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PCI8501在彈丸激波測量中的應(yīng)用

摘要：

采用高速數(shù)據(jù)采集卡PCI8501進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，保存為離線數(shù)據(jù)。用labVIEW開發(fā)激波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)實彈射擊現(xiàn)場試驗并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、濾波處理后，得到的波形較好地再現(xiàn)了彈丸穿過靶區(qū)瞬間的激波，為實現(xiàn)高精度定位報靶奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.前言

根據(jù)空氣動力學(xué)原理，當(dāng)運動物體的運動速度大于局部聲速時會產(chǎn)生沖擊波，彈道聲波是超聲速彈丸飛行時沖擊空氣分子所形成的激波。采用激波原理進(jìn)行報靶是一項具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)，利用激波信號進(jìn)行超音速飛行體探測，是一種新的目標(biāo)探測方法。國內(nèi)外都對此技術(shù)進(jìn)行了研究，但能以低成本成功應(yīng)用到實際射擊訓(xùn)練中的還很少。本文針對此項技術(shù)原理，采用了結(jié)合高速數(shù)據(jù)采集卡，運用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行了初期信號采集及其驗證分析。

2.問題的提出以及方案選擇

要提高報靶精度，關(guān)鍵是要準(zhǔn)確測量彈丸穿越靶區(qū)瞬間的位置，彈丸飛行速度極快，用其他方法難以對其進(jìn)行跟蹤，因此采用激波實現(xiàn)報靶，根據(jù)聲學(xué)原理，采用測量超聲速飛行的彈丸在空氣中激發(fā)的彈道波實現(xiàn)定位。但是，彈丸在穿過靶區(qū)的瞬間是否存在激波，其信號特征如何，強(qiáng)度究竟有多?這成了技術(shù)實現(xiàn)的首要問題。

本文構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示，由信號采集傳感器、信號處理、數(shù)據(jù)采集卡、PC計算機(jī)組成，具有顯示打印功能。

圖1 激波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高速瞬態(tài)的彈丸信號被傳感器捕獲并進(jìn)行信號處理后，送入計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。接收信號傳感器把微弱的彈道壓力信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，然后經(jīng)信號放大電路進(jìn)行放大，再經(jīng)二階高通濾波電路濾除低頻干擾信號，轉(zhuǎn)換為0～10V電壓信號，符合數(shù)據(jù)采集卡量程范圍，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號，計算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和顯示。

3.硬件選型

為了進(jìn)行信號捕捉，需要采用合適的信號采集及信號處理電路，這里采用超聲波探頭作為接收頭，當(dāng)外在信號能達(dá)到其激振狀態(tài)時，就能產(chǎn)生40KHZ的信號。探頭無需供電即可工作。由于外界的震動、風(fēng)吹等產(chǎn)生的干擾信號需要濾除，因此采用了二階高通濾波電路。

這里假定彈道會出現(xiàn)激波，判斷激波信號頻率特征要高于聲頻。聲音信號高頻率為20KHz，那么如果信號特征在20KHz左右，則以200KS/s的速度就足以采集和恢復(fù)頻率信號了。阿爾泰公司高速數(shù)據(jù)采集卡PCI-8501提供了8路同步輸入端，每通道高采樣速度為800K S/s，高速的采樣率適用于精確地采集動態(tài)信號。PCI-8501具有分辨率為16位。大電壓輸入范圍為-10V～+10V，可以有多種輸入范圍選擇，此卡的多功能性和靈活性非常適合用于激波采集，因此在本系統(tǒng)中采用PCI-8501進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速采集。

4.軟件設(shè)計

采用DAQmx函數(shù)操作，包括創(chuàng)建采集任務(wù)、設(shè)置輸入緩存大小、配置觸發(fā)方式、啟動AD轉(zhuǎn)換、讀取和保存波形數(shù)據(jù)、停止AD、清除任務(wù)、錯誤處理等節(jié)點的搭配。由于本數(shù)據(jù)采集任務(wù)為高速瞬態(tài)的數(shù)據(jù)采集，因此需要設(shè)置一個大的輸入緩存，否則程序就會報錯，本設(shè)計在編程時設(shè)置輸入緩存為2M字節(jié)。由于二進(jìn)制的數(shù)據(jù)體積小，可以節(jié)約磁盤空間，并且存取速度快，因此數(shù)據(jù)保存采用二進(jìn)制方式保存。如果需要在線處理數(shù)據(jù)或者觀測頻譜圖，可以添加相應(yīng)的函數(shù)功能，非常方便。由于自主研發(fā)的傳感器輸出有效信號為0～+10V，故在配置數(shù)據(jù)采集任務(wù)時應(yīng)配置其為同樣的范圍，數(shù)據(jù)采集程序如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序

5 數(shù)據(jù)分析

本文試驗采用了超聲波探頭，分別在不同距離（30米、60米）進(jìn)行了實彈射擊試驗，根據(jù)對目標(biāo)射擊的角度不同，分為直接正對目標(biāo)和朝目標(biāo)外面射擊，對采集的波形進(jìn)行了整理，得出了外觀明顯不同的圖示。　　從圖片的波形外形分析可以得出結(jié)論，穿越靶子中心時，彈丸的確能產(chǎn)生激波，而朝靶外射擊時，則得到的波形是槍膛聲音影響的結(jié)果。我們利用這種思想來設(shè)計相應(yīng)的電路，實現(xiàn)了槍彈和炮彈的精確報靶。