多源觸發(fā)裝置設(shè)計(jì)

(中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測試研究院, 陜西 華陰 714200)

0 引言

在終點(diǎn)毀傷類試驗(yàn)中、落區(qū)的圖像及沖擊波、破片等數(shù)據(jù)對(duì)戰(zhàn)斗部的毀傷效能評(píng)估具有重大意義，以往圖像參數(shù)的測試高速攝影機(jī)采用紅外觸發(fā)，即感應(yīng)戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)的火光信號(hào)，這種觸發(fā)方式的弊端是容易受天氣、視場的影響導(dǎo)致觸發(fā)成功率降低，同時(shí)也會(huì)遇到有的戰(zhàn)斗部(填砂彈)在終點(diǎn)不爆炸、直接著地，沒有火光信號(hào)，即沒有紅外特性，這種情況下高速攝影機(jī)的觸發(fā)就成了難題；沖擊波、破片、沖擊波等參數(shù)的測試數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用沖擊波信號(hào)觸發(fā)，即提前預(yù)估沖擊波信號(hào)的幅值，將該信號(hào)作為觸發(fā)判斷條件，這種觸發(fā)方式由于受仿真預(yù)估的影響，導(dǎo)致設(shè)備觸發(fā)可靠性降低。針對(duì)新型試驗(yàn)任務(wù)需求的牽引，綜合各種不同試驗(yàn)對(duì)測試設(shè)備的觸發(fā)需求，在現(xiàn)有觸發(fā)條件的基礎(chǔ)上尋求新的觸發(fā)方式，形成多源觸發(fā)模式，滿足不同類型戰(zhàn)斗部作用時(shí)對(duì)測試設(shè)備的觸發(fā)需求。

本文采用捕獲戰(zhàn)斗部作用時(shí)產(chǎn)生的聲、振信號(hào)作為觸發(fā)源、將該信號(hào)調(diào)理成測試設(shè)備可以識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)觸發(fā)測試設(shè)備，這種觸發(fā)方式的優(yōu)點(diǎn)是布設(shè)靈活，只要在有信號(hào)的區(qū)域布設(shè)傳感器，不受以往視場、距離以及天氣的影響，觸發(fā)可靠性及成功率都比較高。這種觸發(fā)方式為終點(diǎn)毀傷類試驗(yàn)測試設(shè)備提供了一種便捷、可靠的觸發(fā)方法，擴(kuò)寬測試設(shè)備的觸發(fā)領(lǐng)域，減少試驗(yàn)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)也可推廣應(yīng)用于戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)中，消除目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用起爆前在彈體上纏繞斷靶線帶來的安全隱患。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及原理

戰(zhàn)斗部終點(diǎn)毀傷試驗(yàn)是在彈道終點(diǎn)進(jìn)行毀傷威力評(píng)估的試驗(yàn)，在戰(zhàn)斗部作用過程中，需要測試沖擊波、破片、炸點(diǎn)位置、戰(zhàn)斗部作用過程圖像等參數(shù)，這些參數(shù)的測試需要數(shù)據(jù)采集設(shè)備、高速攝影機(jī)等測試設(shè)備，這些設(shè)備在采集前需要觸發(fā)。目前測試設(shè)備的觸發(fā)數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用內(nèi)觸發(fā)的方式，內(nèi)觸發(fā)是采用通道內(nèi)的信號(hào)觸發(fā)，即取采集信號(hào)的某一個(gè)條件觸發(fā)，此方法對(duì)信號(hào)預(yù)估有很高的要求，如果預(yù)估不準(zhǔn)，觸發(fā)電壓設(shè)置的不合理，就會(huì)造成誤觸發(fā)或者不觸發(fā)的情況；高速攝影機(jī)一直采用紅外觸發(fā)的方式，即采用戰(zhàn)斗部作用時(shí)產(chǎn)生的火光信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，這種觸發(fā)方式針對(duì)裝藥爆炸類產(chǎn)生火光類的試驗(yàn)比較適用，弊端是受視場和距離的限制，導(dǎo)致設(shè)備的觸發(fā)成功率比較低。在遇到填砂類戰(zhàn)斗部作用時(shí)，沒有火光信號(hào)，紅外觸發(fā)的方式就無法使用，因此針對(duì)新型試驗(yàn)任務(wù)需求的牽引，需要尋求新的觸發(fā)方式。

