具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种冲击波威力测试系统，包括：

采集存储模块用于测试节点爆炸冲击波数据的采集和存储工作；

控制终端模块用于监控采集存储模块的工作状态，完成工作参数配置以及试验数据的显示工作；

传输模块包括基站和收发端天线，基站与收发端天线无线连接，用于完成采集存储模块和控制终端模块之间的数据传输。

其中，采集存储模块包括多个测试节点，测试节点均设置有数字记录仪，数字记录仪内嵌式装配迷你型光电转换器，且各测试节点通过光纤连接；收发端天线天线内安放一个天线振子，振子连接CPE模块的Tx/Rx管脚；收发端天线使用635MHz为中心的频段。收发端天线的方向图为“苹果状”，方向图的不圆度为4.5dB，3/4圆环的缺口方向为增益最大方向。

在本实施例中，基于4G无线通信的冲击波威力测试系统是一种适用于大场区、远距离、多点位的多参量综合测试系统，系统原理如图1所示，主要由采集存储、4G传输、终端控制3个模块组成。

采集存储模块是由多台可独立工作的数字压力记录仪组成的阵列，完成爆炸冲击波的数据采集和存储工作；4G传输模块主要包括基站和收发端天线，完成测试节点和控制终端上位机之间的系统状态数据、控制命令数据、试验采集数据的传输工作；控制终端主要由上位机组成，完成测试设备状态监控、工作参数配置以及试验测试数据的显示工作。

工作流程:

1)在爆炸实验现场按照特定规则布设数字压力传感器、4G通信基站和控制终端上位机等测试设备并启动；

2)在上位机端选定IP地址实现控制端与数字压力记录仪之间的4G无线通信连接，然后根据试验工况配置系统工作参数；

3)数字压力记录仪收到上位机待触发指令后进入待触发状态，将采集数据循环存储到SDRAM中。当记录仪采集压力大于触发压力阈值时，系统触发并将采集数据连同SDRAM数据一起存储到flash中，采集结束后记录仪进入数据回传等待计时状态同时监听上位机指令；

4)数字压力记录仪到达数据回传等待时间或收到上位机数据回传指令后开始通过4G无线通讯进行实验数据远程传输；

数字压力记录仪完成数据回传之后时间再次进入待触发状态同时持续监听上位机指令。

2关键技术

2.14G无线通信系统

2.1.1OFDM技术

OFDM(正交频分复用)技术是指各子载波之间相互正交，且频谱经过扩频调制之后能够互相重叠，从而削弱了子载波之间的相互干扰。该技术主要采用了无线传输的形式，利用正交频分复用的特点，同时还采用了HomePlug技术对信道进行划分，经过划分后的各个子信道又分别进行传输，能够整体提高数据传输速率和频谱利用率，在抗衰弱和抗干扰方面性能显著[7]。

2.1.2MIMO技术

MIMO(多输入和多输出)技术是指通过控制多天线来减少信道衰弱问题的发生，将已经存在的多径传播和随机衰弱进行高效率的重新利用，达到更好的传输速度和效率。多并行的天线空间信道能够同时进行发送和接收，能够满足广域爆炸场复杂环境下不同冲击波超压测试节点同步、高速、稳定的数据传输和远程控制要求。

2.2内嵌式多节点同步互触发技术

一般冲击波威力测试系统以电缆或双绞线作为不同测试节点之间的连接线和同步触发线，这在爆炸场复杂的电磁环境下不可避免地引入了电磁干扰。尤其是对于大当量弹药野外实验时，测点数目多、测试范围广、线路布设复杂，导线长度激增，严重的电磁干扰甚至会淹没真实的冲击波信号[9]。普通的外接式光纤同步触发装置增加了设备布设难度，且对通道数目有较高要求。基于4G无线通信的冲击波威力测试系统在各测试节点数字压力记录仪内嵌式装配迷你型光电转换器，且相互之间使用光纤连接以实现多节点同步互触发功能，有效削弱了爆炸场复杂电磁环境对冲击波超压信号的干扰。

