PCI8501在弹丸激波测量中的应用

摘  要：

采用高速数据采集卡PCI8501进行数据采集，保存为离线数据。用labVIEW开发激波数据采集系统，经实弹射击现场试验并对采集的数据进行放大、滤波处理后，得到的波形较好地再现了弹丸穿过靶区瞬间的激波，为实现高精度定位报靶奠定了良好的基础。

1 、前言

根据空气动力学原理，当运动物体的运动速度大于局部声速时会产生冲击波，弹道声波是超声速弹丸飞行时冲击空气分子所形成的激波。采用激波原理进行报靶是一项具有挑战性的技术，利用激波信号进行超音速飞行体探测，是一种新的目标探测方法。国内外都对此技术进行了研究，但能以低成本成功应用到实际射击训练中的还很少。本文针对此项技术原理，采用了结合高速数据采集卡，运用虚拟仪器技术进行了初期信号采集及其验证分析。

2、 问题的提出以及方案选择

要提高报靶精度，关键是要测量弹丸穿越靶区瞬间的位置，弹丸飞行速度极快，用其他方法难以对其进行跟踪，因此采用激波实现报靶，根据声学原理，采用测量超声速飞行的弹丸在空气中激发的弹道波实现定位。但是，弹丸在穿过靶区的瞬间是否存在激波，其信号特征如何，强度究竟有多?这成了技术实现的首要问题。

本文构建的数据采集系统如图1所示，由信号采集传感器、信号处理、数据采集卡、PC计算机组成，具有显示打印功能。

图1 激波数据采集系统结构

高速瞬态的弹丸信号被传感器捕获并进行信号处理后，送入计算机进行数据采集。接收信号传感器把微弱的弹道压力信号转换成微弱的电信号，然后经信号放大电路进行放大，再经二阶高通滤波电路滤除低频干扰信号，转换为0～10V电压信号，符合数据采集卡量程范围，经数据采集卡的A/D转换器把模拟信号变成数字信号，计算机进行相应的数据采集和显示。

3 、硬件选型

为了进行信号捕捉，需要采用合适的信号采集及信号处理电路，这里采用超声波探头作为接收头，当外在信号能达到其激振状态时，就能产生40KHZ的信号。探头无需供电即可工作。由于外界的震动、风吹等产生的干扰信号需要滤除，因此采用了二阶高通滤波电路。

这里假定弹道会出现激波，判断激波信号频率特征要高于声频。声音信号高频率为20KHz，那么如果信号特征在20KHz左右，则以200KS/s的速度就足以采集和恢复频率信号了。阿尔泰公司高速数据采集卡PCI-8501提供了8路同步输入端，每通道高采样速度为800K S/s，高速的采样率适用于采集动态信号。PCI-8501具有分辨率为16位。大电压输入范围为-10V～+10V，可以有多种输入范围选择，此卡的多功能性和灵活性非常适合用于激波采集，因此在本系统中采用PCI-8501进行数据的高速采集。

4 、软件设计

采用DAQmx函数操作，包括创建采集任务、设置输入缓存大小、配置触发方式、启动AD转换、读取和保存波形数据、停止AD、删除任务、错误处理等节点的搭配。由于本数据采集任务为高速瞬态的数据采集，因此需要设置一个大的输入缓存，否则程序就会报错，本设计在编程时设置输入缓存为2M字节。由于二进制的数据体积小，可以节约磁盘空间，并且存取速度快，因此数据保存采用二进制方式保存。如果需要在线处理数据或者观测频谱图，可以添加相应的函数功能，非常方便。由于自主研发的传感器输出有效信号为0～+10V，故在配置数据采集任务时应配置其为同样的范围，数据采集程序如图3所示。

图3 数据采集程序

5、 数据分析

本文试验采用了超声波探头，分别在不同距离（30米、60米）进行了实弹射击试验，根据对目标射击的角度不同，分为直接正对目标和朝目标外面射击，对采集的波形进行了整理，得出了外观明显不同的图示。从图片的波形外形分析可以得出结论，穿越靶子中心时，弹丸的确能产生激波，而朝靶外射击时，则得到的波形是枪膛声音影响的结果。我们利用这种思想来设计相应的电路，实现了枪弹和炮弹的报靶。

图4 30米目标外面

图5 30米正对目标

图6 60米目标外面