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大范圍遠(yuǎn)距離分布式爆炸聲波測試系統(tǒng)

2022年電子技術(shù)應(yīng)用第2期

王毛凱1，2，賴富文3，趙永峰1，2，孔凡勝3，王文廉1，2

1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，山西太原030051； 2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，山西太原030051；3.中國人民解放軍63853部隊(duì)，吉林白城137000

摘要： 針對爆炸場遠(yuǎn)場聲波信號特性測試，提出一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和LoRa無線通信技術(shù)的大范圍遠(yuǎn)距離分布式爆炸聲波測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以FPGA為核心控制器，利用存儲測試技術(shù)實(shí)現(xiàn)了爆炸聲波信號的采集存儲；利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時、定位功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離分布式測量中的時間同步和節(jié)點(diǎn)定位；利用LoRa的線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，組建了大范圍、遠(yuǎn)距離、低功耗的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此分布式測試系統(tǒng)在獲取有效數(shù)據(jù)的同時實(shí)現(xiàn)了100 ns的時間同步和2 m的定位精度以及2 km的大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

關(guān)鍵詞： 大范圍時間同步節(jié)點(diǎn)定位 LORA 分布式傳感網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號： TN709
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211671
中文引用格式： 王毛凱，賴富文，趙永峰，等. 大范圍遠(yuǎn)距離分布式爆炸聲波測試系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2022，48(2)：36-40.
英文引用格式： Wang Maokai，Lai Fuwen，Zhao Yongfeng，et al. Large-scale and long-distance distributed explosion sound wave test system[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(2)：36-40.

Large-scale and long-distance distributed explosion sound wave test system

Wang Maokai1，2，Lai Fuwen3，Zhao Yongfeng1，2，Kong Fansheng3，Wang Wenlian1，2

1.Key Laboratory of Instrument Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education， North University of China，Taiyuan 030051，China； 2.National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China； 3.63853 Unit of People′s Liberation Army of China，Baicheng 137000，China

Abstract： A large-scale and long-distance distributed explosion sound wave test system based on BeiDou satellite navigation system and LoRa wireless communication technology is proposed for the characteristics test of the acoustic signal in the far field of the explosion field. The system uses FPGA as the core controller and acquisition and storage of explosion sound wave signals is realized by using stored testing technology.Time synchronization as well as node positioning information in long-distance distributed measurement is achieved by the timing and positioning function of BeiDou satellite navigation system. On the other hand, linear spread spectrum modulation technology of LoRa is used to form a large-scaler distributed sensor network with long-distance and low power consumption. The experimental result indicates that the proposed distributed test system acquired valid data at the same time realizes time synchronization of 100 ns, positioning accuracy of 2 m and large-scale network coverage of 2 km.

Key words : large-scale；time synchronization；node positioning；LoRa；distributed sensor network

0 引言

沖擊波在傳播的過程中不斷衰減為聲波、次聲波^[1-3]。對沖擊波傳播特性的研究是衡量彈藥毀傷效果的重要手段。目前雖然著重于爆炸場近場沖擊波特性研究^[4-5]，但是爆炸場遠(yuǎn)場的聲波、甚至次聲波的特性以及與測試節(jié)點(diǎn)空間位置信息的關(guān)系也逐漸引起人們的重視。可是現(xiàn)有的爆炸場近場沖擊波測試方法難以適用于爆炸場遠(yuǎn)場的聲波測量^[6-7]，如爆炸場近場的同步測試，可以采用斷線同步法或者光信號同步法統(tǒng)一各測試節(jié)點(diǎn)的時基。但是對于大范圍、遠(yuǎn)距離的聲波測量，同步使用的電纜現(xiàn)場布設(shè)不便，并且干擾噪聲大，使得斷線同步法難以適用；爆炸光隨著距離的衰減導(dǎo)致光電器件不能接收到穩(wěn)定的爆炸光信號，并且需要排除地面反射光的干擾，使得光信號同步法也力不能及^[8-10]。大范圍帶來的不僅僅是各個測試節(jié)點(diǎn)的時間同步問題，如何組建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也是一個巨大的考驗(yàn)，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，大多數(shù)沖擊波場無線測試系統(tǒng)都是采用ZigBee或WiFi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理^[11-12]。基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸速率低，距離近，只能適用于近距離的無線傳輸；基于WiFi的無線傳感網(wǎng)絡(luò)雖然傳輸速率快，并且使用中繼可以使傳輸距離增大，但是也難以實(shí)現(xiàn)爆炸場遠(yuǎn)場大范圍的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

針對目前爆炸場遠(yuǎn)場聲波無線測試系統(tǒng)的不足，本文提出一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(以下簡稱北斗系統(tǒng))和LoRa的大范圍遠(yuǎn)距離分布式爆炸聲波測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠精確地在爆炸場遠(yuǎn)場處測量爆炸產(chǎn)生的各種聲波參量，實(shí)現(xiàn)測試節(jié)點(diǎn)的時間同步并且還具有測試節(jié)點(diǎn)定位功能，同時實(shí)現(xiàn)大范圍的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

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作者信息：

王毛凱1，2，賴富文3，趙永峰1，2，孔凡勝3，王文廉1，2

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，山西太原030051；

2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，山西太原030051；3.中國人民解放軍63853部隊(duì)，吉林白城137000)

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