远距离传输对水下爆炸信号的影响分析.pdf

第2 9 卷第3 期 2 0 1 2 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9N o ．3 S e p ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 3 ．0 2 4 远距离传输对水下爆炸信号的影响分析 宋敬利，贾则，金辉 9 1 4 3 9 部队，大连1 1 6 0 4 1 摘要为解决大 - 3 量装药水下爆炸威力测量试验中的信号传输问题，对水下爆炸信号经过长电缆传输后 的扭曲效应进行了分析研究。首先对大当量装药水下爆炸信号的频域特性进行分析，并确定了所要传输信 号的上限频率；然后针对长电缆自身电容对信号的影响进行了分析，并通过实验室测试得出标准正弦信号所 能传输的距离；最后通过海上实爆试验和测试数据分析得出当电缆长度达到2 4 0m 时，测量信号的幅值特性 和能量特性能够满足大当量装药爆炸威力试验要求。 关键词、水下爆炸；信号传输； 扭曲效应 中图分类号T N 9 1 9 ．3 ；0 3 8 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 2 0 3 0 0 9 6 一0 3 I m p a c tA n a l y s i so fR e m o t eT r a n s m i s s i o nA c t i o n o nU n d e r w a t e rE x p l o s i o nS i g n a l S O N GJ i n g l i ，J I AZ e ，J I NH u i U n i t9 1 4 3 9o fP L A ，D a l i a n11 6 0 4 1 ，C h i n a A b s t r a c t T od e a l w i t hs i g n a lt r a n s m i s s i o np r o b l e mo nb i ge q u i v a l e n tc h a r g eu n d e r w a t e re x p l o s i o nt e s t ，t I l et w i s t e f f e c to fe x p l o s i o ns i g n a lu n d e r w a t e rb yr e m o t et r a n s m i s s i o nw a sd i s c u s s e d ．F i m f l y ，t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co fb i ge q u i v a l e n tc h a r g ee x p l o s i o ns i g n a lw a sa n a l y z e d ，w h i c hh e l p st od e t e r m i n et h eu p p e rl i m i tf r e q u e n c y ．F u r t h e r m o r e ，t h ec a - p a c i t a n e eo fl o n gc a b l ei m p a c to ns i g n a lw a ga l s oa n a l y z e d ，a n dt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo fs i n es i g n a lw a sg a i n e db yl a - b o r a t o r yt e s t ．B a s e dO nt h eo f f s h o r ee x p l o s i o nt e s ta n dd a t aa n a l y s i s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ec a b l el e n g t hr e a c h 2 4 0m ，t h ea m p l i t u d ea n df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cm i g h tm e e tt h ed e m a n do fb i ge q u i v a l e n tu n d e r w a t e re x p l o s i o nt e s t ． K e yw o r d s u n d e r w a t e re x p l o s i o n ；s i g n a lt r a n s m i s s i o n ；t w i s te f f e c t 大当量装药水下爆炸威力测量试验中因为要考 虑测量设备的安全，要求测量设备放在安全半径以 外，而近场测量要求传感器布设在爆源附近，这就涉 及到爆炸信号的远距离传输问题。水下爆炸冲击波 信号具有突变快、频率高的特性，信号传输要求电缆 的自身电容尽可能小，而且抗干扰能力要强，这样才 能保证信号不失真。因此在选定传输电缆后需要通 过测试来验证信号传输的可靠性。