摘 要 以往的电子时间引信实验室动态性能试验，是靠人工监听引信作用时火工品的爆炸声音信号作为计时终点，这种方法误差大、实时性差、容易漏听信号等，影响试验结果的准确性。针对上述问题，提出了一种利用音频信号处理系统自动采集火工品爆炸声音信号的方法，经验证该方法可大大提高采集火工品爆炸声音信号的准确度，且响应速度快、系统性能稳定可靠，实现了对电子时间引信计时终点信号的有效采集，系统响应时间可满足电子时间引信计时精度考核的要求。
【关键词】电子时间引信 实验室动态性能试验 计时终点 爆炸声音信号采集
电子时间引信的实验室动态性能试验，是利用离心机模拟引信工作时的外部力学环境，使引信完成电池激活、机构解保，直至最终按照装定时间输出点火信号。该项试验的主要目的就是考核引信计时精度是否满足指标要求，所以准确的设置引信计时起点和计时终点是关键的一环。在这项实验中，我们把引信电池激活信号设为计时起点，把引信作用时火工品的爆炸声音信号作为计时终点。以往的电子时间引信实验室动态性能试验，是靠人工监听引信作用时火工品的爆炸声音信号作为计时终点，这种方法误差大、实时性差、容易漏听信号，影响试验结果的准确性。针对上述问题，提出了一种利用音频信号处理系统自动采集火工品爆炸声音信号的方法，以实现对电子时间引信计时终点信号的准确采集。
1 实验室动态性能试验系统的组成与工作原理
实验室动态性能试验系统由离心机和电性能测试系统两部分组成，利用离心机产生引信发射时所需的外部力学环境，通过电性能测试系统对引信工作性能进行测试。离心机由转臂运转系统、转速控制系统等组成，电性能测试系统由组合装定器、阻抗测试电路、计时电路、信号检测处理电路、信号通路自动切换电路、音频信号处理系统等组成。系统组成的原理框图如图1所示。
根据电子时间引信的工作原理，当电池激活后，引信内部计时电路即开始工作，当计时到预先装定的时间后，即输出点火信号，点燃火工品，引信完成作用。所以，试验时转速控制系统按照预先设定的过载加速度曲线和自转升速曲线控制转臂运转系统运行，产生引信工作所需的外部力学环境，使引信完成电池激活、机构解保，直至最终按照装定时间输出点火信号。电性能测试系统把引信电池激活信号设为计时起点，把引信作用时火工品的爆炸声音作为计时终点，在检测到电池激活信号后，同步启动内部计时器，开始计时，并通过音频信号处理系统自动监测引信火工品爆炸声音信号，当采集到火工品爆炸声音信号后，停止计时，得到的时间即为引信计时时间参数。
2 计时终点爆炸声音信号采集方法
2.1 爆炸声音信号采集原理
音频信号处理系统是采用声学原理，利用声音信号采集电路获取声波信号，并转换为数字信号进行处理。主要由声音传感器、音频放大器、滤波器、A/D转换器、电源模块和信号处理器组成，其原理框图见图2所示。
其中声音传感器是一种声-电转换器件，将空间中的声音信号转换为电压信号，传感器输出的信号通过音频放大器对其进行放大。放大后的模拟信号通过带通滤波器进行滤波，滤除掉系统噪声和背景声音，滤波后的模拟信号通过A/D转换器进行采样，采样结果送入信号处理器进行分析处理，如果确定为有效爆炸声音信号，则输出计时终点信号给计时器。为了满足在离心机高速运转情况下，对引信计时精度测量的使用要求，音频信号处理系统必须具有较高的灵敏度和较快的响应速度。
声音传感器选择全向型驻极体电容式麦克风，与音频放大器共同构成声音信号检测电路，其原理图见图3所示，图中MIC端连接驻极体麦克风的漏极输出端，R4为灵敏度调节电阻，通过改变其阻值，可以调整系统的声音灵敏度。
A/D转换器完成滤波器输出音频模拟信号的模数转换，为了保证信号处理的速度和精度，必须具有较高的转换速率和转换精度，因为滤波器输出的模拟信号为双极性信号，所以A/D转换器的信号输入范围应满足正负信号的采样要求。Maxim公司推出的MAX197是一款8通道、12位的高速A/D转换芯片。采用单一电源+5V供电，单次转换时间仅为6μs，采样速率可达100k/s，可通过软件设置±10V、±5V、0～10V、0～5V等四种量程，可满足本系统的使用要求。
信号处理器是音频信号处理系统的核心部分，实现系统的初始化、信号采样、数据处理等功能。为了保证信号处理的实时性，采用C8051F310单片机作为数据处理器。全系统的工作流程见图4所示。
2.2 滤波器的设计
