天幕立靶探測光幕響應(yīng)時間一致性測量方法研究

田亞男，田 會，袁 云

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

引言

六光幕陣列式天幕立靶[1-3]是身管武器外彈道飛行參數(shù)測試的主要設(shè)備，其測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對武器的研制、生產(chǎn)和交驗至關(guān)重要。六光幕陣列式天幕立靶利用光幕探測原理在空間按一定角度與距離形成6個探測光幕，飛行彈丸依次穿過6個光幕時，遮擋了對應(yīng)光電探測器件所接收到的光能量，探測器件將變化的光信號轉(zhuǎn)化為微弱的電信號，經(jīng)信號處理電路輸出6路過幕信號，每個信號代表彈丸穿過對應(yīng)光幕的時刻信息，結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)及靶距，利用計算公式可得到彈丸飛行參數(shù)[4-5]。因探測光幕中存在探測器件的響應(yīng)時間和信號處理電路響應(yīng)延遲，彈丸穿過光幕的時刻與輸出信號的時刻存在偏差[6]，也稱之為光幕響應(yīng)時間。由于器件參數(shù)的分散性，導(dǎo)致不同光幕的響應(yīng)時間存在差異，當(dāng)不同光幕間的響應(yīng)時間偏差較大時，會直接影響系統(tǒng)的測量精度[7-9]。目前針對光幕探測類儀器的響應(yīng)時間測量方法，主要采用負(fù)脈沖電信號或正弦電信號控制光源亮暗變化來模擬彈丸穿過光幕時產(chǎn)生的光能量變化過程，對比預(yù)定時間亮滅的小光源與測時儀間的讀數(shù)差值測量光幕響應(yīng)時間差異[10-12]，該方法未考慮彈丸實際外圍輪廓與光幕輸出的彈丸過幕模擬信號的對應(yīng)關(guān)系，易導(dǎo)致信號飽和，引起測時誤差。實彈測試中，彈丸穿過天幕立靶時輸出的波形模擬信號包含彈丸輪廓信息及過幕時間信息，與彈丸外圍輪廓相似，可依據(jù)廣義相關(guān)算法精確計算兩路信號的時間。為解決上述問題，本文在光幕探測類儀器響應(yīng)時間測量方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種盡量真實模擬彈丸穿過光幕時探測器件上接收光能量變化的測試裝置，實現(xiàn)天幕立靶6個探測光幕響應(yīng)時間一致性測量，為評判其測量精度提供技術(shù)依據(jù)。

1 光幕響應(yīng)時間一致性測量方法

光幕響應(yīng)時間一致性測量方法示意圖如圖1所示，模擬彈丸過幕信號源以天幕立靶中探測器件響應(yīng)光譜范圍內(nèi)穩(wěn)定發(fā)光的點光源作為彈丸過幕時光能量變化的信息載體，通過輸出兩路具有延時特性的驅(qū)動電信號，兩路驅(qū)動電信號相同，與實彈過幕模擬信號相反，包含常規(guī)彈形輪廓特征及過幕時間信息，分別控制基準(zhǔn)點光源1與測試點光源2的發(fā)光亮度，使兩路點光源按照設(shè)定的時間間隔由亮逐漸變暗再變亮。將基準(zhǔn)點光源1放置在天幕立靶光幕G1探測視場內(nèi)的鏡頭中心軸線上；測試點光源2依次放置在天幕立靶光幕Gi(2、3、4、5、6)探測視場內(nèi)的鏡頭中心軸線上，兩路點光源均與鏡頭間隔一定距離。通過設(shè)定兩路點光源亮度變化的時間間隔T，控制兩路點光源亮度分別變化一次，天幕立靶中對應(yīng)光幕接收到變化的光能量，經(jīng)信號處理電路后輸出對應(yīng)的過靶信號，天幕立靶測速系統(tǒng)中的信號采集與處理儀直接采集每個光幕輸出的過靶信號，利用廣義相關(guān)算法，計算出光幕G1與光幕Gi(2、3、4、5、6)輸出模擬信號的時間間隔Ti-1，與模擬彈丸過幕信號源中置入的兩路信號間的時間間隔T進(jìn)行比較，若5組Ti-1與T的相差時間均小于1 μs，可驗證6個光幕響應(yīng)時間一致滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖1 光幕響應(yīng)時間一致性測量方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement method of lightscreens response time consistency

在該測量方法中，模擬彈丸過幕信號源為核心測試裝置，其輸出的電信號直接驅(qū)動點光源模擬彈丸過幕時探測器接收到的光能量變化過程。如圖2所示，通過圖像處理準(zhǔn)確獲取各種常規(guī)測試彈丸的外圍輪廓數(shù)據(jù)，將其量化后導(dǎo)入ROM存儲器，通過尋址調(diào)用存儲數(shù)據(jù)送入DA轉(zhuǎn)換器，輸出的模擬信號經(jīng)驅(qū)動電路后控制兩路光源按照設(shè)定的時序?qū)崿F(xiàn)亮度變化。

