賈振華,王文廉

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原，030051）

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瞬態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)中信號(hào)識(shí)別觸發(fā)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈振華,王文廉

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原，030051）

摘 要：針對(duì)爆炸場(chǎng)瞬態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)試系統(tǒng)易受干擾造成誤觸發(fā)的現(xiàn)象，提出了一種基于瞬態(tài)壓力信號(hào)識(shí)別的觸發(fā)方式，首先根據(jù)超壓峰值標(biāo)記有效突變，再依次判斷上升時(shí)間和正作用時(shí)間。試驗(yàn)表明基于瞬態(tài)信號(hào)特征識(shí)別觸發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)能防止誤觸發(fā)且適用于瞬態(tài)壓力測(cè)試試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：壓力測(cè)試系統(tǒng)；沖擊波；信號(hào)；觸發(fā)

彈藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力是評(píng)估武器殺傷力的重要手段[1]，具有瞬態(tài)性單次性的特點(diǎn)，這就要求測(cè)試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地捕捉壓力信號(hào)。對(duì)于存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)來說，更需要準(zhǔn)確判斷信號(hào)的起始時(shí)刻，這種實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)需要可靠的觸發(fā)判斷。目前最常用的觸發(fā)技術(shù)有電平內(nèi)觸發(fā)和斷線外觸發(fā)兩種[2]。電平內(nèi)觸發(fā)是在系統(tǒng)工作之前，預(yù)先設(shè)置一個(gè)觸發(fā)電平，測(cè)試系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后與預(yù)設(shè)值比較，如果大于預(yù)設(shè)值，認(rèn)定系統(tǒng)觸發(fā)；反之，系統(tǒng)不觸發(fā)。但實(shí)際靶場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，易產(chǎn)生高幅值的瞬時(shí)干擾信號(hào)，導(dǎo)致系統(tǒng)誤觸發(fā)。斷線外觸發(fā)是在所有測(cè)試節(jié)點(diǎn)處都建立一個(gè)電線網(wǎng)，利用彈藥爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)溫壓使電線斷裂，產(chǎn)生一個(gè)跳變信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)接收到這個(gè)信號(hào)后觸發(fā)。但鋪設(shè)電線網(wǎng)需要花費(fèi)很大的人力和物力，且有不可控因素造成電線斷裂，也容易造成誤觸發(fā)。

本文分析了沖擊波信號(hào)的特征，選擇了3個(gè)沖擊波信號(hào)的典型時(shí)頻特征，并通過這幾個(gè)時(shí)頻特征設(shè)置了準(zhǔn)確的觸發(fā)條件，提出了一種基于瞬態(tài)壓力特征識(shí)別的觸發(fā)方法，既能擺脫高幅值瞬時(shí)干擾信號(hào)的影響，又操作簡(jiǎn)單，省去布線的麻煩。

1　沖擊波的時(shí)域特性分析

理想的沖擊波信號(hào)如圖1所示。

假設(shè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)處的環(huán)境壓力為P0，在爆炸瞬間T時(shí)刻，壓力瞬間上升到P0+nP+，之后的T+時(shí)刻內(nèi)，壓力衰減到環(huán)境壓力，再繼續(xù)下降到幅度為nP-的部分真空，最后在總時(shí)間T+T++T-恢復(fù)到環(huán)境壓力P0。破壞力的衡量可以用超壓峰值nP+、正壓區(qū)作用時(shí)間T+、上升時(shí)間t來表示[3]。由圖1可以看出，沖擊波信號(hào)的上升時(shí)間短，上升沿陡峭且超壓峰值高。

圖 1 理想的沖擊波信號(hào)Fig.1 The ideal shock wave signal

1.1沖擊波信號(hào)的超壓峰值

在爆炸場(chǎng)的瞬態(tài)壓力測(cè)試之前，一般要對(duì)爆炸物的各個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行超壓峰值估算，保證測(cè)試節(jié)點(diǎn)的量程滿足需求。Henrych用經(jīng)驗(yàn)的方法得到?jīng)_擊波超壓峰值△P（MPa）[4]：

1.2沖擊波信號(hào)的正作用時(shí)間

系統(tǒng)的正作用時(shí)間是評(píng)價(jià)彈藥威力的重要指標(biāo)之一，Клyшкнн提出空中爆炸的正作用時(shí)間估算公式[5]：

根據(jù)式（2）結(jié)合系統(tǒng)的測(cè)試范圍，本測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)信號(hào)的正作用時(shí)間范圍為2～100ms。

1.3沖擊波信號(hào)的上升時(shí)間

針對(duì)爆炸測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間性能，Robert Walker和Henry Wallman根據(jù)數(shù)字中的中心極限定理，提出了一個(gè)規(guī)則[6]：

式（3）中：τ是總體上升時(shí)間；τn是各階段的上升時(shí)間。通過結(jié)合每個(gè)部分的上升時(shí)間，可以對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間做整體評(píng)估。

