PCI8501在彈丸激波測(cè)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(shí)彈射擊現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并對(duì)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(shí)現(xiàn)高精度定位報(bào)靶奠定了良好的基礎(chǔ)。
1.前言
根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)速度大于局部聲速時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊波，彈道聲波是超聲速彈丸飛行時(shí)沖擊空氣分子所形成的激波。采用激波原理進(jìn)行報(bào)靶是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)，利用激波信號(hào)進(jìn)行超音速飛行體探測(cè)，是一種新的目標(biāo)探測(cè)方法。國(guó)內(nèi)外都對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了研究，但能以低成本成功應(yīng)用到實(shí)際射擊訓(xùn)練中的還很少。本文針對(duì)此項(xiàng)技術(shù)原理，采用了結(jié)合高速數(shù)據(jù)采集卡，運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行了初期信號(hào)采集及其驗(yàn)證分析。
2.問題的提出以及方案選擇
要提高報(bào)靶精度，關(guān)鍵是要準(zhǔn)確測(cè)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(duì)其進(jìn)行跟蹤，因此采用激波實(shí)現(xiàn)報(bào)靶，根據(jù)聲學(xué)原理，采用測(cè)量超聲速飛行的彈丸在空氣中激發(fā)的彈道波實(shí)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(hào)特征如何，強(qiáng)度究竟有多?這成了技術(shù)實(shí)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(hào)采集傳感器、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集卡、PC計(jì)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(hào)被傳感器捕獲并進(jìn)行信號(hào)處理后，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。接收信號(hào)傳感器把微弱的彈道壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，然后經(jīng)信號(hào)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(hào)，轉(zhuǎn)換為0～10V電壓信號(hào)，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(hào)變成數(shù)字信號(hào)，計(jì)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(hào)捕捉，需要采用合適的信號(hào)采集及信號(hào)處理電路，這里采用超聲波探頭作為接收頭，當(dāng)外在信號(hào)能達(dá)到其激振狀態(tài)時(shí)，就能產(chǎn)生40KHZ的信號(hào)。探頭無需供電即可工作。由于外界的震動(dòng)、風(fēng)吹等產(chǎn)生的干擾信號(hào)需要濾除，因此采用了二階高通濾波電路。
這里假定彈道會(huì)出現(xiàn)激波，判斷激波信號(hào)頻率特征要高于聲頻。聲音信號(hào)高頻率為20KHz，那么如果信號(hào)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(hào)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**地采集動(dòng)態(tài)信號(hào)。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(jì)
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(dòng)AD轉(zhuǎn)換、讀取和保存波形數(shù)據(jù)、停止AD、**任務(wù)、錯(cuò)誤處理等節(jié)點(diǎn)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(gè)大的輸入緩存，否則程序就會(huì)報(bào)錯(cuò)，本設(shè)計(jì)在編程時(shí)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(cè)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(hào)為0～+10V，故在配置數(shù)據(jù)采集任務(wù)時(shí)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(yàn)采用了超聲波探頭，分別在不同距離（30米、60米）進(jìn)行了實(shí)彈射擊試驗(yàn)，根據(jù)對(duì)目標(biāo)射擊的角度不同，分為直接正對(duì)目標(biāo)和朝目標(biāo)外面射擊，對(duì)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(shí)，彈丸的確能產(chǎn)生激波，而朝靶外射擊時(shí)，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(jì)相應(yīng)的電路，實(shí)現(xiàn)了槍彈和炮彈的**報(bào)靶。
圖4 30米目標(biāo)外面
圖5 30米正對(duì)目標(biāo)
圖6 60米目標(biāo)外面