如图2所示，以6节点冲击波超压测试记录仪阵列为例说明基于光电转换的内嵌式多节点同步互触发技术。其中1、2为不同的冲击波超压测试节点编号，以1-2代表冲击波超压测试节点1与2之间的光纤连接，其余以此类推。当距离爆源最近的冲击波超压测试节点3最先采集到冲击波超压信号而触发，同时节点3通过内嵌式迷你型光电转换器向节点2和节点6传送触发信号。同步触发信号再由节点2传到节点1和节点5，同时由节点6也会传给节点5，显然节点5会先后收到分别来自节点2和节点6的两次同步触发信号。同样地，节点4会收到分别来自节点1和节点5的两次同步触发信号。为了避免同一节点重复收到

触发信号影响数据采集工作，每次实验中各节点只对第一次接收到的同步触发信号做出反应。图中光纤2-5看似多余，实际上避免了冲击波超压测试节点因为个别光纤线路阻断不能同步触发的问题，提高了整个数字压力记录仪阵列的同步触发容错率。

试验验证

为验证本测试系统的工作性能，开展了网络性能测试试验和TNT装药实爆试验。

网络性能测试试验

网络性能测试试验是通过专业的网络调试软件工具由控制终端上位机对数字压力记录仪进行远程操控与文件传输测试，以此模拟控制终端与试验现场测试节点之间的数据发送与接收工作。研究基站天线类型、基站天线高度、基站-记录仪传输距离、记录仪天线类型等参量对基于4G无线通信的冲击波超压测试系统数据传输速率和可靠性的影响。

网络性能测试试验过程主要遵循以下几步:

①将4G通信基站与数字压力记录仪按照一定间距进行布置，并通过以太网线分别与电脑相连，实验设备布设如图5所示；

②在控制终端上位机选定IP地址实现上位机与数字压力记录仪之间的4G无线通信连接，并调整天线方位角度使信号强度达到最佳；

③测试ping操作延迟，使用gperf工具进行灌包测试，记录最大灌包速率；

④使用FileZilla工具进行文件传输测试，同时使用基站MCSim-6614-B和DUMeter软件进行速率测试；

⑤使用专业化工具Wireshark进行抓包，用于误码率分析。

基于4G无线通信的冲击波威力测试系统的网络测试试验中基站天线有定向天线和全向天线2种；基站天线高度有3m和8m共2种工况(相对数字压力记录仪的上表面高度而言)；数字压力记录仪有大天线、小天线2种(为模拟真实爆炸环境下的实测要求，记录仪采用地表嵌入式布设，保证其上表面与地表齐平)；基站天线与记录仪之间的水平距离采取500m和1000m共2种布设状态；综上所述，本次测试共有2^4＝16种工况，相关试验结果如表1所示。

表1网络性能测试实验结果

综合分析上述试验结果，可得出以下结论：

①基于4G无线传输的网络化冲击波超压测试系统在相同条件下，分别对比试验1和5，2和6，3和7，9和13，10和14，12和16，可知基站定向天线性能优于全向天线；分别对比试验1和9，2和10，3和11，5和13，6和14，7和15，8和16，可知基站天线8米挂高优于3米挂高；分别对比实验1和3，5和7，6和8，和9，10和12，13和15，14和16，可知基站-记录仪距离500米优于1000米；分别对比实验1和2，5和6，7和8，9和10，13和14，15和16，可知终端大天线性能优于小天线。

②对比实验11和12发现，当其他条件相同记录仪选用小天线和大天线时，FTP上行速率分别为5.43M/s和4.47M/s，FTP下行速率分别为4.69M/s和2.45M/s，灌包最大上行速率分别为6.99M/s和5.28M/s，出现了终端小天线性能优于大天线的情况；

对比实验11和15发现，当其他条件相同基站采用全向天线和定向天线时FTP上行速率分别为5.43M/s和4.87M/s，灌包最大上行速率分别为6.99M/s和4.26M/s，出现了全向天线性能优于定向天线的情况；