Robert Walker 和Henry Wallman還提供了另一個(gè)準(zhǔn)則，如果τ是上升時(shí)間，有一個(gè)-3dB的帶寬f-3dB。

在該測(cè)試系統(tǒng)中，所測(cè)沖擊波信號(hào)的頻率范圍為0.5～250kHz。因此上升時(shí)間在1×10-3～1ms之間。

2　噪聲分析

在彈藥爆炸的超壓測(cè)試中，通常有大幅值的瞬時(shí)脈沖干擾造成系統(tǒng)誤觸發(fā)，分別采集敲擊、擊中信號(hào)，用MATLAB仿真分析和計(jì)算。

2.1敲擊信號(hào)

用不同硬度的物體分別敲擊傳感器采集到的信號(hào)，如圖2所示。

圖2　敲擊信號(hào)Fig.2 Knocking signal

通過計(jì)算可以得到超壓峰值、上升時(shí)間和正作用時(shí)間的準(zhǔn)確值。受信號(hào)強(qiáng)度的限制，上升時(shí)間和正作用時(shí)間偏大。

2.2擊中信號(hào)

物體擊中傳感器采集到的信號(hào)如圖3所示。該信號(hào)在擊中傳感器瞬間可以產(chǎn)生很大的壓力值，但持續(xù)時(shí)間很短，造成正作用時(shí)間偏小。

圖3　擊中信號(hào)Fig.3 Hit signal

3　信號(hào)識(shí)別觸發(fā)的設(shè)計(jì)

3.1信號(hào)識(shí)別觸發(fā)的原理

在沖擊波的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)信號(hào)的信息包含在觸發(fā)點(diǎn)的前后兩部分。這樣，觸發(fā)前的負(fù)延時(shí)部分也需要采集存儲(chǔ)，以保證信號(hào)的完整性。原理見圖4。

信號(hào)識(shí)別觸發(fā)要求系統(tǒng)上電后立即進(jìn)入循環(huán)采集狀態(tài)?？刂破鲗?duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行突變檢測(cè)，如果數(shù)據(jù)的瞬時(shí)值大于閾值電平，認(rèn)定為有效突變，反之為無效突變。有效的突變數(shù)據(jù)隨之進(jìn)入信號(hào)識(shí)別模塊，如果信號(hào)時(shí)頻特征滿足，系統(tǒng)觸發(fā)。系統(tǒng)進(jìn)入順序存儲(chǔ)。

圖4　信號(hào)識(shí)別觸發(fā)的原理Fig.4 Principle of signal recognition trigger

3.2信號(hào)識(shí)別模塊的設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)采集到的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，同時(shí)進(jìn)入存儲(chǔ)器和控制器，存儲(chǔ)器再觸發(fā)循環(huán)存儲(chǔ)?？刂破髦兴矔r(shí)脈沖大于閾值電壓的數(shù)據(jù)進(jìn)入信號(hào)識(shí)別模塊，信號(hào)識(shí)別模塊首先查找突變點(diǎn)之后1ms內(nèi)的峰值及峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間，做上升時(shí)間的判斷；最后查找峰值過后恢復(fù)到基線電壓的時(shí)刻，做正作用時(shí)間的判定，如果均滿足，則識(shí)別過程完成。為了增加系統(tǒng)的適用性，在電平比較模塊中，閾值電壓采取可編程配置。根據(jù)不同的測(cè)試需求，集合式（1）中估值，閾值電壓值可以通過上位機(jī)軟件設(shè)置不同的參數(shù)。

圖5　信號(hào)識(shí)別原理Fig.5 Principle of signal recognition

3.3信號(hào)識(shí)別模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)

FPGA中的信號(hào)識(shí)別模塊可通過狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。該模塊中每個(gè)特征參數(shù)都存放在一個(gè)寄存器中，狀態(tài)機(jī)運(yùn)行過程中，每到一個(gè)參數(shù)值的狀態(tài)，就與寄存器中的參數(shù)比較，滿足，就進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。任意一個(gè)狀態(tài)不滿足，就跳出整個(gè)狀態(tài)，進(jìn)入下一次識(shí)別。

4　有信號(hào)識(shí)別觸發(fā)功能的測(cè)試節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)信號(hào)識(shí)別觸發(fā)的設(shè)計(jì)原理，研制了具有信號(hào)識(shí)別觸發(fā)功能的爆炸場(chǎng)沖擊波測(cè)試系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 System block diagram

系統(tǒng)主要包括ICP壓力傳感器、FPGA控制器、A/D轉(zhuǎn)換器和SDRAM存儲(chǔ)器等。PCB公司的ICP壓力傳感器上升時(shí)間在1μ s內(nèi)，壓力量程范圍在0.01 ～10MPa之間，適用于沖擊波壓力測(cè)試[7]。FPGA是一種可編程的控制器，通過硬件描述語言完成對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的建模和設(shè)計(jì)。A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)模轉(zhuǎn)換器件，分辨率為12bit。SDRAM是存儲(chǔ)器，可按地址隨機(jī)存取。

