PCI8501在彈丸激波測量中的應用

摘  要：

采用高速數據采集卡PCI8501進行數據采集，保存為離線數據。用labVIEW開發激波數據采集系統，經實彈射擊現場試驗并對采集的數據進行放大、濾波處理后，得到的波形較好地再現了彈丸穿過靶區瞬間的激波，為實現高精度定位報靶奠定了良好的基礎。

1 、前言

根據空氣動力學原理，當運動物體的運動速度大于局部聲速時會產生沖擊波，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。采用激波原理進行報靶是一項具有挑戰性的技術，利用激波信號進行超音速飛行體探測，是一種新的目標探測方法。國內外都對此技術進行了研究，但能以低成本成功應用到實際射擊訓練中的還很少。本文針對此項技術原理，采用了結合高速數據采集卡，運用虛擬儀器技術進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，關鍵是要測量彈丸穿越靶區瞬間的位置，彈丸飛行速度極快，用其他方法難以對其進行跟蹤，因此采用激波實現報靶，根據聲學原理，采用測量超聲速飛行的彈丸在空氣中激發的彈道波實現定位。但是，彈丸在穿過靶區的瞬間是否存在激波，其信號特征如何，強度究竟有多?這成了技術實現的首要問題。

本文構建的數據采集系統如圖1所示，由信號采集傳感器、信號處理、數據采集卡、PC計算機組成，具有顯示打印功能。

圖1 激波數據采集系統結構

高速瞬態的彈丸信號被傳感器捕獲并進行信號處理后，送入計算機進行數據采集。接收信號傳感器把微弱的彈道壓力信號轉換成微弱的電信號，然后經信號放大電路進行放大，再經二階高通濾波電路濾除低頻干擾信號，轉換為0～10V電壓信號，符合數據采集卡量程范圍，經數據采集卡的A/D轉換器把模擬信號變成數字信號，計算機進行相應的數據采集和顯示。

3 、硬件選型

為了進行信號捕捉，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，當外在信號能達到其激振狀態時，就能產生40KHZ的信號。探頭無需供電即可工作。由于外界的震動、風吹等產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頻率信號了。阿爾泰公司高速數據采集卡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采集動態信號。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，因此在本系統中采用PCI-8501進行數據的高速采集。

4 、軟件設計

采用DAQmx函數操作，包括創建采集任務、設置輸入緩存大小、配置觸發方式、啟動AD轉換、讀取和保存波形數據、停止AD、刪除任務、錯誤處理等節點的搭配。由于本數據采集任務為高速瞬態的數據采集，因此需要設置一個大的輸入緩存，否則程序就會報錯，本設計在編程時設置輸入緩存為2M字節。由于二進制的數據體積小，可以節約磁盤空間，并且存取速度快，因此數據保存采用二進制方式保存。如果需要在線處理數據或者觀測頻譜圖，可以添加相應的函數功能，非常方便。由于自主研發的傳感器輸出有效信號為0～+10V，故在配置數據采集任務時應配置其為同樣的范圍，數據采集程序如圖3所示。

圖3 數據采集程序

5、 數據分析

本文試驗采用了超聲波探頭，分別在不同距離（30米、60米）進行了實彈射擊試驗，根據對目標射擊的角度不同，分為直接正對目標和朝目標外面射擊，對采集的波形進行了整理，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論，穿越靶子中心時，彈丸的確能產生激波，而朝靶外射擊時，則得到的波形是槍膛聲音影響的結果。我們利用這種思想來設計相應的電路，實現了槍彈和炮彈的報靶。

圖4 30米目標外面

圖5 30米正對目標

圖6 60米目標外面