音频信号处理系统是用来在引信实验室动态性能试验时采集火工品爆炸声音信号的设备，其工作时离心机处在高速旋转的工作过程中，交流电机干扰（200～300kHz）、变频器干扰（800kHz左右），离心机旋转产生的机械噪声（15～25kHz），都会对它的信号采集产生影响，同时因为前端一般会混入50Hz的交流电源噪声，为了有效识别火工品爆炸声音，必须对各种背景噪声进行滤波。本系统使用时对响应速度要求较高，软件滤波的方法不可行，应选用硬件滤波器对声音信号采集电路输出的信号进行滤波，然后送入A/D转换器进行模数转换。爆炸声音的频率范围集中在3～5kHz之间，为了可靠滤除背景噪声信号，需要一个具有尖锐截止特性的带通滤波器。
2.2.1 滤波器类型的选择
一般有源连续滤波器有以下类型：
（1）巴特沃斯（Butterworth）型滤波器在通带和止带内没有复杂的纹波。相位响应的线性特性比较好。但是接近通带的止带衰减不够快，即滚降特性不太好。
（2）切比雪夫（Chebyshev）型滤波器是为了在接近通带的止带产生最佳的衰减，即具有最快的滚降。但是它在相位上不是线性的，不同的频率分量要受到不同时间延迟的支配，而且会在通带或者止带内产生纹波。
（3）椭圆函数（ Elliptic）型滤波器可以产生比切比雪夫型或巴特沃斯型滤波器更陡峭的滚降，不过却在通带和止带内同时引入了内容复杂的纹波，并造成较强的非线性相位响应。
本系统设计中所需要的带通滤波器，要在接近通带的止带产生比较好的衰减，并且滤波器阶数在满足要求的前提下应尽可能小。切比雪夫型滤波器具有比较快的滚降，相位响应基本满足要求，且相对其他滤波方式完成相同的指标所需阶数较小。经过权衡取舍，选择了切比雪夫型滤波器来设计带通滤波器。
2.2.2 滤波器器件的选择
普通硬件有源滤波器由运算放大器和R、C组成，虽然比较容易实现，但参数调试困难，而且当工作频率较高时，元件周围的杂散电容将会严重影响滤波器的特性，使其偏离预定的工作状态。Maxim公司生产的MAX274是一种连续时间有源滤波器，内部有4个2 阶状态可变滤波器单元，可实现巴特沃斯型、切比雪夫型、椭圆函数型以及贝赛尔（ Bessel）全通型滤波器。采用MAX274设计滤波器的优点有：
（1）电路简单，不需外接电容，根据设计要求，每个滤波单元只需外接4个编程电阻，即可实现从100Hz～150kHz的低通、带通滤波；
（2）Maxim公司网站提供了免费的专用设计软件，免去了人工复杂计算；
（3）MAX274是单片集成结构，高频工作时基本不受杂散电容的影响，对电阻误差也不敏感；
（4）所设计滤波器的中心频率、转折频率、Q 值以及放大倍数等都可由外加电阻加以确定，参数调整十分方便；
（5）由于放大倍数可调， 所以常常设计成与后续模数转换器直接接口的形式，省却了放大电路；
（6）该芯片为连续时间型，比开关型滤波器噪声低、动态特性好；并且不需要时钟，故没有时钟噪声。
其外部接口图见图5所示。
2.2.3 滤波器参数的确定
利用MAX274设计一个滤波器的计算量很大，阶数越多，计算越困难。为此，Maxim公司提供了免费的设计软件，该软件可根据所要求的滤波器形式，计算出滤波器阶数、极点值、Q值和电阻大小，省去了人工计算。其设计步骤如下：
（1）通过在软件主选单上选择滤波器的类型并进入设置各个参数（通带频率f1=3.5kHz， f2=5.5kHz，阻带频率fs1=2.5kHz，fs2=7.7 kHz，通带最大衰减Amax=1 dB，阻带最小衰减Amin=30dB，阶数m=6） 。
（2）设置完成后退回主选单进行硬件设置，可以得到各个二阶节的参数，包括中心频率f0、品质因数Q值、增益和电阻值，各个参数还可根据实际情况修改，一般除增益与电阻值外其他参数较少修改。设置完各项参数后，可对各个二阶节的电阻值进行修改并标准化，以配合实际调试。如果电阻值超过5 MΩ，为防止寄生电容的影响，可以通过软件直接将电阻转化为等值的T 型网络。最后把各个二阶节按Q 值的大小由低到高顺序排列，以获得较大的动态响应范围。
（3）设置完电阻后可观察各个二阶节的幅频特性和相频特性，方便验证实际设计的每个二阶节的频谱。
（4）利用Maxim附带的软件设计出的频带范围为3.5 kHz～5.5kHz 的六阶切比雪夫型滤波器的各级电阻值为：第一级二阶节：R1=249.63kΩ，R2=567.309 kΩ，R3=1.032MΩ，R4=562.309kΩ；第二级二阶节：R1=404.719kΩ，R2=455.842kΩ，R3=404.719kΩ，R4=450.842 kΩ；第三级二阶节：R1=161.171kΩ，R2=366.277kΩ，R3=666.021kΩ，R4=361.277kΩ。