圖2 模擬彈丸過幕信號源設(shè)計思路Fig.2 Design idea of signal source for simulating projectileover-screen

2 彈丸輪廓曲線獲取

為了準(zhǔn)確獲取彈丸輪廓曲線，可利用面陣相機采集不同類型的彈丸圖像，通過圖像處理算法獲取各彈丸的外圍輪廓數(shù)據(jù)，利用最小二乘法擬合出彈丸輪廓曲線，圖3為外圍輪廓曲線獲取具體算法流程圖。

圖3 彈丸圖像處理流程圖Fig.3 Flow chart of projectile image processing

以常用的7.62 mm彈丸為處理目標(biāo)進(jìn)行說明，其邊緣檢測得到的圖像如圖4所示。

圖4 彈丸邊緣檢測圖Fig.4 Detection diagram of projectile edge

在圖像采集環(huán)節(jié)因無法保證彈丸完全平行于水平面，需對采集彈丸圖像的邊界像素點坐標(biāo)進(jìn)行擬合，依據(jù)擬合圖像的對稱軸直線斜率(彈丸為對稱圖像)反算出采集彈丸圖像關(guān)于水平方向的傾斜角度，對其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)消傾斜處理后，再重新提取彈丸邊界像素點坐標(biāo)，以保證彈丸輪廓曲線擬合精度。由于彈丸關(guān)于彈軸對稱，只需對彈丸半輪廓曲線進(jìn)行擬合，最終確定的以彈尖為坐標(biāo)圓點的彈丸輪廓曲線多項式為

Y(x)=0.000 408 5x2-0.362 1x-

19.16x∈[0,661]

(1)

式中:x為彈丸輪廓在水平方向上的像素點坐標(biāo);Y為彈丸輪廓在垂直方向上的像素點坐標(biāo)。

3 模擬彈丸過幕信號源設(shè)計與實現(xiàn)

模擬彈丸過幕信號源的核心是對點光源進(jìn)行調(diào)光，控制光源發(fā)光亮度，使其按照不同彈丸過幕時所遮擋的光能量變化。圖5為模擬彈丸過幕信號源的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖，整個硬件系統(tǒng)以FPGA為核心控制模塊，配合調(diào)光電路及外圍供電模塊、參數(shù)置入電路、顯示電路、彈形選擇電路實現(xiàn)，F(xiàn)PGA可通過程序控制將事先存儲在ROM中的彈丸輪廓數(shù)據(jù)讀出，控制調(diào)光電路中DA的輸出電壓值，以改變點光源的工作電流實現(xiàn)調(diào)光。

圖5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of system hardware circuit

3.1 彈丸輪廓數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與存儲

依據(jù)FPGA系統(tǒng)中ROM存儲器以數(shù)字形式存儲和讀取數(shù)據(jù)的特性，需將獲取的彈丸輪廓曲線轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的波形幅度數(shù)據(jù)量后進(jìn)行存儲調(diào)用。首先對彈丸輪廓曲線進(jìn)行定間隔抽樣，抽樣值采用歸一化算法進(jìn)行量化，其量化值與1 023的乘積即為彈形輪廓數(shù)據(jù)對應(yīng)的波形幅度數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)范圍在0～1 023之間，由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換位數(shù)確定，不同波形幅度數(shù)字量對應(yīng)不同輸出電壓。利用Matlab將生成的波形幅度數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換為QuartusⅡ軟件可以讀寫的Mif初始化波形文件，調(diào)用宏功能模塊LPM-ROM，設(shè)定位寬、字節(jié)深度完成各ROM存儲器中的數(shù)據(jù)存儲，測試時可由地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址對ROM存儲器尋址，依次取出存儲數(shù)據(jù)送至DA轉(zhuǎn)換后，輸出對應(yīng)的模擬彈丸過幕輸出波形。

3.2 LED調(diào)光電路設(shè)計

針對實彈過幕時間短、光幕觸發(fā)速度快等測試需求，模擬彈丸過幕信號源選用易驅(qū)動、發(fā)光穩(wěn)定、響應(yīng)速率快的發(fā)光二極管(LED)作為光信號源。由LED的I—V特性知，LED正向?qū)ê笪⑷醯碾妷鹤兓紩?dǎo)致電流劇烈變化，其電流大小決定LED發(fā)光亮度，若電流過大可直接燒壞LED[13-14]，研究采用電流驅(qū)動形式進(jìn)行LED調(diào)光。

LED點光源1、LED點光源2的調(diào)光電路相同，LED點光源1的調(diào)光電路如圖6所示，雙路10位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD5312可將ROM中存儲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量，控制輸出電壓值變化，TL431芯片為其提供2.5 V的基準(zhǔn)電壓。結(jié)合選用LED的工作電壓范圍，采用LM358雙路運放芯片的第一路運放對DA輸出電壓進(jìn)行二倍放大；第二路運放對LED進(jìn)行電流驅(qū)動，其中運放輸出端接AO3401場效應(yīng)管，其在高電平截至，低電平導(dǎo)通。通過比較第二路運放同相端的輸入電壓與反相端輸入的反饋電壓大小，判定AO3401處于截至還是導(dǎo)通狀態(tài)，控制LED負(fù)載電阻R7上的電流恒定，即控制流過LED的負(fù)載電流恒定，該負(fù)載電流的幅值受同相端輸入電壓控制，調(diào)光電路通過調(diào)節(jié)DA輸出的電壓值，改變LED工作電流，實現(xiàn)LED發(fā)光亮度控制。

