冲击波超压测试系统的时基高精度同步_刘宇.pdf

第 卷 第期 年月探 测 与 控 制 学 报 收稿日期：作者简介：刘宇（），女，陕西渭南人，硕士研究生。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，（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 ；中北大学电气与控制工程学院，山西 太原 ）摘要：针对存储式冲击波超压测试系统时基不能高精度同步的问题，提出一种光纤触发与高精度算法结合的处理方法。利用光纤对不同装置同时发出触发信号，实现多个装置的同步触发；计数频率远大于测试装置的采样频率，对触发时刻和触发后第一个采样时刻之间的时间间隔进行计数；对相邻两个采样点之间进行插值处理，根据计数值确定测试数据在时间轴上的位置，实现时基的高精度同步。该方法可使得测试系统在 布场距离处触发响应时间小于 ，测试系统的时间误差为 ，测试装置之间的同步误差为 。该方法提高了测试系统的测量精度，可为冲击波传播规律的研究提供依据。关键词：冲击波超压测试；光纤触发；高精度算法；测量精度；时基同步中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；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。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，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，授时精度仅 。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。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。光纤触发系统 系统工作原理光纤触发系统由光纤触发线、光纤传输线 和触发箱组成。触发箱内部主要结构为 、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 、光电转换模块、晶振。光纤触发系统如图所示。图光纤触发系统示意图 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，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。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 ，主要由光信号传输时间、触发箱响应时间、冲击波超压测试装置响应时间三部分构成，即。光信号在普通石英材料光纤中的传播速度约为 。以布场距离，光纤触发线单程和光纤传输线总长 为例，光信号传输时间约为 。触发箱响应时间由光电转换时间、电光转换时间和 触发判定时间组成，即。芯片手册中指出，光电转换时间和电光转换 时 间均为 。如图 所示，和 为触发箱的触发信号的两种极端情况，的上升沿在触发箱 的上升沿后的极小一段 时 间，的 上升 沿在 触发 箱 的上升沿前的极小一段时间。为保证可靠触发，经历两个时钟周期后才会发出信号。因此，触发箱中 触发判定时间为 ，触发箱响应时间为 。图触发箱触发信号和采样时钟的时序图 冲击波超压测试系统响应时间由光电转换时间和 触发判定时间组成，即。为保证可靠触发，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 触发判定时间为 。冲击波超压测试系统响应时间为 ，触发响应时间为 。时基高精度同步算法 超采样频率计数法 规定冲击波超压测试系统的采样率，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。冲击波超压测试装置的晶振为 。利用远大于采样频率（）的计数频率（）对触发时刻和触发后第一个采样时刻之间的时间间隔进行计数，计数周期为 ，得到计数值：。（）探 测 与 控 制 学 报如图所示，以装置、为例，不同的冲击波超压测试装置 （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（触发信号）是同步的。通过确定时间轴上不同装置测试信号的先后顺序，上升沿（触发时刻）和 上升沿（采样时刻）之间 的时间 差最 小为 ，最 大 为 ，对应的计数值分别为和 。因此，触发时刻和触发后第一个采样时刻的时间间隔为，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。图装置触发信号和采样时钟的时序图 线性插值法冲击波超压测试装置可以在时间维度上选择 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 个点，每个插入点对应的数值通过线性插值法 求得。（）（），（）式（）中，代表插值点数；，；为相邻前一个采样点的采样值；为相邻后一个采样点的采样值；将，分别代入，即可得到每一个插值点对应的数值，。冲击波超压测试装置晶振频率为 ，超采样频率计数法的最大时间误差为 ，触发箱最大响应时间误差为 ，装置最大响应时间误差为 。