实验室测试需要 事先知道所要传输信号的最高频率，为此采用H H T 收稿日期2 0 1 2 0 6 1 0 作者简介宋敬利 1 9 7 5 一 ，男，工程师，学士，从事水下爆炸与信号 处理研究， E m a i l j l s o o n g s h a n g m a i l ．t o m 。 方法通过经验模式分解和希尔伯特变换得到信号的 希尔伯特频谱，进而确定信号的最高频率。在实验 室测试过程中以此频率标准正弦波作为信号源来测 试不同长度电缆经过传输后的扭曲情况，确定信号 不失真的电缆最大长度。但爆炸冲击波信号与标准 正弦信号不尽相同，要确定冲击波信号经过长电缆 传输后是否失真还要经过实爆试验，通过长电缆传 输与短电缆传输后的信号波形和能量对比确定信号 传输是否可靠。 1 水下爆炸信号的频域分析 水下爆炸信号属于典型的非平稳信号，瞬时频率 万方数据 第2 9 卷第3 期宋敬利，贾则，金辉远距离传输对水下爆炸信号的影响分析 高，突变快㈦2 | ，采取适当的方法对信号进行分析处理 可以提取信号的主要特征，能全面而准确地得到信号 能量随时间、频率的变化规律。H H T 方法是近年来 发展起来的一种非平稳信号处理方法‘3 ．5 - ] ，通过对信 号进行经验模式分解将信号按照频率由高到低分解 采样点数 a 爆炸冲击波信号 成一系列本证模式函数，进而对分解结果进行希尔伯 特变换得到信号的希尔伯特频谱，希尔伯特频谱能够 准确反应信号能量随时间和频率的变换情况，图1 为 某次试验中测得的爆炸冲击波信号时域曲线及经过 H H T 方法处理得到的H H T 谱图。 时间／s b 信号的H H ’I 谱图 图1水下爆炸冲击波信号及其H H T 谱图 F i g ．1 U n d e r w a t e re x p l o s i o ns h o c kw a v es i g n a la n di t sH H Ts p e c t r a 从图1 中可以看出，冲击波信号突变非常快，在 不到1 0m s 的时间内迅速达到峰值，然后几乎以指 数形式衰减，在后段由于传感器布置较浅，当反射波 到达时将冲击波的尾巴截断，产生水面截断效应。 首先在M A T L A B 工作空间载人信号，采用H H T 工具箱对信号进行E M D 分解，再对分解结果作希尔 伯特变换得到信号的H H T 谱，然后做出H H T 谱的 等高线图，见图1 b ，从H H T 谱图上可以看出，频 率最高处为冲击波波头位置，最高频率大概为 9 0k H z 。 2 远距离传输对水下爆炸信号影响分析 在水下爆炸信号远距离传输时，传输线引起的 信号畸变是需要克服的主要问题，各种传输线一般 都有电容效应，主要包括线问分布电容和信号线对 地分布电容，一般后者比前者小得多，信号通过传输 线时其上的电容效应会引发充放电效应，因此引起 信号上升沿和下降沿波形畸变，电容效应越大或脉 冲信号的频率越高，畸变越严重∞JO 长电缆使用过程中的具体情况应事先对其进行 测试，对于恒流供电的信号调理器，电流的调节是测 试中的一个关键问题，当电流不足以驱动电缆自身的 电容时，长电缆会影响信号的频率响应并引入噪声使 信号产生扭曲。不同于电荷输出系统中系统噪声是 电缆长度的函数，电缆自身的电容使高频信号扭曲的 程度取决于调理器的输出电流和传感器的输出阻抗。 通常这种信号扭曲现象对低频信号 1 00 0 0H z 以内 影响较小，但是对于高频振动、冲击或瞬时信号测试， 就可能出现信号扭曲现象。对于给定的电缆长度可 以传输信号的最高频率是电缆电容和信号最高电压 与信号调理器供给电流比值的函数 厶。 鼎 1 式中扎为最高频率，H z ；C 为电缆电容，p F ；V 为传 感器输出最大电压，V ；t 为信号调理器输出电流， m A ；1 0 9 为比例因子，常数。 在式 1 中供给传感器的电流要减去1m A 是 为了补偿内部损耗，有些传感器损耗电流可能大也 可能小，具体要看厂家提供的技术参数。驱动长电 缆时，从上面的方程可以看出当电缆长度、最大电压 和测试信号频率增大时，就需要较大的驱动电流。 3 远距离传输的实验室测试 为了精确测试远距离传输的信号波形扭曲效 应，需要对传输电缆进行测试。图2 所示的测试方 法中首先将标准信号发生器连接到I C P 系列低阻抗 放大器，为了检测系统的幅频响应，让信号发生器发 出信号幅值为测量传感器最大量程信号，观察示波 器和信号发生器的幅值比，如果比值为1 1 ，系统就 满足测试需求 必要时调节信号调理器和示波器的 增益 ，如果信号幅值变小，必须增大调理器电流， 在测试中要使用试验中实际使用的电缆以反映测量 万方数据 爆破 2 0 1 2 年9 月 中的实际情况。 匝到嚣嚣P 堕匝耍捆 图2 实验室测试设备连接图 F i g ．2L a b o r a t o r yt e s te q u i p m e n tc o n n e c t i o nd i a g r a m 测试电缆分别采用8 0m 、1 6 0m 、2 4 0mS Y V 5 0 - 3 - 4 型同轴电缆进行测试，测试频率从5 0 ～1 5 0k H z ，每次 递增1 0k H z 。实验结果见表1 。 表1 实验室测试结果 T a b l e1 L a b o r a t o r yt e s tr e s u l t s 4 海上试验及结果分析 由于实际的爆炸冲击波信号与标准正弦信号有 所不同，为了精确测试长电缆对水下爆炸信号的传 输能力必须进行实爆试验，试验爆源采用2 0 0gT N T 药包作为爆源，测量设备为“鱼雷实航爆炸威力测 量系统”压力采集模块，共进行3 炮试验，试验各炮 次电缆长度分别为1 6 0m 、2 4 0m 和3 2 0m ，试验中 将同一自由场压力传感器信号分成2 路，一路通过 长电缆连接到信号调理器，另一路未经过长电缆直 接连接信号调理器，设备连线图见图3 。