炮弹爆炸弹片平均飞行速率测试方法研究

为了衡量炮弹爆炸所产生的爆炸力，往往需要测量炮弹弹片的飞行速度。然而，炮弹爆炸所产生的弹片不仅数量不确定，而且各个弹片的飞行方向和速率也各不相同。因此，测量炮弹爆炸弹片的速率要比测量枪支子弹的速率复杂得多。设计一种简单合理、便于实现的测试方法来测量炮弹爆炸弹片速率正是本文研究的课题。
1 测试原理
　　由于炮弹爆炸时存在诸多不确定性因素，所以在测量弹片速率时只能测其平均速率。具体原理如下：进行测试之前，在炮弹周围放置一圈靶标，靶标与炮弹的水平距离s₀为8m。考虑到爆炸时弹片将向斜上方飞出，为保证弹片以较大的概率射中靶标，选择靶的最大高度s_kmax(即k取最大时的s_k)不低于8m（10m左右为宜），如图1所示。如果能准确记录炮弹爆炸的时刻t₀和某一弹片进入靶的时刻ti，则该弹片的平均飞行速率为，其中k为该弹片所属的弹洞系列。一个弹洞系列是指靶距相同且属于同一被测信号通道的一些弹洞。因此，测量弹片速率的关键在于能够准确测出炮弹爆炸时刻t₀和弹片入靶时刻t_i。利用数据采集卡可以实现上述目的。

如图2所示，在炮弹爆炸瞬间，绕在炮弹上的触发线立刻被炸断，触发线电平立即上升为V_trg，V_trg为一直流正电平，作触发电平用，其值应小于Vcc。从而触发数据采集卡，启动采集，开始记录靶上信号线的输出波形，波形起点即为炮弹爆炸时刻t₀。继续记录靶上信号线输出波形，根据其波形特点，即可确定各弹片的入靶时刻ti。如图3所示，弹片未入靶时，高电平Vcc未与信号线相连，采集到的数据为0电平。Vcc为一直流正电平，当弹片入靶时，金属弹片把Vcc与信号线相连，采集到的数据跳变为Vcc电平。当弹片离靶后，信号线电平又回到0电平。因此，当多个弹片先后入靶时，同一弹洞系列的理想波形便应如图4所示。其中，t₁、t₂、t₃分别为弹片1、弹片2、弹片3的入靶时刻。t₀为触发时刻，即炮弹爆炸瞬间时刻。至此，炮弹爆炸时刻和各弹片入靶时刻均已准确测得，各弹片的平均飞行速率即可由公式算出。

2 测试系统的软、硬件设计
2.1 硬 件
　　硬件部分主要由数据采集卡和靶标组成，关键在于选择合适的数据采集卡和靶标材料。
　　选择数据采集卡主要考虑其采样率和量程。实测中，数据采集卡的一个通道对应一个弹洞系列，一个弹洞系列可能射入0至多块弹片。显然，当有多个弹片射入时，各弹片的入靶时间间隔将非常短，因此，只有采样率足够大的数据采集卡才能分辨出各弹片的入靶时间间隔。为此，这里选用PCI50612数据采集卡，其采样频率最高为50Msps。由于炮弹爆炸弹片很多，其飞行方向各不相同，故布防的测试通道也多，实际多达几十个。所以需要采用多卡并行扩展的方式扩展测试通道，但这样会导致上位PC机开销很大，因而，实测中采样率选择不是越高越好。采样率越高，PC机处理的数据量越大，PC机处理越复杂。实测中使用12.5Msps档采样率，基本达到实测分辨率要求。此外，选择大量程的采集卡更好一些，实测中Vcc电压选择10V左右较佳，所以采集卡的量程必须大于10V。
　　靶标材料同样很重要。由图3可以看出，弹片与靶上不同电平的二导线连接时，由于弹片的电感效应和导线间的电容效应，正好形成了LC振荡，等效电路如图5所示，导致采集的波形不再是图4所示的理想波形。为了减小波形振荡，需要选择合适的材料，同时合理布线以减小导线的分布电容。图3中的下拉电阻R也有电容效应，等效电路如图6所示。当某一弹片已离靶而下一弹片又尚未入靶时，信号线电平并不降为0电平，而是稳定在某一值上，所以，也应该减小R的电容效应。受上述效应影响，采集卡采集到的波形已完全不像图4所示的理想波形，而是如图7所示的波形。

该系统的硬件连接如图8所示。其中每个靶区的电路图如图3所示，每个靶区采集的波形与图7所示波形相似，触发信号电路区如图2所示。显然，相邻靶区之间的间距不宜太大，以免漏测。但这样又会带来负面影响，即当靶区1有弹片入靶而靶区2没有弹片入靶时，靶区1将有LC振荡。由于共振，靶区2也会有同频振荡，只是振幅小一些。这种通道之间的相互干扰往往使人误认为在靶区1有弹片入靶的同一时刻，靶区2也有弹片入靶。由于靶区1和靶区2的靶距不一样，这样势必引起速率计算不准确。可以通过软件来消除这种假象。

2.2 软件设计
　　软件设计的主要任务是：根据采集到的如图7所示的波形，采用一种合适的算法，确定各弹片的入靶时刻，从而计算各弹片的平均飞行速率。具体的算法流程如图9。

根据已有的试验统计规律，同一靶区内二弹片入靶时间间隔的最大值不会超过某一门限值Δt。据