為了衡量炮彈爆炸所產生的爆炸力，往往需要測量炮彈彈片的飛行速度。然而，炮彈爆炸所產生的彈片不僅數量不確定，而且各個彈片的飛行方向和速率也各不相同。因此，測量炮彈爆炸彈片的速率要比測量槍支子彈的速率復雜得多。設計一種簡單合理、便于實現的測試方法來測量炮彈爆炸彈片速率正是本文研究的課題。

1 測試原理

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，靶標與炮彈的水平距離s0為8m。考慮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，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，測量彈片速率的關鍵在于能夠準確測出炮彈爆炸時刻t0和彈片入靶時刻ti。利用數據采集卡可以實現上述目的。

如圖2所示，在炮彈爆炸瞬間，繞在炮彈上的觸發線立刻被炸斷，觸發線電平立即上升為Vtrg，Vtrg為一直流正電平，作觸發電平用，其值應小于Vcc。從而觸發數據采集卡，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。繼續記錄靶上信號線輸出波形，根據其波形特點，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，采集到的數據為0電平。Vcc為一直流正電平，當彈片入靶時，金屬彈片把Vcc與信號線相連，采集到的數據跳變為Vcc電平。當彈片離靶后，信號線電平又回到0電平。因此，當多個彈片先后入靶時，同一彈洞系列的理想波形便應如圖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 測試系統的軟、硬件設計

2.1 硬 件

硬件部分主要由數據采集卡和靶標組成，關鍵在于選擇合適的數據采集卡和靶標材料。

選擇數據采集卡主要考慮其采樣率和量程。實測中，數據采集卡的一個通道對應一個彈洞系列，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據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數據采集卡，其采樣頻率最高為50Msps。由于炮彈爆炸彈片很多，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機處理的數據量越大，PC機處理越復雜。實測中使用12.5Msps檔采樣率，基本達到實測分辨率要求。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線連接時，由于彈片的電感效應和導線間的電容效應，正好形成了LC振蕩，等效電路如圖5所示，導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線的分布電容。圖3中的下拉電阻R也有電容效應，等效電路如圖6所示。當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，而是穩定在某一值上，所以，也應該減小R的電容效應。受上述效應影響，采集卡采集到的波形已完全不像圖4所示的理想波形，而是如圖7所示的波形。

該系統的硬件連接如圖8所示。其中每個靶區的電路圖如圖3所示，每個靶區采集的波形與圖7所示波形相似，觸發信號電路區如圖2所示。顯然，相鄰靶區之間的間距不宜太大，以免漏測。但這樣又會帶來負面影響，即當靶區1有彈片入靶而靶區2沒有彈片入靶時，靶區1將有LC振蕩。由于共振，靶區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為在靶區1有彈片入靶的同一時刻，靶區2也有彈片入靶。由于靶區1和靶區2的靶距不一樣，這樣勢必引起速率計算不準確。可以通過軟件來消除這種假象。

2.2 軟件設計

軟件設計的主要任務是：根據采集到的如圖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。

根據已有的試驗統計規律，同一靶區內二彈片入靶時間間隔的最大值不會超過某一門限值Δt。據此可以把同一彈片的交點合并在一起，以便區分各彈片入靶時刻。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。由于存在放電現象，在彈片入靶前的某個時刻，電平就已經開始上升，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，將導致某個時刻本無彈片入靶的通道也會出現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，根據試驗統計規律，某時間段內，受其他通道干擾而產生的通道波形，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 論

本文采用PCI50612數據采集卡及合適的彈靶信號線組成硬件電路，并配以相應的數字信號處理技術，為某部隊靶場設計了一套炮彈爆炸彈片飛行速率測試系統。實驗證實，測得的平均速率為1800m/s左右，達到了良好的測試效果。該方法原理簡單，硬件設計成本較低，所用算法也不復雜，可方便地用于金屬爆炸飛行物速率的測試。

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