基于数字光纤传输的电热炮膛压测试技术

张 瑜，张红艳，裴东兴，祖 静

(1.中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

电热化学炮主要由高功率脉冲成形网络、等离子体发生器和火炮身管以及触发器件等组成，它通过电能和化学能相结合为弹丸提供动能，显著增加炮口动能与初速，实现超高速发射[1-4]。膛压测量对研究电热炮的等离子体点火、增强作用至关重要。电热化学炮与传统火炮膛压测量的主要区别有两点，首先，电热化学炮以发射平台作为高压负极接地端，放电时引起电位浮动会对后端的测试仪器产生破坏，甚至危及人身安全。其次，在工作过程中，电热化学炮炮体带电，高压脉冲大电流放电将产生强电磁噪声，强电磁噪声信号以电场、 磁场和电磁场等多种途径耦合进入测试线路，形成干扰[5-6]。因此，研究强电磁场干扰环境下膛压信号的获取及实时传输技术具有很重要的意义。

电热化学炮发射时会产生强电磁干扰，电磁屏蔽是解决强电磁干扰的重要手段之一[6]，用电磁屏蔽的方法来解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响测量电路的正常工作。数字光纤传输技术因其传输数字信号，在信号处理及传输过程中有更强的抑制干扰的能力；首先光纤具有光载频频率高、带宽宽和损耗小等优点，特别适合于高速数字信号传输，传输误码率小，其次光纤的基本材料是二氧化硅，绝缘性能好，电磁波很难耦合入光纤[7-8]。因此，数字光纤传输是强电磁场环境中测试信号传输的最佳方式。

通过总结多年膛压测试经验，提出了一种现场存储型测压方式与光纤实时传输测压方式相结合的测试技术。现场存储测压器采用多层屏蔽结构，能效解决电磁干扰问题。测试数据一分为二，一路直接存储在现场存储测压器内，另一路采用数字光纤传输到远程接收机。这两种测压方式相结合大大提高了膛压测量的可靠性和测试设备的安全性。

1 系统组成及工作原理

1.1 系统组成

基于光纤传输的电热炮膛压测试系统主要由现场存储式测压器、光纤、远程接收机、多通道数据采集系统和计算机组成，如图1所示。

现场存储式测压器将传感器输出的电荷信号转换为电压信号并放大，再通过模数转换器转换为并行数字信号，数字信号一分为二，一路直接保存到现场存储式测压器的存储器内，另一路采用数字光纤传输，数字信号先编码再由光模块转化为光信号，再通过光纤实时传输到远程接收机，远程接收机完成光电转换和数模转换，还原出电压信号输出至数据采集系统。一次测试结束后远程接收机可以发出复位信号，经光纤传输给现场存储式测压器使其复位，继续进行测试。

1.2 现场存储测试技术

现场存储测压器由压电式压力传感器、电荷放大器、12位A/D转换器、存储器、编解码电路、逻辑控制电路、电源管理电路和多模TTL电平收发一体光模块组成，由电池供电，电池与电路灌封在不同材料多层组合的电磁屏蔽壳体内，完成压力信号的现场采集存储和数字信号的编码以及电光转换。在发射试验结束后，计算机通过读数接口将测试数据经USB接口读入计算机，再做数据处理。

编解码电路和逻辑控制电路是由CPLD实现的，采用CPLD可以减小测压器的体积。现场存储式测压器的采样频率为1MHz，存储容量是512KWords，可记录524 ms。

现场存储式测压器由可充电的聚合物锂离子电池供电，避免了由于共地问题耦合入系统的电磁干扰，可连续工作8 h以上。现场存储测压方式中整个测试过程在电磁屏蔽体内完成，不受电磁干扰的影响，读取数据时，试验已结束，因而没有电磁干扰。

1.3 数字光纤传输技术

光纤是非金属介质材料，不导电，因而不会产生磁场，也不受外部电磁干扰的影响，能抗各种电磁干扰和射频干扰，光纤是强电磁场环境中信号传输的理想介质。在电热炮膛压测试系统中，光纤传输切断了因等离子体发生器地电位抬升引起的高压串入测控系统的途径，实现安全测量[5]。

测试系统中光纤传输部分由两个收发一体光模块和150 m光纤组成，如图2所示。收发一体光模块的工作波长是1 310 nm，与TTL电平兼容，FC光接口。光纤采用的是多模光纤，双FC尾纤型光接口，工作波长1 310 nm。FC光接口是螺纹连接具有良好的电磁屏蔽特性。收发一体光模块的核心器件是半导体激光器及其驱动电路、高效的PIN 光敏管及其低噪声光电跨导前置放大器。

AD转换后的12位并行数字信号在CPLD内完成编码，编码格式采用异步串行数据格式，编码后的数据共16位，传输波特率是16Mbps。如图3所示。

编码后的脉冲数据流输入至光模块，对光源进行直接强度调制，将电脉冲信号调制半导体光源，形成光脉冲信号，并从光源器件的尾纤发射出去。接收机的光模块首先经光检测器件将光纤传输后的光脉冲信号转换成电脉冲信号，再恢复成原始电压信号。