2.3 测量误差分析
音频信号处理系统对爆炸声音信号采集时，要经过运放MAX4468、滤波器，最后通过MAX197进行采样，模拟量的测试误差主要包括运放引进的误差和A/D转换器引进的误差两部分。
运放在工作中引入的误差主要体现在其失调、温漂等静态误差和带宽限制引起的动态误差。本设计中被测量频率较低，器件的带宽完全满足且有很大余量，可以忽略动态误差。静态误差是由很多因素引起的，设计中已经充分考虑了器件的阻抗匹配，并采用调零的方法对失调误差进行了补偿，但还必须考虑噪声、供电、温漂等因素带来的影响。根据运放的等效电路模型，得出运放的合成误差为：
（1）
（2）
上式中包含的等效静态参数的定义是：Z1是等效输入阻抗，ZL是负载的等效阻抗，rio是等效开环输入电阻，roo是等效开环输出电阻，Zf是等效反馈电阻，Aod是等效差模电压增益，Vos是等效输入失调电压，Fd是等效反馈系数。
查阅运放MAX4468的技术手册，获取上述参数值，代入式（1）计算得到Vo≈0.201mV。
MAX197具有12位的分辨率，量化误差为1LSB，当采样量程为±5V时，引进误差约为2.44mV。
综上所述，可知系统对声音信号的采集误差约为2.641mV。声音信号采集电路输出信号的上升率大约为2V/ms，测量误差在信号采样时对时间带来的影响约为1.32ns。所以整个采集电路完全满足声音信号的测试精度要求，测试结果可信度高。
3 试验验证
音频信号处理系统独立安装在离心机台体中，实时采集被测引信火工品作用时的爆炸声音信号，并输出计时停止信号给电性能测试系统。其验证过程分滤波器性能仿真和整机性能测试两部分。
3.1 滤波器性能仿真
由于Maxim提供的软件仿真出来的频谱图并不十分精确，而且无法观察级联起来后的频谱，首先在MATLAB下完成仿真得到更加精确的频谱。仿真可根据二阶节的内部结构得到输入比带通输出的传递函数：
（3）
式中： C=79.5 pF。
把设计软件中得到的每个二阶节的电阻值代入相应的传递函数中，再把每个二阶节的传递函数相乘，可以得到最后输出的幅频响应，见图6实线部分。
设计中，实际能实现的电阻阻值与计算值之间有一定的误差，即使使用可调电阻，也存在误差。因此要对电阻值进行取舍，一般只要误差不超过5%，电阻值对滤波器波形的影响就不大，基本可以满足要求。
在实际调整电阻值过程中要遵循以下简单的原则：R1的阻值与增益成反比， R3的阻值与品质因数Q成正比，R2与R4的阻值分别与带宽成反比。
实际调试后，得出了比较令人满意的幅频响应，见图6虚线部分。调整之后的各级电阻值是：第一级二阶滤波器：R1=240kΩ，R2=560kΩ，R3=1.0MΩ，R4=820kΩ；第二级二阶节：R1=390kΩ，R2=430kΩ，R3=390kΩ，R4=620kΩ；第三级二阶节：R1=160kΩ，R2=360kΩ，R3=620kΩ，R4=390 kΩ。
3.2 整机性能测试
按照仿真得到的结果，调整滤波器电路参数值，利用音频信号处理系统对不同型号火工品，进行实际的爆炸声音信号采集，同时利用示波器对测试信号进行监测，实际火工品爆炸声音测试信号见图7所示，经过多次试验均可靠监测到火工品的爆炸声音信号，证明音频信号处理系统性能稳定，工作可靠，不同型号火工品因为爆炸声音强度不同，所以系统的反应时间略有不同，但平均响应时间都在3ms左右，满足使用要求。表1中列出了不同型号火工品作用时的系统响应时间测量值。
4 结论
本文提出的电子时间引信计时终点信号采集方法，是在电子时间引信实验室动态性能试验系统中，利用音频信号处理系统自动采集火工品爆炸声音信号。试验验证结果表明，该方法可大大提高采集火工品爆炸声音信号的准确度，且相应速度快，系统性能稳定可靠，实现了对电子时间引信计时终点的有效采集，系统响应时间可满足电子时间引信计时精度考核的要求。该方法已在某型火箭弹引信实验室动态综合性能检测系统中得到应用。
参考文献
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作者单位
西安机电信息技术研究所 陕西省西安市 710065