基于多脈沖激光的彈藥姿態測試系統研究*

賀 翾,常 磊,任 勐,李 琳,賈養育

(中國兵器工業第203研究所,西安 710043)

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基于多脈沖激光的彈藥姿態測試系統研究*

賀 翾,常 磊,任 勐,李 琳,賈養育

(中國兵器工業第203研究所,西安 710043)

彈藥飛行姿態和戰斗部破片威力測量是武器系統研制中非常關心的問題,影像測量是一種非常直觀可信的方法,然而由于火光的影響,普通高速攝影容易曝光飽和,無法得到火光中的彈丸影像;而且對于高速運動彈丸,普通高速攝像還會造成彈丸影像模糊拖尾。文中介紹了一種多脈沖激光彈藥姿態測試系統,可以排除強烈自發光的干擾,獲得清晰的高速彈丸影像。通過試驗驗證,該測量系統有效可靠,能夠較好的滿足武器系統威力瞬態測試需求。

多脈沖激光;正交攝影;瞬態測試;同步控制器

0 引言

在反坦克導彈、火箭彈和末敏彈藥等戰術武器戰斗部的研制和定型試驗中,最為重要的是戰斗部的瞬態工作過程研究,如戰斗部著靶前姿態、穿甲過程、破甲過程、彈丸爆炸過程及高速射流和破片的飛行過程。目前常用的測試研究手段是高速攝像,然而戰斗部的瞬態工作過程往往具有以下特點[1]:

1)目標運動速度快,如高速動能武器速度超過1 500 m/s,爆炸破片速度可達3 000 m/s,射流速度最快可以達到10 000 m/s;

2)持續時間極短,如彈丸的穿甲過程和破甲過程通常只有數百微秒;

3)常常伴有強烈的自發光,如爆炸火光和高速碰撞火光等。

因此要求光電成像記錄系統要有足夠短的曝光時間、足夠高的記錄幀頻并具有克服強烈自發光的能力,常規的高速攝影系統很難有效記錄這些瞬態過程的影像變化,無法滿足戰斗部威力的高精度測試要求。

目前,適合自發光條件下的高速攝影系統主要有以下幾種:膠片式激光超高速攝影系統、激光數字高速攝影系統、多脈沖激光姿態測試系統、X光攝影系統等。其中,X光攝影系統有很強的穿透煙霧能力和抗火光能力,但是其缺點是測量范圍小,空間分辨率較低,通常不超過10 lp/mm[2],攝影頻率也很低,對瞬態過程通常只能單幅拍攝,而且系統龐大結構復雜,防護困難,只適合固定爆炸場所。

激光數字高速攝影系統通常采用大能量的高頻激光脈沖作為照明光源,普通高速攝像機作為圖像記錄設備,在高精度的同步系統控制下,使激光脈沖在高速攝影機很短的曝光時間內曝光,由于曝光時間很短,所以自發光的曝光量很小,有效的曝光量幾乎全由激光決定,同時配備窄帶干涉濾光片,可有效排除自發光的影響。激光脈沖時間很短,通常為十幾納秒,對于高速運動目標可以瞬間曝光凍結,從而獲得高速運動目標清晰的瞬間影像,解決了普通高速攝影對高速運動目標的拖尾模糊現象。但是普通高速攝像機的攝像頻率和空間分辨率成反比關系,在高速應用時空間分辨率會降低,因此,激光數字高速攝影系統有它的明顯優點也有相應的不足。

多脈沖激光姿態測試系統利用激光作為照明光源,使用國際高性能高分辨率專用CCD相機作為圖像記錄設備,單幅成像多次曝光,既提高了攝影頻率又保證了空間分辨率,使測試精度大大提高。下面對該測試系統進行詳細介紹。

1 系統工作原理

多脈沖激光姿態測試系統主要用于室內固定靶道或爆炸洞場所,用于高速運動目標空間姿態的高精度測試,系統包括多脈沖激光照明光源、兩臺高分辨率CCD相機(正交布置)、兩套姿態測試光路調節裝置、正交反射屏、同步控制器以及觸發啟動靶等。

多脈沖激光姿態測試系統原理如圖1所示,當運動物體經過觸發啟動靶時,產生一個觸發信號,啟動同步控制器中的時序控制電路并給出3路延時輸出脈沖:第一路延時輸出脈沖串控制激光器的多次閃光(兩次或3次);第二路延時輸出脈沖控制一個方向的CCD相機曝光時序(對應激光器多次閃光,即單幅成像多次曝光);第三路延時輸出控制另一個方向的CCD相機曝光時序(對應激光器多次閃光,即單幅成像多次曝光)。同步控制器向激光器發出第一路脈沖串觸發信號后,激光器經過固有延時,產生相應激光脈沖串,激光經過五五分光后,再由兩根導光光纖束將兩束激光分別導入兩個發散鏡,照明運動物體。兩路CCD相機在各自的觸發輸入作用下,在激光光源發出每一個激光脈沖之前,CCD相機開啟電子快門,激光脈沖過后立即關閉電子快門,激光脈沖串結束后,一幅圖像完成,那么在同一個圖像中就可以獲得對應激光脈沖數目的目標影像。照相結束后,兩個正交CCD相機獲得的運動物體陰影圖像經計算機進一步處理,可以得到運動物體的運動姿態、速度等參數。

