吕中杰， 李慧武， 高晨宇， 刘彦， 黄风雷

(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)

爆炸冲击波是衡量武器性能与毁伤威力的重要依据，也是战场环境中人员设备的重要防护因素[1-2].随我国军事力量的发展，对冲击波测试技术提出了更高的要求[3]，如何高效、准确、安全地进行冲击波测试显得格外重要.目前普遍采用引线电测法和存储测试法[4]，前者可实时监控设备状态，但布设工作复杂且信号易受外界电磁干扰；后者将传感器和数据处理模块集成，避免了引线电测法的弊端但设备无法实时监控且测试数据回收困难.随着无线通信技术的发展出现了基于ZigBee、WLAN、WiFi和卫星通信的无线存储式测试系统[5-8]，给现场布设等带来方便，但也暴露出传输速率低下、天线生存困难、存在数据安全隐患等问题.

冲击波超压会根据地面条件发生不同情况的反射，为准确测得地面超压，在天线设计和设备布设时须使记录仪天线、压力传感器和地面齐平.有关地面对天线辐射特性影响的文献主要考虑几兆赫兹到几十兆赫兹的通信频率[9]，徐燕等[10]利用天线理论中的镜像原理推导出2.4 GHz下受地面影响的天线辐射场公式，而特高频(UHF)300～3 000 MHz中的军用频段鲜有涉及.现有成果中收发天线通常置于地面以上一定高度，平地天线传输性能的研究很有必要.

本文综合运用4G无线通信和存储测试技术研制出一套地面无线超压测试系统.基于天线辐射场一般理论[11-12]，开展了平地天线传输性能研究，建立了表征参考信号接受功率PRSR与任意信号传输距离L的自由空间传输修正模型.实验结果表明，理论值与实验测试值吻合良好，无线超压测试系统平地天线传输性能稳定可靠.

1 系统结构与天线设计

如图1所示，无线超压测试系统主要由采集存储、4G传输和控制终端模块组成.采集存储模块是由多台可独立工作的数字压力记录仪组成的阵列，完成爆炸冲击波的采集和存储工作；4G传输模块主要包括基站、4G模块以及发射端和接收端天线，完成采集存储模块和控制终端之间的状态数据、控制命令、试验数据的传输；控制终端主要包括上位机，实现状态监控、参数配置和数据可视化工作.为避免爆炸产生的电磁干扰对冲击波测试的影响，状态数据和控制命令采取实时传输，而试验数据则是待采集存储工作完成以后进行自动传输.

图1 基于4G无线通信的冲击波威力测试系统Fig.1 Shockwave power test system based on 4G wireless communication

使用Ansoft HFSS电磁学软件在606～678 MHz频段进行仿真，设计出记录仪小天线(S)和大天线(L)两种平地天线.如图2(a)所示，记录仪小天线(S)是半径为5 cm的3/4圆环，高度1.5 cm；如图2(b)所示，记录仪大天线(L)是直径为32 cm的圆环，中空部分直径为12 cm，高度6 cm，其内部结构如图2(c)所示.

图2 记录仪小天线(S)和记录仪大天线(L)实物图Fig.2 Image of the small recorder antenna (S) and the large recorder antenna (L)

仿真结果显示，记录仪小天线(S)的最大增益范围为-5.2～0.5 dBm，记录仪大天线(L)的最大增益范围为3.3～4.5 dBm.经暗室测试，记录仪小天线(S)增益为-5.43～1.73 dBm，较仿真最大值增加了1 dB以上；记录仪大天线(L)增益为2.64～4.26 dBm，与仿真结果吻合良好.如图3所示，随着频率的增加记录仪天线的增益和辐射效率均呈现先增大后变小的趋势，记录仪大天线(L)的增益整体上大于小天线(S)且辐射效率也更稳定.

图3 小天线(S)和大天线(L)的增益和辐射效率对比图Fig.3 Comparison of gain and radiation efficiency between of small antenna (S) and large antenna (L)

2 自由空间修正模型

无线信号传输模型包括经验模型和理论模型，前者需建立应用环境关联数据库，成本极高，后者容易实现且适用性高[13].常见的理论模型有双线地面反射模型、自由空间模型和shawing模型.平地天线的信号收发方式属于直线视距传播，不宜采用双线地面反射模型.shawing模型的参数测量方式复杂，且路径损耗指数的不确定性影响模型精度.

基于自由空间模型构建平地天线信号传输模型，自由空间传输路径损耗表达式如下：

LF=20lgR+20lgf+32.44

(1)

式中：R为发射机与接收机之间的距离；f为频率.

