冲击波超压测试系统的时基高精度同步

刘 宇，李 顺，李新娥 ，裴东兴

(1.中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学电气与控制工程学院，山西 太原 030051)

0 引言

传统的存储式测试系统凭借其布点灵活、抗干扰能力强的优势，在冲击波超压测试中具有广泛应用[1-5]。但是多个测试装置无法实现内部晶振同步，采样时刻无法同步，存在时间基准同步精度低的问题[6-8]，仅限应用于时间精度要求较低的试验。已有的光纤触发系统[9]目的在于，为冲击波超压测试系统提供触发信号的同时，以触发时刻作为各个系统的时间基准。相对于传统的断线触发而言，光纤触发线携带的是光信号而非电信号，具有更高的安全性。传统断线触发存在导线已被炸断，而爆炸产生的等离子体继续导通电路的风险，相比之下光纤触发具有更高的可靠性。多装置联合卫星授时[10]，授时精度仅30 ns。光纤触发系统和卫星授时系统，在一定程度上可改善时基同步性，但采样时刻最大时间误差为1 μs。针对已有方法的不足，提出光纤触发与高精度算法结合的处理方法，以提高存储式测试系统的时基同步精度。

1 光纤触发系统

1.1 系统工作原理

光纤触发系统由光纤触发线、光纤传输线[11]和触发箱组成。触发箱内部主要结构为CPLD、晶振、光电转化模块和电光转换模块。冲击波超压测试装置内部主要结构为FPGA、光电转换模块、晶振。光纤触发系统如图1所示。

图1 光纤触发系统示意图Fig.1 Schematic diagram of optical fiber trigger system

在试验布场时，光纤触发线缠绕在战斗部上。光纤触发线断裂后，光电转换模块会产生一个下降沿信号，CPLD在信号的下降沿，产生方波信号。电光转换模块将方波信号转化为明暗相间的光信号。光纤传输线将明暗相间的光信号传输给冲击波超压测试装置。冲击波超压测试装置内的光电转换模块将明暗相间的光信号转换为方波信号，方波的首个上升沿作为触发信号。以方波信号而非一个单独的上升沿信号作为触发信号，保证了系统的可靠触发。

1.2 系统触发响应时间分析

从光纤触发线断裂到冲击波超压测试装置触发之间的时间称为触发响应时间[12-13]T，主要由光信号传输时间Ta、触发箱响应时间Tb、冲击波超压测试装置响应时间Tc三部分构成，即T=Ta+Tb+Tc。

光信号在普通石英材料光纤中的传播速度约为2.07×108m/s。以布场距离12 m，光纤触发线单程和光纤传输线总长15 m为例，光信号传输时间Ta约为72 ns。

触发箱响应时间Tb由光电转换时间Td、电光转换时间Te和CPLD触发判定时间Tf组成，即Tb=Td+Te+Tf。芯片手册中指出，光电转换时间Td和电光转换时间Te均为5 ns。如图2所示，Trigger1和Trigger2为触发箱的触发信号的两种极端情况，Trigger1的上升沿在触发箱CLK的上升沿后的极小一段时间，Trigger2的上升沿在触发箱CLK的上升沿前的极小一段时间。为保证可靠触发，CPLD经历两个时钟周期后才会发出信号。因此，触发箱中CPLD触发判定时间Tf为20～30 ns，触发箱响应时间Tb为30～40 ns。

图2 触发箱触发信号和采样时钟的时序图Fig.2 Timing diagram of trigger signal and clock of trigger box

冲击波超压测试系统响应时间Tc由光电转换时间Td和FPGA触发判定时间Tg组成，即Tc=Td+Tg。为保证可靠触发，FPGA接收到触发信号后，经历两个时钟周期后进行触发采样，因此FPGA触发判定时间Tg为20～30 ns。冲击波超压测试系统响应时间Tc为25～35 ns，触发响应时间T为127～147 ns。

2 时基高精度同步算法

2.1 超采样频率计数法

GJB 6390.3—2008规定冲击波超压测试系统的采样率Fs≥1 MHz，理论上采样率越高，同步效果越好。但受到传感器响应时间、谐振频率等参数的限制，过高的采样频率并不能采集到更多有用的信息，反而会导致数据量过大，增大数据分析难度，因此目前主流的采样频率为1 MHz。

冲击波超压测试装置的晶振为100 MHz。利用远大于采样频率(1 MHz)的计数频率(100 MHz)对触发时刻和触发后第一个采样时刻之间的时间间隔Ts进行计数，计数周期T1为10 ns，得到计数值N：

(1)

如图3所示，以装置a、b、c为例，不同的冲击波超压测试装置CLK(采样时钟)的相位不同, 触发箱向冲击波超压测试装置发出的SG(触发信号)是同步的。通过N确定时间轴上不同装置测试信号的先后顺序， SG上升沿(触发时刻)和CLK上升沿(采样时刻)之间的时间差最小为10 ns，最大为1 000 ns，对应的计数值N分别为1和100。因此，触发时刻和触发后第一个采样时刻的时间间隔为N×T1，可将不同冲击波超压测试装置采集到的数据在同一时间轴下高精度显示。

图3 装置触发信号和采样时钟的时序图Fig.3 Timing diagram of trigger signal and sampling clock of device

2.2 线性插值法

冲击波超压测试装置可以在时间维度上选择SG上升沿时刻为触发时刻，但在实际数据中，采样点之间不存在数据。因此需要在两个相邻采样点之间插入99个点，每个插入点对应的数值通过线性插值法[14]求得。

(2)