通過對(duì)靶場終點(diǎn)毀傷試驗(yàn)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行梳理(如圖1所示)可知，聲、光、振信號(hào)為所有這些試驗(yàn)過程中產(chǎn)生最多的信號(hào)。光信號(hào)只在戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生，但任何戰(zhàn)斗部作用時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生聲信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)。因次，可以捕獲戰(zhàn)斗部作用時(shí)產(chǎn)生的聲信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)作為觸發(fā)源，設(shè)計(jì)觸發(fā)裝置用以觸發(fā)測試設(shè)備。

圖1 觸發(fā)源信號(hào)梳理

聲信號(hào)采用聲傳感器進(jìn)行捕獲，振動(dòng)信號(hào)可以采用振動(dòng)傳感器，地震波傳感器進(jìn)行捕獲，爆炸地震波是由于爆炸沖擊波撞擊其下方地面發(fā)生正反射時(shí)，其中一部分能量轉(zhuǎn)換而成。具有持續(xù)時(shí)間斷，突變快的特點(diǎn)，是一種典型的非平穩(wěn)信號(hào)，采用地震波傳感器感應(yīng)戰(zhàn)斗部作用時(shí)的地震波信號(hào)，設(shè)計(jì)原理簡單，功能易于實(shí)現(xiàn)。

通過對(duì)信號(hào)特征進(jìn)行分析，選擇合適的聲傳感器感應(yīng)戰(zhàn)斗部作用過程中產(chǎn)生的聲信號(hào)，選用地震波信號(hào)感應(yīng)戰(zhàn)斗部作用過程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，設(shè)計(jì)調(diào)理裝置將這兩種傳感器感應(yīng)的信號(hào)調(diào)理成測試設(shè)備可以識(shí)別的方波信號(hào)觸發(fā)測試設(shè)備。試驗(yàn)前根據(jù)戰(zhàn)斗部作用時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)威力大小確定傳感器的布設(shè)距離，將傳感器布設(shè)在能感應(yīng)到信號(hào)的區(qū)域，觸發(fā)裝置布設(shè)在測試設(shè)備附近，傳感器和觸發(fā)裝置之間通過信號(hào)線相連。試驗(yàn)時(shí)戰(zhàn)斗部作用產(chǎn)生聲、振信號(hào)，聲傳感器調(diào)理裝置將這兩種信號(hào)調(diào)理成測試設(shè)備可以識(shí)別的方波信號(hào)，通過或的關(guān)系輸出，只要有一種信號(hào)到來，即輸出信號(hào)觸發(fā)測試設(shè)備，系統(tǒng)測試原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)測試原理框圖

2 觸發(fā)裝置設(shè)計(jì)

2.1 聲信號(hào)觸發(fā)設(shè)計(jì)

2.1.1 戰(zhàn)斗部產(chǎn)生的聲信號(hào)特性分析

在戰(zhàn)斗部爆炸的過程中，由于爆炸聲源機(jī)動(dòng)方便，無指向性，能夠產(chǎn)生大功率，寬頻帶的短脈沖，因此，爆炸聲源是靶場試驗(yàn)中最常用的信號(hào)源。即采用傳感器感應(yīng)戰(zhàn)斗部作用時(shí)產(chǎn)生的聲信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)源觸發(fā)測試設(shè)備，通過對(duì)以前采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的聲信號(hào)頻率在1 kHz以下，聲壓根據(jù)當(dāng)量不同最大到150 dB,在傳感器選型時(shí)，需要選擇能覆蓋此頻率段,量程的傳感器。

2.1.2 聲信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)

通過對(duì)聲源特性進(jìn)行分析，對(duì)信號(hào)的幅值進(jìn)行初步的預(yù)估，在設(shè)計(jì)中將信號(hào)增益設(shè)計(jì)成可調(diào)(增益過高可能導(dǎo)致信號(hào)限幅，過低則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)分辨率下降)。聲傳感器在接收到聲信號(hào)后先去掉直流分量，然后分析信號(hào)的過零率或短時(shí)能量是否超出觸發(fā)門限(將觸發(fā)門限設(shè)計(jì)成可調(diào))，判斷當(dāng)前有無目標(biāo)。當(dāng)過零率或信號(hào)短時(shí)能量超過預(yù)設(shè)的觸發(fā)門限時(shí)，判定為有目標(biāo)，此時(shí)給出脈沖觸發(fā)信號(hào)；若未超出預(yù)設(shè)門限，則判定為無目標(biāo)，此時(shí)繼續(xù)對(duì)傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，直至短時(shí)能量超出預(yù)設(shè)觸發(fā)門限，發(fā)出脈沖觸發(fā)信號(hào)，設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 聲觸發(fā)設(shè)計(jì)流程

