大范围远距离分布式爆炸声波测试系统-AET-电子技术应用

大范围远距离分布式爆炸声波测试系统

2022年电子技术应用第2期

王毛凯1，2，赖富文3，赵永峰1，2，孔凡胜3，王文廉1，2

1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点试验室，山西太原030051； 2.中北大学电子测试技术国家重点试验室，山西太原030051；3.中国人民解放军63853部队，吉林白城137000

摘要：针对爆炸场远场声波信号特性测试，提出一种基于北斗卫星导航系统和LoRa无线通信技术的大范围远距离分布式爆炸声波测试系统。该系统以FPGA为核心控制器，利用存储测试技术实现了爆炸声波信号的采集存储；利用北斗卫星导航系统的授时、定位功能，实现了远距离分布式测量中的时间同步和节点定位；利用LoRa的线性扩频调制技术，组建了大范围、远距离、低功耗的分布式传感网络。实验结果表明，此分布式测试系统在获取有效数据的同时实现了100 ns的时间同步和2 m的定位精度以及2 km的大范围网络覆盖。

关键词： 大范围时间同步节点定位 LORA 分布式传感网络

中图分类号：TN709
文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211671
中文引用格式：王毛凯，赖富文，赵永峰，等. 大范围远距离分布式爆炸声波测试系统[J].电子技术应用，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

冲击波在传播的过程中不断衰减为声波、次声波^[1-3]。对冲击波传播特性的研究是衡量弹药毁伤效果的重要手段。目前虽然着重于爆炸场近场冲击波特性研究^[4-5]，但是爆炸场远场的声波、甚至次声波的特性以及与测试节点空间位置信息的关系也逐渐引起人们的重视。可是现有的爆炸场近场冲击波测试方法难以适用于爆炸场远场的声波测量^[6-7]，如爆炸场近场的同步测试，可以采用断线同步法或者光信号同步法统一各测试节点的时基。但是对于大范围、远距离的声波测量，同步使用的电缆现场布设不便，并且干扰噪声大，使得断线同步法难以适用；爆炸光随着距离的衰减导致光电器件不能接收到稳定的爆炸光信号，并且需要排除地面反射光的干扰，使得光信号同步法也力不能及^[8-10]。大范围带来的不仅仅是各个测试节点的时间同步问题，如何组建一个无线传感器网络也是一个巨大的考验，随着无线传感器网络的发展，大多数冲击波场无线测试系统都是采用ZigBee或WiFi无线传感器网络原理^[11-12]。基于ZigBee的无线传感器网络传输速率低，距离近，只能适用于近距离的无线传输；基于WiFi的无线传感网络虽然传输速率快，并且使用中继可以使传输距离增大，但是也难以实现爆炸场远场大范围的网络覆盖。

针对目前爆炸场远场声波无线测试系统的不足，本文提出一种基于北斗卫星导航系统(以下简称北斗系统)和LoRa的大范围远距离分布式爆炸声波测试系统。该系统能够精确地在爆炸场远场处测量爆炸产生的各种声波参量，实现测试节点的时间同步并且还具有测试节点定位功能，同时实现大范围的网络覆盖。

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作者信息：

王毛凯1，2，赖富文3，赵永峰1，2，孔凡胜3，王文廉1，2

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点试验室，山西太原030051；

2.中北大学电子测试技术国家重点试验室，山西太原030051；3.中国人民解放军63853部队，吉林白城137000)

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