式(2)中，n=1,2,…,99,代表插值点数；Xa=0，Xb=100；Ya为相邻前一个采样点的采样值；Yb为相邻后一个采样点的采样值；将X1=1，X2=2，…，X99=99分别代入Xn，即可得到每一个插值点对应的数值Y1，Y2，…，Y99。

冲击波超压测试装置晶振频率为100 MHz，超采样频率计数法的最大时间误差为10 ns，触发箱最大响应时间误差为10 ns，装置最大响应时间误差为10 ns。测试系统的最大时间误差为30 ns。同一试验下，装置之间的最大同步误差为20 ns。其中，FPGA响应时间误差10 ns，超采样频率计数法时间误差为10 ns。本文采用的高精度同步算法，同时拥有着低频采样数据量低，高频采样响应速度高和时间精度高的优点。

3 试验验证

20 kg TNT炸药在无边界的空中爆炸，装药的高度为1.5 m，进行冲击波超压测试。距爆心的地面水平投影距离5 m位置处布设一个测点，一个传感器分别与两个冲击波超压测试装置T1和T2连接，即两个装置记录同一个传感器的输出。装置布设示意图如图4所示。

图4 装置布设示意图Fig.4 Layout diagram of devices

距爆心的地面水平投影距离6、7、9、12 m位置处，每个距离处布设两个测点，放置两个冲击波超压测试装置A1、A2，B1、B2，C1、C2，D1、D2。具体布设如图5所示。

冲击波超压测试系统具有负延时[15]功能，即可以记录触发前8 s的数据。为了在数据格式中区分负延时的数据和触发后的数据，在数据格式中加入了触发标志位。触发之前数据中的触发标志位为0，触发后为1。读取各个冲击波超压测试装置测得的数据，其计数值N如表1所示。

表1 各测点装置的计数值NTab.1 Count value N of devices at each measuring point

以T1冲击波超压测试装置为例，通过触发标志位找到触发前的最后一个采样点和触发后的第一个采样点。如图6所示，两个采样点之间通过线性插值插入了99个点，其中第88个插值点对应的时间为0时刻基准，代入表1中N=12，触发时刻和触发后第一个采样时刻的时间间隔为N×T1=120 ns。

图6 插值计数示意图Fig.6 Schematic diagram of interpolation counting

将T1、T2测试装置采集的数据值绘制成超压曲线。同一传感器采集的压力信号是唯一确定的，不同装置采集到的压力值原则上应该相同；但由于装置之间的采样时钟存在相位差，使得同一传感器连接的不同装置所测得的超压曲线在时间上有较大差异。以第3 947个采样点为例，两装置在此采样点的压力值不同，如图7所示。

图7 5 m处时基高精度同步算法处理前的超压曲线Fig.7 Overpressure curve before processing with time base high-precision synchronous algorithm at 5 m

利用时基高精度同步算法，对装置T1、T2采集到的数据进行时基同步处理，结果如图8所示。时基高精度同步算法处理后的两条压力曲线更逼近于一条特定的压力曲线。T1、T2装置的超压曲线得到了很高的一致性。T1、T2装置的第3 947个采样点的实际采样时刻分别为触发后的3 947 120和3 947 620 ns。

图8 5 m处时基高精度同步算法处理后的超压曲线Fig.8 Overpressure curveafter processing with time base high-precision synchronous algorithm at 5 m

将所有装置测得的超压曲线绘制在同一个时间轴下，如图9所示，直观地展现出冲击波到达各测点的到达时间以及超压峰值，为冲击波传播规律的研究提供依据。

图9 所有测点超压曲线Fig.9 Overpressure curves of all measuring points

图10—图13分别为测点A1、A2，B1、B2，C1、C2，D1、D2冲击波到达时刻细节图(单位：ns)。

图10 A1、A2测点冲击波到达时刻细节图Fig.10 Detailed drawing of shock wave arrival time of A1 and A2measuring points

图11 B1、B2测点冲击波到达时刻细节图Fig.11 Detailed drawing of shock wave arrival time of B1 and B2 measuring points

图12 C1、C2测点冲击波到达时刻细节图Fig.12 Detailed drawing of shock wave arrival time of C1 and C2 measuring points

图13 D1、D2测点冲击波到达时刻细节图Fig.13 Detailed drawing of shock wave arrival time of D1 and D2measuring points

由图10—图13分析：测点A1、A2处冲击波到达时间相差20 ns；测点B1、B2处冲击波到达时间相差6 340 ns；测点C1、C2处冲击波到达时间相差6 130 ns；测点D1、D2处冲击波到达时间相差30 890 ns。

考虑到布设测点位置存在距离误差，测点B1、B2，C1、C2，D1、D2处冲击波传播速度约为550、470、350 m/s，若测点位置存在1 cm距离误差，将会造成18、21、28 μs时间误差。图10—图13的时间误差在允许范围内。

4 结论

针对存储式冲击波超压测试系统间时基不能高精度同步的问题，提出一种光纤触发与高精度同步算法结合的处理方法。

1) 该方法使得存储式冲击波超压测试系统触发响应时间小于150 ns，其中光信号在15 m光纤上的传输时间约为72 ns，触发箱的响应时间为30～40 ns，测试装置的响应时间为25～35 ns。

2) 该方法将测试系统的时间误差控制在30 ns内，其中触发箱中CPLD的响应时误差为10 ns，测试装置中FPGA的触发响应时间误差为10 ns，超采样频率计数法的最大时间误差为10 ns，提升了测试系统的测量精度，可满足绝大部分测试系统的时基同步精度要求。

3) 该方法既满足了采样精度的要求，数据量小，提高了数据分析的效率，又提高了时间基准的同步精度，为冲击波传播规律的研究提供依据。