在聲信號(hào)調(diào)理的設(shè)計(jì)過程中，要考慮戰(zhàn)斗部在飛行到落點(diǎn)上方時(shí)已經(jīng)有激波信號(hào)，伴隨著爆炸，信號(hào)混雜，極有可能誤觸發(fā)測試設(shè)備，因此在設(shè)計(jì)時(shí)通過分析戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)產(chǎn)生聲信號(hào)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)一直處于判斷狀態(tài)，當(dāng)能量聚集到超過觸發(fā)門限時(shí)，認(rèn)為是戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)產(chǎn)生的有用信號(hào)，則輸出脈沖觸發(fā)單元(測試設(shè)備可以識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)觸發(fā)測試設(shè)備。為了增加觸發(fā)可靠性，將輸入端增加為兩個(gè)，通過或門輸出，將增益和觸發(fā)門限設(shè)計(jì)成可調(diào)。試驗(yàn)中根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境進(jìn)行增益和觸發(fā)門限的調(diào)節(jié)。

2.2 振動(dòng)(地震波)信號(hào)觸發(fā)設(shè)計(jì)

戰(zhàn)斗部在爆炸或者著地時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)信號(hào)，采用振動(dòng)傳感器和地震波傳感器可以感應(yīng)到該信號(hào)，通過將該信號(hào)進(jìn)行調(diào)理設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成測試設(shè)備可以識(shí)別的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)測試設(shè)備。在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)傳感器感應(yīng)的電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理(增益設(shè)置)，設(shè)置觸發(fā)門限，濾除無關(guān)的干擾信號(hào)，最后對(duì)信號(hào)整形后輸出標(biāo)準(zhǔn)脈沖觸發(fā)信號(hào)。因安全距離的限制，振動(dòng)傳感器不可能布設(shè)在戰(zhàn)斗部作用點(diǎn)附近，振動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)桨踩珔^(qū)域時(shí)已經(jīng)是比較微弱的信號(hào)，必須經(jīng)過放大以及處罰門限設(shè)置，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求調(diào)整放大器INA122負(fù)載電阻進(jìn)行放大倍數(shù)的選擇，放大后的信號(hào)進(jìn)入到LM311比較器，LM311比較器設(shè)定一個(gè)預(yù)設(shè)值，當(dāng)?shù)陀谶@個(gè)預(yù)設(shè)值時(shí)，比較器不輸出，不驅(qū)動(dòng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖信號(hào)，此預(yù)設(shè)值的設(shè)計(jì)依據(jù)是環(huán)境噪聲信號(hào)不能觸發(fā)測試設(shè)備，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境噪聲情況進(jìn)行設(shè)置，從而屏蔽了環(huán)境噪聲引起的誤觸發(fā)現(xiàn)象，當(dāng)戰(zhàn)斗部作用時(shí)，振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度大于環(huán)境噪聲，輸出值高于預(yù)設(shè)值，從而驅(qū)動(dòng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖信號(hào)，通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器外接的電容和電阻可以調(diào)整輸出脈寬。

設(shè)計(jì)電路以放大器和高速電壓比較器為主要器件，并且通過電位器靈活調(diào)節(jié)信號(hào)增益及觸發(fā)門限。當(dāng)傳感器感應(yīng)到振動(dòng)信號(hào)時(shí)，將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸入到觸發(fā)裝置，經(jīng)放大器放大，并與預(yù)置觸發(fā)門限值相比較，經(jīng)比較器比較判斷、整形后輸出測試設(shè)備所需信號(hào)觸發(fā)高速攝影機(jī)、數(shù)據(jù)采集等測試設(shè)備。

