng)地面合作目標(biāo)反射后被光敏器件接收，當(dāng)破片飛行穿過靶面時(shí)，光通量改變，光敏器件將該光通量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，然后用高速數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以獲取相應(yīng)的過靶信號(hào)，最后通過專用的軟件對(duì)所獲取的信號(hào)進(jìn)行處理，從而得出破片速度［4］。

2 聲光觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 光觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光觸發(fā)主要由光信號(hào)預(yù)處理模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等組成。鑒于戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)大都在室外靶場(chǎng)進(jìn)行，戶外強(qiáng)光會(huì)對(duì)光敏器件的正常使用造成一定的影響，系統(tǒng)利用光信號(hào)預(yù)處理模塊對(duì)光電探測(cè)器進(jìn)行遮光處理，同時(shí)模塊預(yù)設(shè)光匯聚結(jié)構(gòu)，對(duì)火光進(jìn)行匯聚，以提高系統(tǒng)的可靠性；光電轉(zhuǎn)換模塊將系統(tǒng)接收的光通量變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；信號(hào)調(diào)理模塊主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等處理；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊則實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

2.1.1 光信號(hào)預(yù)處理模塊

戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)中，戶外日光對(duì)光敏器件的影響不容忽視。日光的光譜范圍很寬，且照度強(qiáng)，而爆破時(shí)的火光光譜能量大多集中在近紅外范圍內(nèi)，故而有用信號(hào)的光譜與日光光譜部分重疊，造成二者無法完全分離出來［5］。本系統(tǒng)充分利用爆破火光與日光在方向性上的差異性，將二者在一定程度上分離開，同時(shí)還設(shè)有光匯聚結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)接收的火光進(jìn)行匯聚，以提高系統(tǒng)的可靠性。光敏器件單獨(dú)置于電路板一側(cè)，選用焦距為3.6mm、孔徑比例為1∶2.0、視場(chǎng)角為52°、尺寸為Φ14×15 的AMTV3.6的小鏡頭，用CCD 座將匯聚鏡頭固定在電路板上，實(shí)物如圖3所示。光信號(hào)預(yù)處理模塊在匯聚光信號(hào)的同時(shí)，也可以遮擋部分環(huán)境光。

2.1.2 光電轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換模塊選用型號(hào)為TK130PD 的PIN 硅光電二極管，該器件具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、噪聲低等特征，具體參數(shù)如表1所示。

表1 TK130PD的相關(guān)參數(shù)特性（T＝25℃）

根據(jù)光電二極管的光譜特性曲線及系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算可得：光電二極管接收到的光強(qiáng)度在1.52 W／m2以上時(shí)，系統(tǒng)就可正常工作。

若戰(zhàn)斗部到光觸發(fā)裝置的距離為20m，則由式（1）可得系統(tǒng)正常工作的火光強(qiáng)度約為5.23×105cd。光照度與發(fā)光強(qiáng)度的換算公式為

式中：Er為光照度值，lx；Ir為發(fā)光強(qiáng)度值，cd；r為光源與探測(cè)器之間的距離，m。

2.1.3 信號(hào)調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波、放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化，原理圖如圖4所示。

信號(hào)調(diào)理模塊主要由跨阻放大、濾波、電壓信號(hào)放大等模塊組成。光通量發(fā)生變化時(shí)，光電二極管產(chǎn)生一個(gè)反向電流信號(hào)；AD8066的第1路放大作為跨阻放大模塊，將光電二極管輸入的微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成較強(qiáng)的電壓信號(hào)；第2路放大作為主放大模塊，放大倍數(shù)為

綜合考慮系統(tǒng)靈敏度及實(shí)際信號(hào)特征，設(shè)置Au＝20；C2和R6組成RC高通濾波器，用于濾除低頻噪聲信號(hào)，其下限截止頻率為

本系統(tǒng)中C2為0.1μF，R6為500Ω；參數(shù)可以根據(jù)光信號(hào)的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；此外C3、C4為去耦電容，可以有效地降低元件耦合到電源端的噪聲，提高電源的穩(wěn)定性，其中0.1μF的去耦電容有5 nH 的分布電感，由公式