经过分析发现，这是由于在进行第11组试验时人为调整全向天线俯仰角所致，由此可见，全向天线相对记录仪的俯仰角度对基于4G无线通信的冲击波超压测试系统的性能具有显著影响。

③在本次实验的16种工况设计中，最佳配置为试验14，基站选用定向天线，基站天线为8米挂高，终端-记录仪距离为500米，且记录仪选用大天线；此种工况下记录仪接收的RSRP值为-80dBm，ping延迟为40ms，FTP上行速率为20.30M/s，FTP下行速率为15.67M/s，灌包最大上行速率为20.46M/s。

在极端条件下，如试验3所示当基站采用全向天线，基站天线挂高为3米，基站-记录仪距离为1000米，记录仪选用小天线时，记录仪接收RSRP值为-104dBm，；ping延迟为69ms；FTP上行速率为1.31M/s，FTP下行速率为1.9M/s，灌包上行最大速率为1.52/s，仍然具有良好的无线传输速率和传输可靠性。

④由于4G无线通信含有HARQ(混合自动重传请求)机制，这一机制将前向纠错编码(FEC)和自动重传请求(ARQ)相结合，有效保证了文件传输的准确性，经试验验证高层误码率为0.00％，没有发生误码现象。

TNT装药实爆试验

冲击波超压峰值理论计算公式

近地爆炸冲击波传播规律非常复杂，在爆炸起始阶段其冲击波传播规律和无限空中爆炸传播规律基本一致，当空气冲击波到达地面会发生反射，由于人射角的不同导致了不同的反射类型，有正反射、正规反射和马赫反射[10]。

无限空中爆炸是指炸药在无边界(或可视为无边界)的空中爆炸。一般认为，装药的对比高度符合以下条件时，冲击波不会受空间界面的影响：

式中：H为炸药离地面高度(爆高)(m)；ω为TNT装药量(kg)。

TNT当量为ω的炸药在土壤地面爆炸，爆心到测试节点的距离为r时，空气冲击波入射压力的理论计算公式^[11]为

式中ΔP₊为冲击波超压值，单位为m/kg^1/3。

装药近地爆炸不能视作无限空中爆炸时，冲击波与地面接触并发生反射，若冲击波入射角小于马赫反射临界角则发生正反射或正规斜反射；当冲击波入射角大于马赫反射临界角则发生马赫反射。马赫反射临界角与装药高度和装药量有关^[12]，马赫反射临界角用装药对比高度可表示为：

当发生正反射或正规斜反射时，壁面反射超压用式(4)计算，当发生马赫反射用式(5)计算：

式中p₀为当地大气压。

试验场地布置

为评估测试系统的测试数据的一致性和传输的可靠性,对5.2kgTNT装药的静爆试验进行了冲击波测试。试验所用TNT由90％TNT+10％wax组成，密度为1.53g/cm³，药柱直径为130mm，药柱高度为260mm。药柱质心距地面1.5m，分两路共设置12个测点，测点与爆心水平距离最近为4m，最远为14m，每隔2米增设一个测点，具体试验场地布置如图5所示。其中距离爆心最近的1号节点和7号节点采用电缆相连，其余节点全部采用光纤连接。

静爆试验冲击波测试结果

基于4G无线通信的冲击波威力测试系统能够有效捕捉并记录空气冲击波超压时程曲线，对于不同方向不同位置的测点,试验一和实验二得到的冲击波波形具有较好的一致性。

表2中列出了由基于4G无线通讯的近地爆炸冲击波威力测试系统记录的冲击波压力数据。4各测试节点均采集到了相应数据,除距爆心最近的测试节点1和7所得波形存在明显过冲和毛刺以外，其余波形均表现正常。对比分析表明，内嵌式光纤同步互触发技术相对传统电缆同步触发技术而言，能够有效避免爆炸场复杂电磁环境下的电磁干扰，完整记录冲击波有效信息。有效冲击波超压峰值记录于表2。