1.4 远程接收机

远程接收机把光纤传输来的光信号转换为电信号，再把异步串行数据解码为并行数据，送至D /A转换器转换为原始电压信号，输出至数据采集系统。接收机还具备远程复位存储测压器的功能。

2 不同材料多层组合的屏蔽技术

2.1 多层屏蔽结构

电热化学炮发射时会产生强电磁干扰，主要的干扰源是高压脉冲发生器、等离子体发生器电爆炸、等离子体发生器熄弧和负载电流[6]。针对上述干扰源，采用电磁屏蔽技术，设计了不同材料多层组合的屏蔽结构。现场存储测压器的所有电路及电池被密封在多层屏蔽结构内，外层屏蔽材料是磁导率较高的30号钢，不仅对电场有良好的屏蔽，同时对磁场有一定的屏蔽作用，具有一定的强度对现场采集部件起到支撑和保护作用。中间屏蔽层材料是电导率大的紫铜，确保电路模块不同部位的压差较小；内层屏蔽材料是磁导率很高的坡莫合金，利用磁力线的旁路原理进行低频磁场的屏蔽(见表1)。为了确保高效的屏蔽效果，通过绝缘漆或硅橡胶垫保证各层之间良好的绝缘，在必须开孔的地方，进行特殊处理，如在光纤引出孔处另外增加了保护端盖，把开孔后对屏蔽的影响降低。

表1 屏蔽材料的各项参数

2.2 电磁屏蔽效能分析

高频电磁波的屏蔽效能主要由吸收损耗决定。当电磁波在介质中传播时, 无论电场还是磁场, 它们的幅度都是按指数规律衰减，即：

E1=E0·exp(-t/δ)H1=H0·exp(-t/δ)

(1)

式中：δ是趋肤深度即电磁波衰减为原始强度的1/e时所传播的距离。

趋肤深度的计算公式为：

δ=0.066/(f·μr·σr)1/2

(2)

式中：f是电磁波的频率;μr是相对磁导率;σr是相对电导率。

可得出吸收损耗为：

(3)

式中：t为屏蔽材料厚度。

当电磁波频率为10kHz时，可计算出A30#钢=166dB，A紫铜=52dB，A坡莫合金=1 000dB，总屏蔽效能远大于100dB，因而其干扰可忽略不计。

当电磁波频率为1kHz时，可计算出A30#钢=52dB，A紫铜=16dB，A坡莫合金=332dB，总屏蔽效能远大于100dB，因而其干扰可忽略不计。

低频电磁波的屏蔽效能主要由反射损耗决定。测试系统处于近场区，在近场中电磁波的反射损耗。由反射损耗：

(4)

式中:Zw为空气的特性阻抗;Zs为屏蔽体介质的特性阻抗。

由于空气的特性阻抗Zw在近场中不仅和电磁场的频率有关，而且与干扰源和被干扰源的距离及干扰源的性质有关。

|Zw|=k·Z0(Z00=377Ω)

(5)

将k值代入公式(4)可得：

(6)

(7)

测试系统距干扰源的距离约为3m，假设干扰源的频率为10Hz，则得出RE30#钢=237 dB，RE紫铜=281 dB，此时低频电场干扰可忽略。

RH30#钢=0dB，RH紫铜=34dB，此时低频磁场干扰不能忽略。

由上述分析计算可知，低频磁场是最难屏蔽的磁场，不能无限度的增加屏蔽材料的厚度来屏蔽，通常选用高导磁材料作屏蔽，高导磁材料为磁场提供低磁阻通路，利用高导磁材料的旁路原理屏蔽低频磁场。

3 安装结构及现场试验

电热炮膛压测试系统的应用示意图如图4所示。压力传感器固定在测试点上，再通过低噪声电缆与现场存储测压器连接，再用金属屏蔽体把压力传感器、低噪声电缆和存储测压器一起屏蔽，数字信号经光纤传输至接收机，恢复为原始压力信号传输至多通道数据采集系统。

图5为膛底压力曲线，现场存储方式和光纤传输方式的压力曲线轮廓和变化趋势一致，波形幅值大致相当，只是在时间关系上相差较大。因为二者相互独立，没有时间关联。

4 结 论

本文设计的电热化学炮膛压测试系统采用了存储测试技术、光纤传输技术以及电磁屏蔽技术，有效地切断了强电磁干扰耦合途径，具有安全性高、可靠性高、精度高、抗干扰能力强及实时传输等特点，解决了电热化学炮测试技术中的关键技术，对电热化学炮内弹道特性的研究提供了测试手段。该测试技术可以拓展应用到各种强电磁场干扰环境下的参数测试场合。

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