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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。

關鍵詞： 大范围时间同步节点定位 LORA 分布式传感网络

中圖分類號： TN709
文獻標識碼： 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. 大范圍遠距離分布式爆炸聲波測試系統[J].電子技術應用，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]，但是爆炸場遠場的聲波、甚至次聲波的特性以及與測試節點空間位置信息的關系也逐漸引起人們的重視。可是現有的爆炸場近場沖擊波測試方法難以適用于爆炸場遠場的聲波測量^[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一各測試節點的時基。但是對于大范圍、遠距離的聲波測量，同步使用的電纜現場布設不便，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致光電器件不能接收到穩定的爆炸光信號，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點的時間同步問題，如何組建一個無線傳感器網絡也是一個巨大的考驗，隨著無線傳感器網絡的發展，大多數沖擊波場無線測試系統都是采用ZigBee或WiFi無線傳感器網絡原理^[11-12]。基于ZigBee的無線傳感器網絡傳輸速率低，距離近，只能適用于近距離的無線傳輸；基于WiFi的無線傳感網絡雖然傳輸速率快，并且使用中繼可以使傳輸距離增大，但是也難以實現爆炸場遠場大范圍的網絡覆蓋。

針對目前爆炸場遠場聲波無線測試系統的不足，本文提出一種基于北斗衛星導航系統(以下簡稱北斗系統)和LoRa的大范圍遠距離分布式爆炸聲波測試系統。該系統能夠精確地在爆炸場遠場處測量爆炸產生的各種聲波參量，實現測試節點的時間同步并且還具有測試節點定位功能，同時實現大范圍的網絡覆蓋。

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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.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點試驗室，山西太原030051；

2.中北大學電子測試技術國家重點試驗室，山西太原030051；3.中國人民解放軍63853部隊，吉林白城137000)

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