可知其并行共振頻率在7MHz左右，對(duì)10MHz以下的噪聲有較好去耦效果；4.7μF的去耦電容的并行共振頻率大約在2MHz以上，對(duì)低頻噪聲有較好去耦效果；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊選用電壓比較器LM311來實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)需要調(diào)整R8、R9的阻值，設(shè)置合理的閾值，其中

通過合理設(shè)置閾值，可以有效防止因戶外強(qiáng)光而造成的誤觸發(fā)，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

2.2 聲觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

爆破測(cè)試中，聲音信號(hào)屬于典型的特征信號(hào)之一，聲觸發(fā)系統(tǒng)使用非常便捷。其設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。

如圖5所示，系統(tǒng)選用了靈敏度較高的電容式聲傳感器，它具有頻率帶寬廣、響應(yīng)曲線平直、非線性畸變小，瞬態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)；系統(tǒng)選用了NPN 型三極管進(jìn)行電流信號(hào)的放大，可通過滑動(dòng)變阻器R8來調(diào)節(jié)電壓比較器的閾值大小，根據(jù)測(cè)試對(duì)象的具體參數(shù)，設(shè)置合理的閾值，從而有效地避免誤觸發(fā)，以提高系統(tǒng)的可靠性。待觸發(fā)時(shí)系統(tǒng)輸出高電平信號(hào)，當(dāng)聲音信號(hào)的強(qiáng)度達(dá)到預(yù)設(shè)信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，系統(tǒng)輸出低電平信號(hào)。

此外，大當(dāng)量爆炸場(chǎng)破片速度測(cè)試中，考慮到聲音傳播速度慢，如果在聲傳感器接收到信號(hào)的同時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，會(huì)造成破片過靶信號(hào)的丟失；為此需要根據(jù)相關(guān)參數(shù)設(shè)置合理的負(fù)延遲，以確保采集數(shù)據(jù)的完整性。以測(cè)試距離d＝20m、聲音速度vs＝240m／s，采樣率fs＝2 MHz，破片速度v＝1 400m／s為例，則

代入數(shù)據(jù)可得：負(fù)延遲≈89 200。即此時(shí)需要設(shè)置至少89 200 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的負(fù)延遲，才能滿足測(cè)試要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)于光觸發(fā)系統(tǒng)，為了利用爆破火光與日光在方向性上的差異性，將二者在一定程度上分離開，故在試驗(yàn)中需要將其固定在地面合作目標(biāo)的適當(dāng)位置，并將光匯聚裝置正對(duì)戰(zhàn)斗部，如圖6所示。對(duì)于聲觸發(fā)系統(tǒng)，則可以將其與測(cè)試主機(jī)布設(shè)在同一位置。

將聲光觸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用于TNT 當(dāng)量大于20kg的野外靜爆試驗(yàn)中，觸發(fā)系統(tǒng)布設(shè)在距爆心20 m處，獲取的典型破片過靶信號(hào)波形如圖7所示。 鑒于戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)次數(shù)所限，給出測(cè)試中獲取的5次破片速度測(cè)試結(jié)果，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 多次戰(zhàn)斗部預(yù)制破片速度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一種戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)中專用的聲、光觸發(fā)系統(tǒng)。其中光觸發(fā)模塊具有火光匯聚、背景光隔離等特點(diǎn)，可有效提高系統(tǒng)的可靠性和靈敏度，聲觸發(fā)模塊具有寬頻帶、高響應(yīng)速度的特點(diǎn)，通過對(duì)不同環(huán)境照度測(cè)試設(shè)定了合理的觸發(fā)閾值。多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在TNT 當(dāng)量大于2kg時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)距爆心20m 處，均可提供穩(wěn)定、可靠的觸發(fā)信號(hào)。該聲光觸發(fā)系統(tǒng)不但可與激光破片速度測(cè)試儀配合使用，也可為爆炸場(chǎng)中其他設(shè)備提供觸發(fā)信號(hào)源。

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