测试系统的最大时间误差为 。同一试验下，装置之间的最大同步误差为 。其中，响应时间误差 ，超采样频率计数法时间误差为 。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。试验验证 炸药在无边界的空中爆炸，装药的高度为 ，进行冲击波超压测试。距爆心的地面水平投影距离 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 和 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所示。图装置布设示意图 距爆心的地面水平投影距离、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、，、，、，、。具体布设如图所示。图测点布设示意图 冲击波超压测试系统具有负延时 功能，即可以记录触发前的数据。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，触发后为。读取各个冲击波超压测试装置测得的数据，其计数值如表所示。刘宇等：冲击波超压测试系统的时基高精度同步表各测点装置的计数值 测点装置计数值测点装置计数值 以 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。如图所示，两个采样点之间通过线性插值插入了 个点，其中第 个插值点对应的时间为时刻基准，代入表中，触发时刻和触发后第一个采样时刻的时间间隔为 。图插值计数示意图 将、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 个采样点为例，两装置在此采样点的压力值不同，如图所示。图处时基高精度同步算法处理前的超压曲线 利用时基高精度同步算法，对装置 、采集到的数据进行时基同步处理，结果如图所示。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。、装置的超压曲线得到了很高的一致性。、装置的第 个采样点的实际采样时刻分别为触发后的 和 。图 处时基高精度同步算法处理后的超压曲线 将所有装置测得的超压曲线绘制在同一个时间轴下，如图所示，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。图所有测点超压曲线 图 图 分别为测点、，、，、，、冲击波到达时刻细节图（单位：）。图 、测点冲击波到达时刻细节图 图 、测点冲击波到达时刻细节图 探 测 与 控 制 学 报图 、测点冲击波到达时刻细节图 图 、测点冲击波到达时刻细节图 由图 图 分析：测点 、处冲击波到达时间相差 ；测点、处冲击波到达时间相差 ；测点、处冲击波到达时间相差 ；测 点、处 冲 击 波 到 达 时 间 相 差 。考虑到布设测点位置存在距离误差，测点 、，、，、处冲击波传播速度约 为 、，若测点位置存在 距离误差，将会造成、时间误差。图 图 的时间误差在允许范围内。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。）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 ，其中光信号在 光纤上的传输时间约为 ，触发箱的响应时间为 ，测试装置的响应时间为 。）该方法将测试系统的时间误差控制在 内，其中触发箱中 的响应时误差为 ，测试装置中 的触发响应时间误差为 ，超采样频率计数法的最大时间误差为 ，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。）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。参 考 文 献：，：李冒金，李剑，刘宾，等基于 的大动态冲击波超压测试系 统 设 计国 外 电子 测 量 技 术，（）：杜红棉，祖静 无线冲击波超压测试系统研究 火力与指挥控制，（）：杨磊，尤文斌，丁永红，等毁伤威力场冲击波存储测试系统设 计 与 研究 弹 箭与 制 导 学 报，（）：祖静，马铁华，裴东兴，等新概念动态测试北京：国防工业出版社，：孟博动爆冲击波测试及关键技术研究太原：中北大学，刘嘉慧战斗部爆炸冲击波超压测试与数据处理技术研究太原：中北大学，岳瑶，张瑜，刘双峰冲击波测试中无线同步上电系统的设计传感技术学报，（）：刘嘉慧，崔春生，刘双峰，等冲击波测试系统统一时基的断线 触 发 方 式探 测与 控 制 学 报，（）：刘晓琦，尤文斌，丁永红，等冲击波存储测试系统的时基统 一 性 研 究 弹 箭 与 制 导 学 报，（）：田鸿 强电磁干扰下光纤网络的数据传输系统改进设计 现代电子技术，（）：胡杨，张宇红，温上捷 自检式冲击波参量检测系统设计 传感器与微系统，（）：梁永烨，陈昌鑫，焦耀晗，等 冲击波测试系统的触发方式研究西昌学院学报（自然科学版），（）：陈端毓，刘鸣一种利用插值法校正传感器误差的方法电子测试，（）：焦耀晗，杜红棉，徐鹏，等基于多重触发和负延迟的炮口冲击波存储测试 探测与控制学报，（）：刘宇等：冲击波超压测试系统的时基高精度同步