实验结果 见表2 。 1 4 8 5 A 2 2 信号L 丽网Iu 坚叫中薪1 厩 羔坠门⋯网4 8 5 A 2 2 信鳖慢 - J l号l o - 一L - 一 长电缆l调理器l 图3 海上实爆试验设备连接图 F i g ．3 T h er e a le x p l o s i o nt e s te q u i p m e n tc o n n e c t i o nd i a g r a m 表2 冲击波压力峰值对比 T a b l e2S h o c kw a v ep r e s s u r ep e a kc o n t r a s t 电缆未接长电缆通道冲击连接长电缆通道冲击偏差／ 长度／m波压力峰值／M P a 波压力峰值沙船，a ％ 表2 中各炮次电缆长度逐步增加，随着电缆长 度的增加冲击波压力峰值的测量偏差也逐渐增大， 当电缆长度达到3 2 0m 由于电缆自身的电容超出了 调理器的驱动范围而产生较大偏差，对爆炸威力的 评估会产生较大影响，而电缆长度在2 4 0m 以下时 对爆炸威力的评估影响较小。 另一个评估装药水下爆炸威力的重要指标是冲 击波能量，炸药水下爆炸比冲击波能E 。可用以下公 式进行计算1 E ； 筹p t d t ，J ／k g 1 ”纨C O J U 式中c 。为水中声速，m ／s ；p 。为海水密度，k g ／m 3 ；R 为测点至爆炸中心距离，m ；P t 为爆炸压力波，P a 。 水中声速由试验现场水文测量设备实时测量得 到；海水密度由试验现场水文测量设备测得的海水 盐度经换算得到，海水密度一般为1 0 3 2k g ／m 3 ；冲击 波能量的积分时间t 为6 ．7 0 ，冲击波时间常数0 是指 冲击波由最大值衰减到1 ／e 时所持续的时间，由于测 量中用快速采样的方法记录冲击波的波形，就可以很 方便地检索出冲击波的最大值点及最大值的1 ／e 所 对应的点，由这2 点就可以准确地确定p ；爆炸中心距 测点的距离R 的确定是首先通过零时法测得冲击波 由爆炸中心到测点的传播时间t ，由公式R C O k t 即可 得到所需要的距离R ，但实际上冲击波速度对声速的 修正系数k 值与水下爆炸压力P 问有一一对应的关 系，通过实际爆炸测量建立这种对应关系，由试验测 得的压力波形找出冲击波峰值压力P 。，再由k - P 对 应关系找出k 值，进而确定尺值。见表3 。 表3 各炮次冲击波能量对比 T a b l e3T h ee n e r g yo fs h o c kw a v ec o m p a r i s o n 电缆通峰值时1 ／e 峰值积分时能量／偏差／ 长度／m 道间／s时间／s间／s J k g 一 ％ 表3 中各炮次通道1 为未接长电缆通道，通道 2 为连接长电缆通道，从以上计算结果可以看出当 电缆长度小于2 4 0m 时，爆炸冲击波能量计算偏差 小于1 ％，基本不影响装药水下爆炸威力的评定，而 当电缆长度达到3 2 0m 时，由于线间分布电容的影 响，信号调理器驱动电流不足以驱动长电缆导致较 大信号畸变，冲击波能量计算偏差达到6 ．7 3 ％，对 爆炸威力的评定会造成较大影响。 下转第1 1 4 页 万方数据 1 1 4爆破2 0 1 2 年9 月 上接第9 8 页 5 结语 通过对实测水下爆炸信号的H H T 分析得出所 需传输信号的最高频率，通过实验室测试和海上实 爆试验确定了同轴电缆信号传输的长度极限，理论 分析和试验结果表明 1 水下爆炸信号具有瞬时、高频的特性，冲击 波峰值处的瞬时频率达到9 0k H z 。 2 信号调理器的驱动电流可以通过理论计算 获得，长电缆所能传输的信号频率随电缆长度增加 而减小。 3 当电缆长度达到2 4 01 1 3 时信号的幅值特性 和能量特性能够满足大当量装药水下爆炸威力的评 估要求，而当电缆长度达到3 2 0m 时由于调理器的 输出电流不足以驱动电缆自身的电容而使信号出现 较大扭曲，无法满足爆炸威力评估要求。 [ 1 ] [ 2 ] [ 2 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 刘文华，罗松林，顾文彬，等．单个球形装药浅层水中 爆炸冲击波特性的研究[ J ] ．工程爆破，1 9 9 9 9 1 ．5 ． L I UW e n h u a ，L U OS o n g - l i n ，G UW e n - b i n ，e ta 1 ．R e s e a r c h o ns p e c i f i cp r o p e r t i e so fs h o c kw a v ef r o me x p l o s i o no fs i n g l e s p h e r i c a lc h a r g ei ns h a l l o ww a t e r [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ， 1 9 9 9 9 1 - 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