光電陣列動態掃描式彈丸坐標及速度測量方法

趙 磊,劉 吉,武錦輝,仝修亮,于麗霞

(中北大學信息與通信工程學院,山西 太原 030051)

0 引言

在武器的生產研制中,武器的射擊精確度和速度是衡量武器系統性能的重要參數,目前的測試裝置通常只涉及武器的坐標測量或只涉及武器的速度測量。目前有多種彈丸著靶坐標測量的方法[1],如傳統的天幕靶[2-3]、聲靶[4-6]、組合光幕靶以及CCD立靶[7-10]。組合光幕靶在坐標測量上測量精度受限于激光器尺寸[6]、光路復雜不易搭建[12-13]、光幕不均勻[14]、不易拼接[15]、計算復雜[16-17],且通常武器測試中環境惡劣,干擾大。為解決這些問題,本文提出一種光電陣列動態掃描式彈丸坐標及速度測量方法,測試系統采用紅外發光管作為光束的發送器件,光電二級管作為光束的探測器。

1 模型及測量原理

系統主要由鋁合金靶架、交錯式矩形探測陣列以及相應的信號處理電路組成,如圖1所示。紅外發光陣列和光電探測陣列分別由多個紅外發光管和多個光電二極管組成,探測光幕由多組發光陣列和探測陣列構成且發光陣列與探測陣列之間交錯排列。靶面上的紅外發光管與光電二極管一一對應,發光管的發光波段為940 nm,為提高系統的精度和防止其他波段的雜散光線對系統造成干擾,采用由兩排元器件交叉等距排列的陣列且在陣列前設置與其波段相對應的濾光片,采用較小發散角的紅外發光管,避免探測陣列在系統發光陣列同時工作時受到其他發光陣列的影響。

圖1 系統總體組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall system composition

1.1 坐標測量原理

以靶面的水平方向作為x軸,以靶面的豎直方向作為y軸,如圖2所示。彈丸穿過靶面時,會遮住探測陣列上的光電二極管,產生相應的坐標信息。在發光陣列中,紅外發光管以一定周期依次點亮且同一時刻只能有一個紅外發光管點亮;在探測陣列中,光電二極管以相同周期被依次選通且同一時刻只能有一個光電二極管被選通,紅外發光管和對應光電二級管在相同的時間分別被點亮和選通形成一條光路。圖2中的箭頭為陣列中發光管的點亮方向和光電二極管的選通即光電陣列坐標靶的掃描方向。系統采取紅外發光管與光電二極管一一對應的方式保證了光幕的均勻性,便于后續的信號處理且提高了系統的穩定性。

圖2 彈丸過靶示意圖Fig.2 Diagram of projectile passing target

1.2 速度測量原理

系統基于光電陣列動態掃描式測量法,每個紅外發光管發送周期性信號,彈丸在通過靶面時因受彈丸體積的影響會遮擋相應的光電二級管且遮擋的時間與其掃描的周期數有關,通過彈丸長度和過靶時間求出彈丸的過靶速度,構成單靶測速系統。

2 坐標和速度計算及其誤差分析

2.1 坐標計算

在靶面中,當某一點位無彈丸通過時,選通光電二極管時會接收到其對應的紅外發光管的光信號并輸出相應的信號;當某一點位有彈丸通過時,選通光電二級管時因為被彈丸遮擋而不能接收其對應的紅外發光管的光信號,所以沒有相應的信號輸出,系統采取這種方式對彈著點坐標進行識別,示意圖如圖3所示。

圖3 過靶信號坐標測量示意圖Fig.3 Diagram of coordinate measurement of over target signal

在彈丸過靶中,當彈丸較小時,只遮擋了一個光電二級管,假設該接收管在橫軸上的位置為A,在縱軸上為B,假設相鄰兩個光電二級管的中心距離為D,則彈丸的坐標位置為

當彈丸較大時,遮擋了多個光電二極管,采用對光電二極管求平均的方法求取彈丸的坐標:

2.2 速度計算

基于光電陣列動態掃描的方法,彈丸在通過探測靶面時遮擋相應光電二極管使得發射管發射的脈沖式信號不能被接收,被遮擋住的脈沖數可轉換為彈丸過靶時間t,已知彈丸長度l可求出彈丸速度v,示意圖如圖4所示。

v=l/t。

(5)

圖4 過靶信號速度測量示意圖Fig.4 Schematic diagram of velocity measurement of over target signal

