基于光敏管陣列交匯的空間炸點位置測試系統設計*

武威興, 趙冬娥, 張 斌, 褚文博, 孟凡軍

(1.中北大學 信息與通信工程學院,山西 太原 030000; 2.中國兵器工業集團第五十五研究所，吉林 長春 130000)

0 引 言

因此，確定彈體在空間爆炸的三維坐標是靶場測試和彈藥性能測試的重要內容[1，2]。目前傳統的炸點位置空間三維坐標的測量方法有聲學測量法[3]、雙電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)交匯測量法[4～7]、光電測量法[8～11]等。但針對在密閉環境測量炸點位置空間三維坐標，傳統的聲學測量法其聲探測器檢測到的信號為目標爆炸聲波經墻壁吸收、反射的疊加，必然會對測量結果產生影響，直接導致對炸點的定位不都準確[12];雙CCD交匯測量法需要兩臺面陣CCD高速相機，響應速度在微秒(μs)級別，并且價格昂貴，在密閉空間內易被爆炸的破片損壞[13]。

本文采用光敏管陣列，光敏管響應速度在50～100 ns之間，當彈體在艙室內爆炸，產生的火光第一時間經光學鏡頭傳送至光敏管陣列上，其陣列的部分傳感器對爆炸的火光信號產生響應，經由信號調理電路將其放大并整形，由光信號轉變成電信號經由現場采集存儲裝置采集并傳輸至上位機，根據兩個光敏管陣列中響應的光敏管的坐標，經過數學建模后，可計算出炸點在空間內的三維坐標。

1 系統組成

系統包括炸點位置光敏管陣列探測模塊、信號調理電路、現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)采集與發送模塊、數據處理四部分組成。系統組成如圖1所示。炸點位置利用兩個光敏管陣列模塊交匯構成三維空間定位測量。其中，光敏管陣列探測模塊包含廣角鏡頭與光電二極管陣列構成；信號調理電路包含電壓放大電路、閾值判斷電路、FPGA程序設計模塊包含信號采集與串口通信。

圖1 系統組成

2 炸點位置測量原理

利用兩臺光敏管陣列模塊來測量炸點的三維空間位置。當彈體在空間內爆炸時，產生的火光信號經由鏡頭匯聚至光敏管陣列上，其陣列的部分傳感器對爆炸的火光信號產生響應，經由信號調理電路將其放大并整形，由光信號轉變成電信號經由FPGA采集并傳輸至上位機。根據兩臺光電傳感器陣列中響應的光電傳感器的坐標，可以得到炸點在空間內的三維坐標.其數學模型如圖2所示。兩個光敏管陣列探測模塊對稱分布，分別為S1，S2站。S為兩站之間的中心距離,又稱基線距離。

圖2 炸點位置測量原理

坐標系Oc-XcYcZc為定坐標系；Z1O1Y1,Z2O2Y2分別為S1,S2兩站光敏管陣列上的動坐標系；P為空間炸點位置；m為兩探測點光軸的交點，P1,P2為P點在兩系統傳感器陣列中傳感器的響應位置；αmi,(i=1,2)分別為兩探測點光軸的方位角；βmi，(i=1,2)分別為兩探測點光軸的高低角。則P點的空間坐標為

(1)

式中α1，α2分別為炸點對探測點S1，S2的方位角；β1，β2分別為炸點對探測點S1，S2的高低角。由式(1)可知，測得基線長度S后，根據α1，α2，β1，β2即可求出炸點坐標。因此，求解坐標的關鍵是坐標系之間的角度對應關系。如圖3所示為系統光敏管陣列的坐標系與實際炸點的坐標系之間的關系。

圖3 測量角度原理

其中，z1，y1為炸點在光敏管陣列上的坐標，由圖3所示的幾何關系可得式(2)[14]

(2)

式中i=1，2,將得出的α1，α2，β1，β2代入式(1)，即可求得炸點坐標。

3 光敏管陣列設計

焦距越短視場角越大，為保證兩光敏管陣列交匯覆蓋密閉空間，因此要選擇焦距較小廣角鏡頭。如圖4所示，d為最大視角；H為光敏管陣列尺寸；l為探測器距離平面ABC的垂直距離。

圖4 光敏管陣列尺寸計算

為了節省光敏管電路路數，圖5中黑色位置的光敏管采用縱向編組方式，白色位置的光敏管采用橫向編組方式。縱向編組方式是指{(aib1，aib3，aib5，…,aibj)，共構成(2j-1)路并聯光敏管組；橫向編組方式是指b2，b4,b6,…，b2n行，每行白色位置光敏管并聯連接，例如(a1b2,a2b2,a3b2,…,akb2)位置處的光敏管并聯連接，形成一個并聯光敏管組，共構成k路并聯光敏管組。假設圖5中b18橫向并聯光敏組產生信號，a2黑色縱向編組并聯光敏組產生信號，那么圖5中所標記的便是光敏管陣列中的一處坐標點。

圖5 光敏管陣列設計

4 FPGA程序設計

系統選用FPGA作為邏輯控制核心，FPGA采樣頻率設置為200 MHz，如圖6所示，光敏管觸發產生的信號經過信號調理電路傳輸到FPGA的IO口， IO口有觸發時，采集此時所有IO接口對應的數值，由RS—485接口接收上位機指令。經對接收到的指令信息進行解析，FPGA接收到數據后，將其存儲至FLASH中。當FPGA接收到指令時，讀取FLASH中的數據，同時通過RS—485接口上傳至上位機進行顯示及處理[15]。

圖6 FPGA設計框圖

5 實驗結果與分析

如圖7所示，將兩個光敏管陣列分別放在基線的兩端，將FPGA與電腦端相連，使用頻閃燈模擬彈體的爆炸火光，當頻閃燈閃爍一次時，光敏管接收到光信號，通過信號調理電路處理，被FPGA采集，數據發送至上位機。

圖7 實驗驗證裝置

上位機接收數據為：

001100000000001100,000001100001100000。

前18位左邊光敏管陣列接收數據，從低位至高位分別為橫向光敏管(b18,b16,…，b4,b2)，縱向光敏管組{(aib1，aib3，aib5，…，aib17)}對應輸出,后18位為右邊光敏管陣列接收數據，其數據對應同左邊光敏管陣列一致。將數據對應至光敏管陣列，由圖8可得左邊光敏管陣列坐標為(5，5)mm，右邊光敏管陣列坐標為(-5，-5)mm,已知αm1=αm2=βm1=βm2=45°，基線長度S=3 m,焦距f=20 mm代入式(1)、式(2)求得炸點坐標為(1.43,2.26,0.52)m。炸點位置如圖9所示。

圖8 左、右光敏管陣列響應

圖9 模擬炸點位置

6 結 論

本文系統用光敏管陣列采集數據并經過交匯測量原理解決空間炸點位置坐標測量，系統光敏管陣列設計節省了電路數據接收路數，數據處理速度更快，延時更低。相較于傳統聲學測量方法具有抗干擾能力強的特點，相較于雙CCD交匯測量方法具有響應時間快，價格便宜等特點。