圖6 LED調(diào)光電路Fig.6 Circuit of LED light energy control

3.3 邏輯電路設(shè)計

模擬彈丸過幕信號源的總體邏輯電路設(shè)計如圖7所示。

圖7 邏輯電路設(shè)計框圖Fig.7 Flow chart of logic circuit design

DA控制器接收外部輸入的彈形選擇信號及矩陣按鍵置入的兩路信號的延時間隔，當(dāng)人機交互界面確定按鍵被按下時，DA控制器先通過指令判斷數(shù)據(jù)的輸出通道，開始以SPI(serial peripheral interface)傳輸協(xié)議發(fā)送對應(yīng)波形ROM中的存儲數(shù)據(jù)至選擇通道，同時觸發(fā)計數(shù)器按矩陣按鍵置入延時間隔開始計數(shù)，待計數(shù)到置入時間，觸發(fā)DA控制器的另一通道發(fā)送波形ROM中的存儲數(shù)據(jù)，直至存儲數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

DA控制器為邏輯電路設(shè)計的核心控制模塊，其傳輸速率由模擬彈丸過幕信號源中不同彈形的波形持續(xù)時間決定，波形持續(xù)時間即彈丸過幕時間，由彈丸長度、光幕厚度、彈速確定，由文獻(xiàn)[15]中幕厚分布規(guī)律研究知，天幕立靶焦距為85 mm、光圈為1.8、狹縫寬度為0.4 mm、物距為1.5 m、鏡頭距接收屏距1 m時幕厚為26 mm，最終計算確定各彈形的波形持續(xù)時間最小時間單位為10 ns，可由鎖相環(huán)PLL對系統(tǒng)50 MHz時鐘倍頻產(chǎn)生，同時在此頻率下對兩路信號的延時時間進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)精度同為10 ns，最長延時時間0.999 s，滿足響應(yīng)時間測量的精度要求。

4 試驗驗證

為驗證設(shè)計測試裝置的可行性與穩(wěn)定性，對模擬彈丸過幕信號源配合示波器進(jìn)行功能測試。圖8為模擬7.62 mm彈過幕的LED控制信號波形信號圖，其中兩路波形的延時時間設(shè)置為500.0 μs，調(diào)試結(jié)果表明，輸出波形及兩路信號延時間隔均與設(shè)定波形和時間相吻合，電路工作正常可靠。

圖8 7.62mm彈測試波形圖Fig.8 Test waveform diagram of7.62mm projectile

基于上述室內(nèi)模擬驗證基礎(chǔ)，使用所設(shè)計的模擬彈丸過幕信號源測試裝置驗證天幕立靶6個探測光幕的響應(yīng)時間一致性，按照文中所述方法進(jìn)行試驗，其中彈丸過幕信號輸出的兩路波形信號的延時間隔分別設(shè)置為500.0 μs和1 000.0 μs進(jìn)行兩組測試試驗，信號采集與處理儀記錄幕面1與其余5個幕面的輸出過幕信號時間間隔，表1中所示的測試結(jié)果為多次試驗求取的平均值。

表1 6個光幕響應(yīng)時間一致性測量數(shù)據(jù)

測試結(jié)果表明，輸出兩路信號時間間隔與設(shè)定時間間隔差值均小于1 μs，滿足天幕立靶0.1%的測試精度下對響應(yīng)時間的精度要求，驗證了天幕立靶的6個光幕響應(yīng)時間一致。

5 結(jié)論

本文針對天幕立靶中6個光幕的響應(yīng)時間一致性測量問題，設(shè)計了一種高精度模擬彈丸過幕信號源測試裝置及配套的測量方法，其結(jié)論如下：

1) 依據(jù)實彈過幕輸出信號特性，通過圖像處理，準(zhǔn)確獲取各種常規(guī)測試彈形的外圍輪廓數(shù)據(jù)，將其量化后導(dǎo)入ROM存儲器，完成常規(guī)彈形輪廓數(shù)據(jù)庫建立；

2) 通過調(diào)用存儲在ROM中的彈丸輪廓數(shù)據(jù)，改變調(diào)光電路中DA輸出電壓值，以控制LED的工作電流實現(xiàn)光源亮度調(diào)節(jié)，模擬彈丸穿過光幕時的光能量變化；

3) 經(jīng)試驗驗證，6個光幕響應(yīng)時間一性測量誤差小于1 μs，設(shè)計測量方法及測試裝置能夠應(yīng)用于天幕立靶光幕響應(yīng)時間一致性測量。