表2实测波形超压峰值及理论计算数据表

对比表2中理论计算超压峰值与实测超压峰值，二者的相对误差δ控制在13％以内，良好的吻合性表明基于4G无线通信的冲击波威力测试系统在近地爆炸冲击波威力测试中真实可靠。

不确定度分析

在测试计量领域，不确定度作为测量结果的一部分而存在，用于表征被测量测试值的分散性。不同于动态测量误差，测量不确定度是以被测量的估计值为中心，反映人们对被测量真值在某个量值范围内的估计，可以定量评定不确定度计算方法与模型

A类与B类不确定度计算方法

(1)A类不确定度评定方法

在同一条件下，对被测量X进行n次独立重复观测，得到观测值x_i(i＝1,2,3,……n)。将算术平均值作为被测量X的估计值，基于贝赛尔公式法计算被测量的标准不确定度为u_x，如式(6)：

式中n为实验次数。

B类不确定度评定方法

B类不确定度是依据以往的观测数据、技术资料或校准证书，研究被测量可能服从的概率分布，从而得到不确定度。常见有3种情况：

a)己知被测量的可能分布区间[x-a，x+a]以及被测量在这个区间内的概率分布，即被测量的置信区间a和包含因子k己知，则测量值x的不确定度为：

b)已知被测量的扩展不确定度u(x_i)和包含因子k，则测量值x的不确定度为：

c)己知被测量的扩展不确定度u_p和置信水准p，根据被测量可能服从的分布确定包含因子k，则测量值x的不确定度为：

测试系统不确定度传递模型

信号在测试系统的各个模块中传递，从输入端到达输出端，其传递函数可以表示为F(f₁,f₂,f₃,……f_n)，f_i为系统内部各传递单元。

假设测试系统输入信号为x₀(t)，用传递函数描述信号的理想输出y₀(t)为：

y₀(t)＝x₀(t)·F(f_i),(i＝1,2,……n) (10)

如图6所示，假定作用于测试系统输入端的信号干扰误差用n_x(t)表示，作用于输出端的信号干扰误差用n_y(t)表示，测试系统自身的信号干扰误差用e_f(t)表示，则用传递函数描述系统信号的实际输出为：

y(t)＝(x₀(t)+n_x(t))F(f_i)+n_y(t)+e_f(t) (11)

那么用传递函数描述的系统动态误差为：

e(t)＝y(t)-y₀(t)＝n_x(t)F(f_i)+n_y(t)+e_f(t) (12)

基于误差源的角度对传递模型做不确定度分析，假设n_x(t)引入的不确定度分量为u_x，测试系统本身特性引入的不确定度分量为u_F，n_y(t)引入的不确定度分量为u_y，对于串联系统，用传递函数表示的系统合成不确定度u_system：

对于并联系统，用传递函数表示的系统合成不确定度u_syst_em为：

测试系统不确定度计算模型

冲击波超压测试系统的不确定度主要包括数字压力记录仪引入的不确定度u_DPR、数据在4G无线传输过程中引入的不确定度u_4G两个方面。

本系统中所使用的数字压力记录仪为北京理工大学自主研发的标准化设备，不确定度u_DPR为3.98％。数据在4G无线传输过程中引入的不确定度指数据发生丢包和误码引入的不确定度，数据丢包率和误码率也是评价数据无线传输性能的重要指标。将冲击波数据在无线传输过程中的丢包率Plr作为测试系统的丢包率，将冲击波数据在无线传输过程中的误码率Ber作为测试系统的误码率，将测试数据总包数的平均值作为传输数据的总包数n，可得无线数据传输过程不确定度的计算公式^[14]：

在测试系统网络测试实验中可知误码率为0.0％；抓包过程中，每1组数据有7649包，每6组数据有1包丢失，所以丢包率为2.18×10-3％。根据式可得无线数据传输过程不确定度为：

测试系统合成标准不确定度

对整个测试系统而言，数字压力记录仪引入的不确定度和数据在4G无线传输过程中引入的不确定度在逻辑上可以认为是并列的，根据公式(14)计算测试系统的不确定度u_system为：

故测试系统的整体不确定度为4.02％。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。