冲击波存储测试系统的时基统一性研究

刘晓琦，尤文斌，丁永红，白志强，胡时光

(1 中北大学电子测试技术重点实验室，太原 030051；2 中北大学电气与控制工程学院，太原 030051)

0 引言

冲击波信号测试在各类战斗部静、动爆试验中都有应用[1-2]。存储测试法布点灵活，抗干扰能力强，可直接测得冲击波测试曲线，获取超压值、比冲量等关键信息，是冲击波测试的主要手段[3]。在一次静爆试验中，往往需要多台存储测试系统[4]，多位置分散独立布点，不同测点记录冲击波超压信号到达时刻差异较大，没有统一时间基准，导致后续难以分析冲击波的传播规律。

针对存储测试方法的不足，设计一种具有时基统一功能的冲击波存储测试系统，将光纤触发[5]、光纤传输[6-7]和卫星授时[8]与存储测试技术[9]相结合，解决存储测试系统冲击波传播时间无法准确测量和时基统一性差的问题。

1 系统原理设计

基于光纤和卫星授时的冲击波时基统一存储测试系统是一种适用于野外恶劣环境的冲击波测试系统，系统原理图如图1所示，包含测试存储、授时系统和中心监控平台3个部分。测试存储部分完成冲击波的数据采集、数据处理和数据存储的工作；光纤系统完成对设备的光纤触发和数据传输；中心监控平台实现对超压测试系统的状态监控和数据传输。

实测时，远程控制台通过光纤通信装置与记录仪连接，实现对记录仪的实时状态监控和数据快速读取，光纤断线触发装置实现对多个记录仪的同时触发，冲击波测试记录仪实现爆炸时冲击波超压信号的采集和存储。

图1 系统总体结构框图

1.1 存储测试系统

冲击波存储记录仪原理如图2所示，记录仪由信号调理模块、Flash闪存、CLPD时序控制+MCU逻辑控制、光纤模块和电源管理模块等组成。冲击波信号经信号调理模块转换成数字信号，MCU配合CPLD将转换的数字信号存入Flash中，完成对数据的采集和存储。MCU作为主控单元完成存储指令控制，CPLD实现时序控制。上位机通过光纤模块可对记录仪进行状态监控和数据读取。

图2 存储测试系统结构框图

1.2 授时系统

授时系统采用AT6558多模卫星授时芯片，该芯片支持中国的BDS、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS等卫星系统；支持BDS/GPS卫星导航系统的单系统授时，以及任意组合的多系统联合授时，确保授时精度。该芯片体积小，具备低功耗设计，授时精度小于30 ns，内置天线检测及天线短路保护功能，能够在冲击波测试下精准授时，芯片电路图如图3所示。

图3 授时系统芯片

1.3 光纤系统

光纤通信具有很强的抗电磁干扰特性，可在复杂的爆炸场环境中稳定传输[10]。光纤系统在本设计中有两个作用：一是实现中心监控平台与测试存储装置的数据传输和状态监控;二是完成光纤断线对多台测试系统的同步触发。针对这两个需求，设计了一种集断线触发和数据通信于一体的新型光纤系统。

系统主要由光收/发模块、光隔离器、触发箱和光复用/解复用器等组成。测试装置内置光收发模块，经光纤连接复用/解复用器1与触发箱连接，触发箱光纤回路与被测弹药绑定，光纤回路被炸断时，触发箱发送光脉冲信号，经光隔离器与复用/解复用器2实现多个测试存储装置同步触发。中心监控平台经多路复用/解复用器、光中继放大等模块与测试装置相连，实现与远距离的中心监控平台数据交互。系统结构如图4所示。

图4 光纤结构图

2 关键技术

2.1 光纤技术

系统采用波分复用(WDM)传输技术[11]，利用一根光纤可以同时传输多个不同波长的载波。将光传输应用的波长范围分成若干个波段，每个波段作为一个独立的信道。在发送端经复用器把多种光载波信号汇合在一起，并耦合到光线路中同一根光纤进行传输；经中继放大器[12]后，在接收端经分波器将各种波长的载波信息进行分离，然后由光接收机进行接收，上位机进行原始信号恢复。

根据存储测试系统光纤信道数量，采用DWM技术，选用G.652光纤，波长1 550 nm，工作波段为C波段,每种光信道最多可达2.5 Gbit/s。

2.2 触发技术

断线触发的原理在于触发箱在光纤回路被炸断后，会发送满足所有波段(能被所有存储测试装置接收)的触发信号，经光隔离器、中继放大器和复用/解复用器给所有装置统一的触发信号，存储测试装置记录该点时刻作为冲击波传播时刻起点。冲击波信号来临时超压信号大于电路阈值压力，记录该时刻为冲击波传播时刻终点。

触发时间Tq分为两部分：断线响应时间Td，传输时间Tc。

Tq=Td+Tc

(1)

光在光纤中传播速率c，触发箱到弹药距离为s，则式(1)中Tc可表达为:

(2)

经试验测试断线响应时间Td约为4 μs；触发箱到各装置的距离约为20 m；传输时间Tc为0.1 μs。理论分析光纤触发响应时间约为4.1 μs；冲击波作用时间为ms量级，触发响应时间远远小于冲击波传播时间，可应用于冲击波测试。

2.3 卫星授时技术

每个冲击波存储测试系统中装有卫星授时模块[13]，为各个装置统一授时。整个定时模块由CPLD统一控制，系统采用4 MHz双计数器循环计数方式实现精准计数。CPLD收到BDS/GPS发出的脉冲信号后，CPLD控制计数器1进行计数，下一个脉冲信号来到后，计数器2运行，并将第一个计数器记录值存储。记录时刻T的计算公式为:

(3)

式中：TG为卫星脉冲信号到来的时刻;t为计数器脉冲时间间隔;N为计数器在一个脉冲时间间隔记录的总次数;n为触发时计数器记录的次数。

光纤给出断线触发信号后，装置触发并将此刻BDS/GPS授时脉冲信号和相应计数器计数值存储在Flash。冲击波信号到来后，CPLD检测压力信号大于阀值，再次将该时刻BDS/GPS授时信号和相应计数器计数值记录到Flash，完成爆点时刻和冲击波到达测点时刻的记录。

3 试验测试

3.1 断线响应时间测试

为了验证光纤触发测试的可靠性和触发精度，利用示波器对光纤触发模块进行了多次测试,电压从0 V上升到触发值平均触发时间(断线响应时间Td)约为4 μs，经多次测试，触发误差始终保持在0.5 μs以内，可以保证系统的时基统一，满足测试需求。图5为其中一次光纤触发模块测试结果。

图5 光纤触发信号同步测试

3.2 实爆测试

为验证冲击波超压存储测试系统的时基统一性，进行了静爆试验测试。分别在距离爆心20 m，25 m，30 m和40 m处安置存储测试装置，图6为20 m处记录仪装置现场安置图，测试结果如表1所示。

图6 记录仪现场图

表1 不同测点测试数据统计表

实际测试时考虑到爆心位置、地形和环境温度等影响，冲击波传播速度会有一定的偏差。试验数据表明，在相同距离不同方位测点的时间差值最大为3 μs，最小为1 μs，测试结果准确，证明该冲击波存储测试系统具有良好的时基统一性。

4 结论

基于光纤和卫星授时的冲击波存储测试系统响应时间快速、触发稳定，实现了统一时基下冲击波传播时间的精确测量，可为冲击波信号的研究和弹药的毁伤威力评估提供依据。但光纤布设会导致超压测试布场较复杂，爆炸场环境恶劣导致卫星授时干扰较大，因此测试系统还需进一步完善。