自由空间模型如下：

Pr=Pt+Gt+Ct+Gr+Cr+LF

(2)

式中：Pr为基站接收端灵敏度；Pt为记录仪发射端功率；Ct为记录仪发射端接头和电缆损耗；Gt为记录仪发射端天线增益；Cr为基站接收端接头和电缆损耗；Gr为基站接收端天线增益；LF为自由空间传输路径损耗.

接收端灵敏度是指接收机所能检测的最小信号接收功率，式(2)不能很好地表征系统使用过程中信号强度和任意传输距离之间的关系.因此引入4G网络中表征无线信号强度的参考信号接收功率PRSR对接收端灵敏度Pr进行替换.

PRSR=Pt+Gt+Ct+Gr+Cr+LF

(3)

记录仪天线与地面平齐给信号传输带来较大影响，假设平地天线的信号传输只对自由空间传输路径损耗项产生影响，引入平地影响因子ω得到自由空间修正模型：

PRSR=Pt+Gt+Ct+Gr+Cr+ωLF

(4)

将式(1)带入到式(4)中可得：

PRSR=Pt+Gt+Ct+Gr+Cr+

ω(20lgR+20lgf+32.44)

(5)

上式可表征平地天线信号质量和任意传输距离的关系，但仍需通过实验确定ω并验证.

3 自由空间修正模型验证实验

针对自由空间修正模型开展了验证实验，数字压力记录仪和基站分别为发射端和接收端.发射端功率Pt为23 dBm；发射端天线增益Gt分为4.21 dBm(L)和0.74 dBm(S)共2种；接收端天线增益Gr分为12 dBm和10 dBm共2种；接收端天线高度H有3 m和8 m共2种；信号传输距离L有0.5 km和1 km共2种；共设置14组实验，扫频后选用640～660 MHz频段.

图4 实验场地布置示意图Fig.4 Test site layout

相关试验结果如表1所示.

表1 试验结果记录表

3.1 平地影响因子ω的确定

表2 平地影响因子ω比较表

将PRSR代入修正模型中发现，平地影响因子ω受接收端天线高度H影响，当H为3 m和8 m时对应的ω均值为1.49和1.44.当接收端和发射端天线增益Gr和Gt分别为10 dBm和4.21 dBm时，不同ω对应的修正模型曲线如图5所示.在一定范围内，ω随着H的增大而减小，LF随之减小，而PRSR则随之变大.

图5 平地影响因子的ω不同取值对应的自由空间修正模型Fig.5 Free space transmission correction model at different ω

3.2 自由空间修正模型验证

各工况下实验测试PRSR、自由空间模型PRSR和自由空间修正模型PRSR的分布情况如图6所示，自由空间修正模型PRSR比自由空间模型PRSR更接近实验测试PRSR.如表3所示，自由空间修正模型与实验测试PRSR的误差基本控制在8%以内.

表3 自由空间修正模型RSRP误差对照表

图6 自由空间模型、自由空间修正模型和实验测试的PRSR值分布图Fig.6 PRSR distribution of free space model, free space modified model and test data

3.3 平地天线传输性能分析

如图7所示，当发送端天线增益Gt、接收端天线增益Gr和接收端天线高度H各自保持不变时，PRSR值随着信号传输距离L的增大而减小.由表1可知，相同条件下，信号传输距离为0.5 km时的接收端PRSR值要比1 km时平均高出6.83 dBm.

图7 自由空间模型、自由空间修正模型和实验测试值的比较图Fig.7 Comparison of free space model，free space modified model and test data

由于4G无线通信含有HARQ(混合自动重传请求)机制，将前向纠错编码(FEC)和自动重传请求(ARQ)相结合，经实验验证，高层误码率为0.00%，没有发生误码现象.有效保证了文件传输的准确性.

3.4 冲击波波形传输实验

冲击波波形相对一般波形数据而言上升沿陡峭，对压力传感器灵敏度和采样速率要求较高.如图8所示，为进一步验证测试系统数据传输的可靠性和准确性，针对1 kgTNT静爆实验的超压测试结果进行了经无线传输前后的波形对比，二者完全一致.

图8 超压测试结果经无线传输前后的波形对比图Fig.8 Comparison of overpressure test results

4.结 论

运用4 G无线通信和存储测试技术研制出一套无线冲击波超压测试系统，与分离式无线超压测试系统相比，系统简单、容易布设、天线生存能力更强，成功解决了爆炸超压测试中设备状态监控和数据获取困难等问题.

针对平地天线建立了表征参考信号接受功率PRSR与任意传输距离L关系的自由空间修正模型，PRSR随着L的增大而减小.验证试验结果表明，修正模型的理论值与实验测试值吻合性良好.

在一定范围内，平地影响因子ω随着接收端天线高度H的增大而减小，自由空间传输路径损耗随之减小，而参考信号接受功率PRSR则随之变大.