電路原題如圖4所示。為了保證測試中可靠獲取信號(hào)，將前端地震波信號(hào)獲取端增加為4個(gè)(可以根據(jù)實(shí)際需求改變設(shè)計(jì))，振動(dòng)信號(hào)獲取增加為2個(gè)，即試驗(yàn)時(shí)可以在不同區(qū)域布設(shè)傳感器，多方位捕獲信號(hào)，任何一個(gè)傳感器感應(yīng)到信號(hào)經(jīng)放大整形處理后都可以觸發(fā)測試設(shè)備。

圖4 振動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)原理框圖

2.3 信號(hào)集成設(shè)計(jì)

信號(hào)集成設(shè)計(jì)主要將聲、振信號(hào)集成設(shè)計(jì)在一起，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)戰(zhàn)斗部產(chǎn)生信號(hào)強(qiáng)弱選擇觸發(fā)源。當(dāng)空爆試驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)生聲信號(hào)比較強(qiáng)烈，可以選擇聲傳感器感應(yīng)戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)產(chǎn)生的聲音信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，此種場合振動(dòng)信號(hào)輸入可以關(guān)斷不起作用；當(dāng)戰(zhàn)斗部不爆炸鉆地時(shí)，戰(zhàn)斗部作用時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)比較強(qiáng)烈，可以選擇地震波傳感器感應(yīng)戰(zhàn)斗部鉆地時(shí)的振動(dòng)信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，此種場合聲信號(hào)輸入可以關(guān)斷不起作用；當(dāng)戰(zhàn)斗部近地爆炸時(shí)，產(chǎn)生的聲信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)都比較強(qiáng)烈，可以聲信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)兩種觸發(fā)方式都選擇，具體要根據(jù)戰(zhàn)斗部作用時(shí)產(chǎn)生這兩種信號(hào)的強(qiáng)弱去選擇；在設(shè)計(jì)時(shí)將聲信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)統(tǒng)一進(jìn)入集成電路，最終輸出一個(gè)信號(hào)觸發(fā)測試設(shè)備。通過開關(guān)選擇使用哪種信號(hào)，電路原理如圖5所示

圖5 信號(hào)集成電路電路設(shè)計(jì)原理框圖

2.4 工程化設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過程中，首先考慮野外試驗(yàn)的便攜性以及可靠性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡量小型化，面板設(shè)計(jì)采用模塊化，標(biāo)準(zhǔn)軍品插接件，輸入信號(hào)類型和輸出信號(hào)類型標(biāo)識(shí)清楚，狀態(tài)指示明確；

考慮本裝置的應(yīng)用環(huán)境，為了提高裝置的環(huán)境適應(yīng)，機(jī)箱采用全封閉結(jié)構(gòu)以起到防塵防沙的作用，采用內(nèi)置寬溫鋰電池供電，裝置配備智能電源管理模塊，集成了電池充電管理、放電狀態(tài)監(jiān)測以及裝置運(yùn)行時(shí)的低功耗優(yōu)化，保證野外工作時(shí)間不小于6小時(shí)。

在元器件選擇時(shí)，考慮溫度使用環(huán)境，對(duì)元器件進(jìn)行篩選，整機(jī)組裝完成后，在高低溫箱開展高低溫條件下的設(shè)備烤機(jī)驗(yàn)證，以確保在要求環(huán)境溫度內(nèi)能夠保證裝置工作正常。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

多源觸發(fā)裝置設(shè)計(jì)完成后，首先對(duì)裝置的可靠性搭載試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，在某火箭橇試驗(yàn)中，將該裝置放置在距離彈著點(diǎn)120米的距離，采用地震波傳感器感應(yīng)戰(zhàn)斗部侵徹靶板時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)觸發(fā)高速攝影機(jī)，試驗(yàn)前通過人在傳感器附近走動(dòng)，車輛經(jīng)過傳感器均不觸發(fā)測試設(shè)備的方式確定了觸發(fā)門限，試驗(yàn)前復(fù)位高速攝影機(jī)，試驗(yàn)過程中高速攝影機(jī)可靠觸發(fā)，拍攝到了戰(zhàn)斗部穿靶的過程；在某飛行類試驗(yàn)中，搭載聲傳感器感應(yīng)戰(zhàn)斗部作用時(shí)產(chǎn)生的聲信號(hào)觸發(fā)測試設(shè)備，試驗(yàn)當(dāng)天有風(fēng)，剛開始設(shè)備存在誤觸發(fā)的情況，通過調(diào)節(jié)靈敏度，增大觸發(fā)門限，消除誤觸發(fā)，試驗(yàn)過程中高速攝影機(jī)及數(shù)據(jù)采集設(shè)備可靠觸發(fā)，拍攝到了戰(zhàn)斗部作用過程的圖像畫面及沖擊波數(shù)據(jù)。