系統(tǒng)上電后，ICP傳感器將感受到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路后完成信號(hào)的放大、濾波和偏置。A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)并分別存入SDRAM和FPGA。FPGA中的數(shù)據(jù)做信號(hào)識(shí)別，識(shí)別確認(rèn)目標(biāo)信號(hào)后，系統(tǒng)開始順序存儲(chǔ)。為了保證實(shí)驗(yàn)人員的安全，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)，本測(cè)試節(jié)點(diǎn)采用Wi-Fi 通信的方式。因此，SDRAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

5　實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證瞬態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)中信號(hào)識(shí)別觸發(fā)方式的抗誤觸發(fā)能力，用基于信號(hào)識(shí)別觸發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)和電平比較觸發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中分別進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示。

圖7　瞬態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)Fig.7 Transient pressure test system

1#設(shè)備為基于信號(hào)識(shí)別觸發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)，傳感器的靈敏度為7.575mV/kPa。2#設(shè)備采用智能觸發(fā)方式，傳感器的靈敏度為7.432 mV/kPa。分別敲擊兩個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的壓力傳感器，人為地加入壓力信號(hào)。觀察兩個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)指示燈，結(jié)果顯示1#設(shè)備觸發(fā)燈亮，2#設(shè)備觸發(fā)燈仍在閃爍。表明1#設(shè)備已經(jīng)觸發(fā)，2#設(shè)備待觸發(fā)。瞬態(tài)壓力信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)中，模擬電路輸出1.25V的偏置電壓，系統(tǒng)觸發(fā)電平的設(shè)置一般在1.3～1.6V之間。一般情況下，敲擊信號(hào)產(chǎn)生的壓力瞬時(shí)值都可以達(dá)到觸發(fā)要求。因此，1#設(shè)備觸發(fā)，讀取采集到的數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8　干擾信號(hào)測(cè)試曲線Fig.8 Interference signal measurement curve of experiment

信號(hào)識(shí)別觸發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)中，雖然壓力瞬時(shí)值超過了觸發(fā)電平，但受信號(hào)強(qiáng)度的影響，其上升時(shí)間較長(zhǎng)，不符合目標(biāo)信號(hào)的特征，系統(tǒng)不觸發(fā)。該實(shí)驗(yàn)表明，基于信號(hào)識(shí)別的觸發(fā)測(cè)試系統(tǒng)能夠防止外界干擾造成的誤觸發(fā)。為了驗(yàn)證信號(hào)識(shí)別觸發(fā)測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，用1#、2#兩套設(shè)備參加爆炸場(chǎng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。兩個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)距離爆心的距離均為30m。兩個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)都采集到了有效數(shù)據(jù)，如圖9所示。由圖9可以看到在沖擊波到來之前有明顯的震蕩噪聲，這是由于爆炸瞬間高速運(yùn)行彈片的彈道波混入了沖擊波信號(hào)中[7]。

圖9　爆炸壓力測(cè)試曲線圖Fig.9 Pressure measurement curve of blast wave

受爆炸源形狀的影響，距離爆心相同距離的兩個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)沖擊波到達(dá)的時(shí)間不同，特征參數(shù)值也有差異。如表1所示。

表1　測(cè)試曲線指標(biāo)值Tab.1 The test curve of the index value

該實(shí)驗(yàn)表明，基于信號(hào)識(shí)別的觸發(fā)測(cè)試系統(tǒng)可以采集到目標(biāo)數(shù)據(jù)，適用于爆炸的測(cè)試環(huán)境。

6　結(jié)論

信號(hào)識(shí)別觸發(fā)從沖擊波信號(hào)的時(shí)域特征觸發(fā)，通過分析信號(hào)時(shí)域特點(diǎn)，選出了信號(hào)的典型特征及條件，在此基礎(chǔ)上做了信號(hào)識(shí)別觸發(fā)。與電平比較觸發(fā)方式相比，這種觸發(fā)方式能自動(dòng)識(shí)別干擾信號(hào)，避免由干擾信號(hào)引起的誤觸發(fā)。與斷線觸發(fā)方式相比，操作簡(jiǎn)單。實(shí)驗(yàn)表明，該方法可以防止誤觸發(fā)且適用于瞬態(tài)壓力測(cè)試試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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The Design and Implementation of Signal Recognition Trigger in Transient Pressure Testing System

JIA Zhen-hua,WANG Wen-lian
(Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,North University of China,Taiyuan,030051)

Abstract：Based on the phenomenon of the interference signal easily causing the false triggering in the transient pressure testing system of explosion field,the trigger method based on transient pressure signal recognition is proposed.Firstly,the effective mutation of ultra pressure peak is marked,and then the rise time and positive time are judged.The experiments show that the designed test system can be used to prevent false triggering and it is suitable for transient pressure test.

Key words：Pressure testing system；Shock wave；Signal；Trigger

作者簡(jiǎn)介：賈振華（1989 -），女，在讀碩士研究生，從事信號(hào)與信息處理研究。

收稿日期：2015-07-07

中圖分類號(hào)：TJ450.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-1480（2016）01-0057-04