2.3 誤差分析

2.3.1坐標誤差分析

系統的坐標誤差ε(d)主要由光電探測陣列的分辨率引起,不同直徑的彈丸在不同位置時會得到不一樣的坐標誤差ε(d)。由圖5可知,彈丸穿過靶面時,遮住的光電二極管的長度等于彈丸自身的直徑,在不考慮其他因素的條件下,對彈丸過靶時遮住光電二極管的情況進行分析,進而得到最大誤差。

假設光電二極管被彈丸遮擋50%時才能輸出有效信號,假定光電二極管的間距為d,尺寸為2r,彈丸的直徑為6 mm。當彈丸過靶時可以遮住的光電二極管的數量為m/d或m/d+1這兩種情況。

若彈丸直徑可以整除光電二極管的間距且剛好遮擋情況為m/d時,則檢測到的最大誤差為

ε(d)=d/2。

(6)

圖5 彈丸過靶誤差示意圖Fig.5 Schematic diagram of projectile passing target error

若彈丸直徑不能被光電二極管的間距整除時,則其被整除后的小數部分k將會對系統的誤差做出貢獻,則此時檢測到的最大誤差為

ε(d)=(d×k)/2,

(7)

可知彈丸的坐標誤差范圍為[0,d/2)。

2.3.2速度誤差分析

系統的速度誤差主要由過靶時間測量誤差ε(t)引起,假設系統的系統時鐘頻率為fsys_clk,每個探測陣列由n個光電二極管組成,則單靶掃描頻率為fscan=fsys_clk)/n,則其最大時間測量誤差為

ε(t)=1/fscan,

(8)

對系統進行建模并獲得其最大誤差關系式,系統坐標測量的準確度與發光二極管之間的間距d有關,在彈丸的直徑不小于d/2的情況下,間距d越小則彈丸測量坐標得到的結果越準確。系統速度測量的準確度與系統單靶的掃描頻率有關,在滿足系統的低延時特性后采用200 kHz的單靶掃描頻率可以滿足具有多種發射速度彈丸的速度測量。

3 實驗與結果分析

3.1 模擬彈丸坐標檢測實驗

為驗證系統的坐標測量功能以及測量精度,采用探測區域為50 cm×50 cm,探測器件的間距為2.5 cm,直徑為6 mm的圓柱形磁鐵棒作為模擬彈丸,將模擬彈丸穿過測量幕面吸附在與系統有效測量靶面相對應的鋼板平面范圍內的任意位置,并使得磁鐵棒與測量幕面垂直,在靶面后放置一張可做測量結果參考的紙靶,如圖6所示。將其放置在有效靶面的不同位置,系統可檢測到靶面內的彈丸過靶信號,將系統所測得的彈丸坐標與相應的紙靶坐標記錄在表1中。

圖6 模擬彈丸著靶裝置Fig.6 Simulation of projectile hitting target device

表1 模擬彈丸著靶實驗測量數據Tab.1 Simulate the measurement data of projectile hitting target experiment

從表1中可以看出,彈丸在x軸方向的最大測量誤差為1.1 mm,在y軸方向的最大測量誤差為1 mm。

3.2 模擬彈丸速度檢測實驗

為驗證系統的速度測量功能及其測量精度,使用掃描頻率為200 kHz的單點探測,通過氣動導軌推動長度為2 cm的金屬頭模擬彈丸發射,在軌道的末端安裝光纖探頭并利用光子多普勒效應測出金屬滑塊的滑動速度作為實驗結果參考,實驗裝置如圖7所示,實驗結果如表2所示。

圖7 模擬彈丸運動裝置Fig.7 Simulated projectile motion device

表2 模擬彈丸速度實驗測量數據Tab.2 Simulate experimental measurements of projectile velocity

從表2中可以看出彈丸的最大速度誤差為0.13 m/s。

4 結論

本文提出基于光電陣列動態掃描的彈丸著靶坐標及速度的測量方法。采用多個紅外發光管等間距分布組成的陣列作為發光陣列且多個光電二極管等間距分布組成的陣列作為探測陣列,發光陣列與探測陣列交錯排布無縫拼接構成光電陣列坐標靶。系統采取由紅外發光管與光電二極管一一對應且依次掃描的方式構成矩形光幕,避免了發光管因發散角過大對不同的探測器產生的串擾問題,保證了光幕均勻性的同時提高了系統的穩定性和分辨率,且實際證明矩形靶面更加有利于系統的拼接。根據實驗得出x軸方向的坐標最大誤差為1.1 mm,y軸方向的最大誤差為1 mm,速度實驗測得的最大誤差為0.13 m/s,證明本文所提的基于光電陣列動態掃描式的彈丸著靶坐標及速度的測量方法可行。