姿態角計算如圖2所示。

X軸為沿彈丸飛行方向的水平方向,正方向為彈丸飛行方向;Y軸為垂直方向,朝上為正。Z軸為水平方向,水平向右為正。α為彈丸在垂直面即XOY面的投影與X軸的夾角,即彈丸俯仰角;β為彈丸在水平面即XOZ面的投影與X軸的夾角,即彈丸偏航角。(X1,Y1)、(X2,Y2)為彈丸特征點在CCD相機(側)所成陰影圖像在XOY平面內坐標;(X1,Z1)、(X2,Z2)為彈丸特征點在CCD相機(上)所成陰影圖像在XOZ平面內坐標。

圖1 多脈沖激光姿態測試系統原理圖

圖2 姿態角計算模型

由正交方式下兩CCD相機所得圖像上,可直接讀出彈丸對應特征點像素坐標(x1,y1)、(x2,y2)、(x1,z1)、(x1,z1)。考慮到XOY平面,像素坐標x軸方向與空間坐標X軸方向一致,像素坐標y軸方向與空間坐標Y方向正好相反,Y方向像素總數為4 408個;而在XOZ平面,像素坐標x軸、z軸方向與空間坐標X軸、Z軸方向都一致,故:

在XOY平面,有:

X=αx,Y=α(4 408-y)

(1)

在XOZ平面有:

X=αx,Z=αz

(2)

式中,X、Y、Z為彈丸圖像特征點坐標,x、y、z為彈丸圖像特征點像素坐標。a為像素尺寸,本系統相機中,a=0.005 5 mm。

由空間幾何關系可知,彈丸俯仰角α為:

(3)

彈丸偏航角β根據以下公式計算:

(4)

彈丸特征點像素坐標(x1,y1)、(x2,y2)、(x1,z1)、(x2,z2),可通過圖像直接讀出。由式(3)、式(4)可計算出彈丸俯仰角α及偏航角β。

多脈沖激光姿態測試系統的突出特點是:多次曝光、單幅成像、正交攝影,可以在一幅圖像上快速獲取同一目標的兩個或3個曝光時刻的高速運動目標陰影像,實現對高速和超高速飛行彈丸的彈道特性、空間飛行姿態、速度等參數的測試,CCD相機鏡頭加激光濾光片,曝光時間短,抗自發光干擾能力強,系統的空間分辨率高達2 900萬像素,測試精度高。

主要性能指標:

攝影視場范圍:不小于1 m×1.5 m;

激光脈寬:<20 ns;

激光光源工作波長:532 nm;

相機分辨率:2 900萬像素。

2 系統組成及功能

2.1 多脈沖激光照明光源

多脈沖激光照明光源由多脈沖激光頭、激光電源、封閉式水冷卻系統、高速電光調Q驅動等組成。封閉式水冷卻系統和高速電光調Q驅動放置在激光頭殼體中,激光輸出通過激光頭前端的法蘭與光纖耦合器相連,通過光纖傳輸為CCD相機提供照明光源[3]。激光電源單獨一個箱體。

多脈沖激光照明光源的工作原理如圖3所示,多脈沖激光頭用于產生1 064 nm的激光,激光電源為激光器出光提供驅動能源,封閉式水冷卻系統為氙燈降溫,高速電光調Q產生所需要的激光脈沖寬度。倍頻晶體將1.064 μm的激光倍頻為532 nm的綠光。

圖3 多脈沖激光照明光源原理框圖

激光電源給氙燈放電提供電能,氙燈的強光輻射被YAG晶體吸收。YAG晶體吸收光輻射后,使其產生粒子數反轉,將能量以激活粒子的形式存儲在工作物質的高能態上,經過一定延時,當其達到最大值時將Q開關打開,腔內將很快建立起極強的激光振蕩,使激光上能級的能量轉變為腔內的光能量,形成調Q巨脈沖激光輸出[4]。激光頭光路圖如圖4所示。

圖4 激光頭光路圖

YAG激光晶體產生的光波長為1 064 nm,為不可見光,為提高照相感光度,將1 064 nm的激光進行倍頻,將其倍頻為感光度較高的532 nm綠光。

2.2 姿態測試光路調節裝置

姿態測試光路調節裝置用于將CCD相機視場和激光發射視場通過一45°放置的半透半反平面鏡耦合一致,從而使激光對目標的投射陰影像和相機對目標的投影像合二為一。

姿態測試光路調節裝置如圖5所示。

圖5 姿態測試光路調節裝置

半透半反鏡兩個光學面在可見光范圍內一面鍍增透膜,另一面鍍半反半透分光膜(零件45°放置如圖5),半透半反鏡完成激光視場和CCD相機視場的合成。

發散鏡用于將導光光纖傳送的激光束發散輸出,激光經半透半反鏡反射照亮攝影視場。發散鏡采用3塊負透鏡組合將導光光纖送來的激光束發散,鏡筒內連接導光光纖。

發散鏡結構如圖6所示。

圖6 發散鏡結構

CCD相機選用6 600像素×4 400像素高分辨率,如圖7所示。其最小曝光時間遠遠低于同類產品,在減小槍炮口煙焰方面有無可比擬的優勢。

圖7 高分辨率CCD相機

主要特性參數為:

像素尺寸:5.5 μm×5.5 μm

像素數:2 900萬

曝光時間:最小6 μs

工作模式:自由運轉,外觸發(可選)。

2.3 同步控制器

同步控制器用來協調多脈沖激光光源和兩臺CCD相機同步工作,保證每個激光脈沖分別落在各CCD相機的短快門曝光之內。同步控制器工作時接收一路同步觸發信號,在同步觸發信號作用后分別產生多路不同延時的脈沖串信號,這些多路脈沖信號按照預定的時序分別控制多脈沖激光光源和CCD相機工作。同步控制器是整個系統的重要分系統之一,要求10 ns的同步精度。因此,在設計中利用FPGA技術進行開發,因為FPGA支持工作頻率高(可以達到百兆赫茲),適用于邏輯時序的控制,設計也靈活簡單[5]。

同步控制器主要由FPGA、單片機、信號調理電路、鍵盤和液晶顯示屏組成,如圖8所示。攝影前,手動通過鍵盤設定各種參數,并將參數顯示在液晶屏幕上,設定完成后,單片機將參數發送給FPGA,FPGA進入等待狀態,一旦FPGA接收到外部觸發信號,將產生控制激光器和CCD相機的各種預定脈沖信號,從而使整個攝影系統協調工作。

圖8 同步脈沖控制器組成框圖

3 試驗測試效果

多脈沖激光姿態測試系統在彈道姿態測試和戰斗部爆炸破片速度測試方面有較好的應用價值,并獲得多次試驗驗證。

圖9給出的是多脈沖激光姿態測試系統獲取某穿甲彈兩次曝光的試驗圖片,圖10給出的是多脈沖激光姿態測試系統獲取某穿甲彈3次曝光的試驗圖片。經圖像分析計算軟件進一步處理可得到彈丸俯仰角、偏航角及飛行速度。

圖9 某穿甲彈兩次曝光的試驗圖片

圖10 某穿甲彈三次曝光的試驗圖片

4 結束語

多脈沖激光姿態測試系統在武器系統威力瞬態測試方面有廣闊的應用前景,尤其在槍炮彈丸姿態測試方面有無比的優越性。因其空間分辨率高達2 900萬像素,所以拍攝圖像清晰可見,測試精度大大提高。本測試系統使用綠色激光作為照明光源,不受自然光的影響,可白天使用也可夜晚使用,可以排除強烈自發光的干擾,獲得清晰的高速彈丸影像。試驗證明,該測量系統有效可靠,能夠較好地滿足武器系統威力瞬態測試需求。

[1] 孫衛平, 張西京, 喬明軍, 等. 戰斗部爆炸瞬態測試系統研究 [C]∥第十三屆全國戰斗部與毀傷技術學術交流會論文集, 2013: 1300-1305.

[2] 孫衛平, 賈養育, 喬明軍, 等. 激光數字高速攝影測試系統研究 [C]∥第十五屆全國戰斗部與毀傷技術學術交流會論文集, 2015: 1332-1336.

[3] 王瑞, 孫衛平, 李紅兵. 基于面陣CCD的激光高速攝影技術在彈道測試中的應用 [J]. 彈箭與制導學報, 2009, 29(5): 271-272.

[4] 李相銀, 姚敏玉, 李卓, 等. 激光原理技術及應用 [M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學出版社, 2004: 254-262.

[5] 潘松, 黃繼業. EDA技術與VHDL [M]. 3版. 北京: 清華大學出版社, 2009: 156-161.

Research on the Attitude Measure System for Ammunition Based on Multiple-pulse Laser

HE Xuan,CHANG Lei,REN Meng,LI Lin,JIA Yangyu

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710043, China)

Ammunition flight attitude and warhead fragment power measurement are problems that need to be carefully considered in the process of weapon system trituration. The image measurement is very intuitive and credible. However, because of the influence of the flame, ordinary high speed photography is easy to achieve exposure saturation, that it cannot get the projectile’s image in the flame. And for high speed moving projectile, ordinary high speed camera will also cause blur and trailing of the projectile’s image. In this paper, it presents a multiple pulse laser test system, which can eliminate the interference of strong self-illumination, in order to get a clear image of high speed projectile. Through the test, this measurement system is effective and reliable, and it can better meet the demand of weapon system power transient test.

multiple-pulse laser; orthogonal photography; transient test; synchronization controller

賀翾(1986-),男,湖北當陽人,碩士研究生,研究方向:武器系統與運用工程。

TJ06

A

2015-12-23