炮彈爆炸彈片平均飛行速率測(cè)試方法研究

為了衡量炮彈爆炸所產(chǎn)生的爆炸力，往往需要測(cè)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(gè)彈片的飛行方向和速率也各不相同。因此，測(cè)量炮彈爆炸彈片的速率要比測(cè)量槍支子彈的速率復(fù)雜得多。設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單合理、便于實(shí)現(xiàn)的測(cè)試方法來(lái)測(cè)量炮彈爆炸彈片速率正是本文研究的課題。
1  測(cè)試原理
　　由于炮彈爆炸時(shí)存在諸多不確定性因素，所以在測(cè)量彈片速率時(shí)只能測(cè)其平均速率。具體原理如下：進(jìn)行測(cè)試之前，在炮彈周圍放置一圈靶標(biāo)，靶標(biāo)與炮彈的水平距離s₀為8m?？紤]到爆炸時(shí)彈片將向斜上方飛出，為保證彈片以較大的概率射中靶標(biāo)，選擇靶的最大高度s_kmax(即k取最大時(shí)的s_k)不低于8m（10m左右為宜），如圖1所示。如果能準(zhǔn)確記錄炮彈爆炸的時(shí)刻t₀和某一彈片進(jìn)入靶的時(shí)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(gè)彈洞系列是指靶距相同且屬于同一被測(cè)信號(hào)通道的一些彈洞。因此，測(cè)量彈片速率的關(guān)鍵在于能夠準(zhǔn)確測(cè)出炮彈爆炸時(shí)刻t₀和彈片入靶時(shí)刻t_i。利用數(shù)據(jù)采集卡可以實(shí)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V_trg，V_trg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(dòng)采集，開(kāi)始記錄靶上信號(hào)線的輸出波形，波形起點(diǎn)即為炮彈爆炸時(shí)刻t₀。繼續(xù)記錄靶上信號(hào)線輸出波形，根據(jù)其波形特點(diǎn)，即可確定各彈片的入靶時(shí)刻ti。如圖3所示，彈片未入靶時(shí)，高電平Vcc未與信號(hào)線相連，采集到的數(shù)據(jù)為0電平。Vcc為一直流正電平，當(dāng)彈片入靶時(shí)，金屬?gòu)椘裋cc與信號(hào)線相連，采集到的數(shù)據(jù)跳變?yōu)閂cc電平。當(dāng)彈片離靶后，信號(hào)線電平又回到0電平。因此，當(dāng)多個(gè)彈片先后入靶時(shí)，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(shí)刻。t₀為觸發(fā)時(shí)刻，即炮彈爆炸瞬間時(shí)刻。至此，炮彈爆炸時(shí)刻和各彈片入靶時(shí)刻均已準(zhǔn)確測(cè)得，各彈片的平均飛行速率即可由公式算出。

2  測(cè)試系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬  件
　　硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集卡和靶標(biāo)組成，關(guān)鍵在于選擇合適的數(shù)據(jù)采集卡和靶標(biāo)材料。
　　選擇數(shù)據(jù)采集卡主要考慮其采樣率和量程。實(shí)測(cè)中，數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)彈洞系列，一個(gè)彈洞系列可能射入0至多塊彈片。顯然，當(dāng)有多個(gè)彈片射入時(shí)，各彈片的入靶時(shí)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(shí)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(cè)試通道也多，實(shí)際多達(dá)幾十個(gè)。所以需要采用多卡并行擴(kuò)展的方式擴(kuò)展測(cè)試通道，但這樣會(huì)導(dǎo)致上位PC機(jī)開(kāi)銷很大，因而，實(shí)測(cè)中采樣率選擇不是越高越好。采樣率越高，PC機(jī)處理的數(shù)據(jù)量越大，PC機(jī)處理越復(fù)雜。實(shí)測(cè)中使用12.5Msps檔采樣率，基本達(dá)到實(shí)測(cè)分辨率要求。此外，選擇大量程的采集卡更好一些，實(shí)測(cè)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(biāo)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(dǎo)線連接時(shí)，由于彈片的電感效應(yīng)和導(dǎo)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(dǎo)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(shí)合理布線以減小導(dǎo)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(dāng)某一彈片已離靶而下一彈片又尚未入靶時(shí)，信號(hào)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(gè)靶區(qū)的電路圖如圖3所示，每個(gè)靶區(qū)采集的波形與圖7所示波形相似，觸發(fā)信號(hào)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(cè)。但這樣又會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響，即當(dāng)靶區(qū)1有彈片入靶而靶區(qū)2沒(méi)有彈片入靶時(shí)，靶區(qū)1將有LC振蕩。由于共振，靶區(qū)2也會(huì)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(rèn)為在靶區(qū)1有彈片入靶的同一時(shí)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(shì)必引起速率計(jì)算不準(zhǔn)確?？梢酝ㄟ^(guò)軟件來(lái)消除這種假象。
 

2.2 軟件設(shè)計(jì)
　　軟件設(shè)計(jì)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(shí)刻，從而計(jì)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(yàn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，同一靶區(qū)內(nèi)二彈片入靶時(shí)間間隔的最大值不會(huì)超過(guò)某一門限值Δt。據(jù)此可以把同一彈片的交點(diǎn)合并在一起，以便區(qū)分各彈片入靶時(shí)刻。如圖10，Δt₁小于門限值Δt，故該交點(diǎn)仍屬于彈片1的交點(diǎn)，而Δt₂大于門限值?駐t，則該交點(diǎn)已不屬于彈片1，而是彈片2的第一個(gè)交點(diǎn)。由于存在放電現(xiàn)象，在彈片入靶前的某個(gè)時(shí)刻，電平就已經(jīng)開(kāi)始上升，故此處選擇電平上升到Vcc的1/3處的時(shí)刻作為入靶時(shí)刻。

　　如前所述，由于LC振蕩引起的通道間共振，將導(dǎo)致某個(gè)時(shí)刻本無(wú)彈片入靶的通道也會(huì)出現(xiàn)與該時(shí)刻有彈片入靶的通道相類似的波形。雖然無(wú)彈片入靶時(shí)通道的波形振幅比較小，但其振幅偶爾也會(huì)超過(guò)Vcc。為避免誤以為有彈片入靶而導(dǎo)致的速率計(jì)算錯(cuò)誤，可在下述算法中予以清除。如圖10所示，對(duì)于每個(gè)彈片，從彈片入靶時(shí)的第一個(gè)交點(diǎn)起，向正時(shí)間方向平移時(shí)間t_m2。從該時(shí)刻起，向正時(shí)間方向取t_m2長(zhǎng)的時(shí)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(rèn)為該通道此時(shí)刻有彈片入靶；如果電平階躍差小于此門限，則該通道此時(shí)刻無(wú)彈片入靶。這是因?yàn)?，根?jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，某時(shí)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(huì)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(jì)算錯(cuò)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(hào)線組成硬件電路，并配以相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，為某部隊(duì)靶場(chǎng)設(shè)計(jì)了一套炮彈爆炸彈片飛行速率測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，測(cè)得的平均速率為1800m/s左右,達(dá)到了良好的測(cè)試效果。該方法原理簡(jiǎn)單，硬件設(shè)計(jì)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(cè)試。