為了衡量炮彈爆炸所產(chǎn)生的爆炸力,，往往需要測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,，而且各個彈片的飛行方向和速率也各不相同,。因此,，設(shè)計一種簡單合理,、便于實現(xiàn)的測試方法來測量炮彈爆破片群速率正是本文研究的課題。

由于炮彈爆炸時存在諸多不確定性因素,，所以在測量彈片速率時只能測其平均速率。具體原理如下：進行測試之前,，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?？紤]到爆炸時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刻t0和某一彈片進入靶的時刻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,。一個彈洞系列是指靶距相同且屬于同一被測信號通道的一些彈洞。因此,，測量彈片速率的關(guān)鍵在于能夠準(zhǔn)確測出炮彈爆炸時刻t0和彈片入靶時刻TI,。利用數(shù)據(jù)采集卡可以實現(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,，啟動采集，開始記錄靶上信號線的輸出波形,，波形起點即為炮彈爆炸時刻t0,。繼續(xù)記錄靶上信號線輸出波形，根據(jù)其波形特點,，即可確定各彈片的入靶時刻TI,。如圖3所示,，彈片未入靶時，高電平Vcc未與信號線相連,，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,，金屬彈片把Vcc與信號線相連,，采集到的數(shù)據(jù)跳變?yōu)閂cc電平。當(dāng)彈片離靶后,，信號線電平又回到0電平,。因此，當(dāng)多個彈片先后入靶時,，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的入靶時刻,。t0為觸發(fā)時刻，即炮彈爆炸瞬間時刻,。至此,，炮彈爆炸時刻和各彈片入靶時刻均已準(zhǔn)確測得，各彈片的平均飛行速率即可由公式算出,。

2 測試系統(tǒng)的軟,、硬件設(shè)計

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,。實測中，數(shù)據(jù)采集卡的一個通道對應(yīng)一個彈洞系列,，一個彈洞系列可能射入0至多塊彈片,。顯然，當(dāng)有多個彈片射入時,，各彈片的入靶時間間隔將非常短,，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,，故布防的測試通道也多，實際多達(dá)幾十個,。所以需要采用多卡并行擴展的方式擴展測試通道,，但這樣會導(dǎo)致上位PC機開銷很大，因而,，實測中采樣率選擇不是越高越好,。采樣率越高，PC機處理的數(shù)據(jù)量越大,，PC機處理越復(fù)雜,。實測中使用12.5Msps檔采樣率，基本達(dá)到實測分辨率要求,。此外,，選擇大量程的采集卡更好一些，實測中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，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,，信號線電平并不降為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。其中每個靶區(qū)的電路圖如圖3所示，每個靶區(qū)采集的波形與圖7所示波形相似,，觸發(fā)信號電路區(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,。但這樣又會帶來負(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,，靶區(qū)1將有LC振蕩,。由于共振，靶區(qū)2也會有同頻振蕩,，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,，這樣勢必引起速率計算不準(zhǔn)確?？梢酝ㄟ^軟件來消除這種假象,。

2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的主要任務(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刻,，從而計算各彈片的平均飛行速率。具體的算法流程如圖9,。

根據(jù)已有的試驗統(tǒng)計規(guī)律,，同一靶區(qū)內(nèi)二彈片入靶時間間隔的最大值不會超過某一門限值Δt。據(jù)此可以把同一彈片的交點合并在一起,，以便區(qū)分各彈片入靶時刻,。如圖10，Δt1小于門限值Δt,，故該交點仍屬于彈片1的交點,，而Δt2大于門限值？駐t,，則該交點已不屬于彈片1,，而是彈片2的第一個交點。由于存在放電現(xiàn)象,，在彈片入靶前的某個時刻,，電平就已經(jīng)開始上升，故此處選擇電平上升到Vcc的1/3處的時刻作為入靶時刻,。

如前所述,，由于LC振蕩引起的通道間共振,，將導(dǎo)致某個時刻本無彈片入靶的通道也會出現(xiàn)與該時刻有彈片入靶的通道相類似的波形。雖然無彈片入靶時通道的波形振幅比較小,，但其振幅偶爾也會超過Vcc,。為避免誤以為有彈片入靶而導(dǎo)致的速率計算錯誤，可在下述算法中予以清除,。如圖10所示,，對于每個彈片，從彈片入靶時的第一個交點起,，向正時間方向平移時間tm2,。從該時刻起，向正時間方向取tm2長的時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)為該通道此時刻有彈片入靶,；如果電平階躍差小于此門限,，則該通道此時刻無彈片入靶。這是因為,，根據(jù)試驗統(tǒng)計規(guī)律,，某時間段內(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算錯誤。

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線組成硬件電路,，并配以相應(yīng)的數(shù)字信號處理技術(shù),，為某部隊靶場設(shè)計了一套炮彈爆破片群飛行速率測試系統(tǒng),。實驗證實,，測得的平均速率為1800m/s左右，達(dá)到了良好的測試效果,。該方法原理簡單,，硬件設(shè)計成本較低，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試,。