在遠(yuǎn)程區(qū)某填砂類戰(zhàn)斗部試驗(yàn)中，將該裝置布設(shè)在距離彈著點(diǎn)200米的地方，成功捕獲了戰(zhàn)斗部著地時(shí)的地震波信號(hào)，輸出TTL信號(hào)觸發(fā)了高速攝影機(jī)，拍攝到了戰(zhàn)斗部著地過程。后續(xù)戰(zhàn)斗部終點(diǎn)毀傷類30余項(xiàng)試驗(yàn)高速攝影機(jī)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等采用該裝置進(jìn)行觸發(fā)，觸發(fā)成功率100%，達(dá)到了目標(biāo)設(shè)計(jì)要求，解決了終點(diǎn)毀傷類試驗(yàn)測試設(shè)備的觸發(fā)可靠性低的問題。

通過搭載試驗(yàn)驗(yàn)證及正式試驗(yàn)中的可靠應(yīng)用，說明這種觸發(fā)方式的選擇是正確的，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是增益及觸發(fā)門限可調(diào)，因不同戰(zhàn)斗部作用時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)弱不同，再加上安全距離的限制，傳感器感應(yīng)的信號(hào)已經(jīng)比較微弱，因此必須將增益設(shè)計(jì)成可調(diào)，針對(duì)不同的戰(zhàn)斗部作用，選用同的增益；因?qū)嶋H應(yīng)用環(huán)境不同，靜態(tài)環(huán)境噪聲不同，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境對(duì)觸發(fā)門限進(jìn)行調(diào)節(jié)是觸發(fā)成功的關(guān)鍵，觸發(fā)門限調(diào)節(jié)的原則是保證有用的信號(hào)可以觸發(fā)測試設(shè)備，又不能有誤觸發(fā)的情況，調(diào)節(jié)根據(jù)環(huán)境噪聲和傳感器布設(shè)距離進(jìn)行調(diào)整。環(huán)境噪聲干擾小，傳感器布設(shè)距離戰(zhàn)斗部作用點(diǎn)比較近，觸發(fā)門限可以調(diào)節(jié)的比較小，環(huán)境噪聲干擾大，觸發(fā)門限調(diào)節(jié)要大一些，具體根據(jù)現(xiàn)場的應(yīng)用環(huán)境，觸發(fā)門限可調(diào)設(shè)計(jì)拓寬了多源觸發(fā)裝置的應(yīng)用領(lǐng)域。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)完成的觸發(fā)裝置，利用戰(zhàn)斗部著地時(shí)產(chǎn)生的聲信號(hào)、地震波信號(hào)作為觸發(fā)源，可以不受視場，距離的限制，并且在沒有紅外光的情況下觸發(fā)測試設(shè)備。 該多源觸發(fā)裝置體積小，易于攜帶，方便現(xiàn)場操作。利用聲信號(hào)、地震波信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，是試驗(yàn)院首次嘗試?yán)眯⌒盘?hào)作為測試設(shè)備的觸發(fā)信號(hào)，也是利用戰(zhàn)斗部自身產(chǎn)生的特征信號(hào)去觸發(fā)測試設(shè)備。該觸發(fā)思路的提出，觸發(fā)裝置的成功研制，為終點(diǎn)毀傷試驗(yàn)非爆炸彈藥落點(diǎn)參數(shù)測試設(shè)備的觸發(fā)提供了一種便捷、可靠的測試方法，由于該裝置的成功研制，以前無法測試的項(xiàng)目現(xiàn)在可以測試。同時(shí)該裝置可以應(yīng)用在動(dòng)爆試驗(yàn)、靜爆試驗(yàn)及火箭橇試驗(yàn)中，擴(kuò)寬了測試設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域，減少了測試失敗的風(fēng)險(xiǎn)，到目前為止，為試驗(yàn)院創(chuàng)造了可觀的測試收入，應(yīng)用前景非常廣闊。