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,，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單合理,、便于實(shí)現(xiàn)的測(cè)試方法來測(cè)量炮彈爆破片群速率正是本文研究的課題。

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,。考慮到爆炸時(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skmax（即k取最大時(shí)的sk）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TI,。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Vtrg,，Vtrg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。由于炮彈破片群很多,，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*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)帶來負(fù)面影響，即當(dāng)靶區(qū)1有彈片入靶而靶區(qū)2沒有彈片入靶時(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^軟件來消除這種假象,。

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tm2,。從該時(shí)刻起，向正時(shí)間方向取tm2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CR6261高速瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集儀及合適的彈靶信號(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)了一套炮彈爆破片群飛行速率測(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,。