用于CCD立靶的雙光幕觸發(fā)系統(tǒng)研究

董 濤,華燈鑫,李 言,倪晉平

(1. 西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2. 西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院, 陜西 西安710032)

引言

火炮發(fā)射時(shí)，彈丸命中目標(biāo)的精確程度為射擊精度，它是射擊密集度和射擊準(zhǔn)確度的總稱，是靶場測試當(dāng)中一個(gè)很重要的散布參數(shù)指標(biāo)。在相同的射擊條件下，彈丸的彈著點(diǎn)相對于平均彈著點(diǎn)的密集程度為射擊密集度；平均彈著點(diǎn)對預(yù)期命中點(diǎn)的靠近程度為射擊準(zhǔn)確度。射擊密集度和準(zhǔn)確度的計(jì)算實(shí)際上是一組彈丸著靶坐標(biāo)的統(tǒng)計(jì)表示。根據(jù)射擊密集度和準(zhǔn)確度的計(jì)算公式，只要測得彈著點(diǎn)相對于測量靶面瞄準(zhǔn)點(diǎn)的著靶坐標(biāo)，便可根據(jù)彈丸著靶坐標(biāo)進(jìn)一步計(jì)算得到一組彈丸的立靶密集度和射擊準(zhǔn)確度參數(shù)。目前常用的彈丸著靶坐標(biāo)測量方法有靶板法、聲學(xué)原理的方法[1]、多光幕交匯測量法[2-3]、半導(dǎo)體器件陣列測量法[4-6]、CCD交匯測量法[7-9]。相對于其他立靶測量方法，CCD立靶具有測量精度高、測量參數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，單線陣CCD立靶還可用于多目標(biāo)同時(shí)著靶情況下的坐標(biāo)測量[10-12]，特別是對于室內(nèi)彈丸著靶坐標(biāo)的測量，CCD立靶更是具有系統(tǒng)光源結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)被用于室內(nèi)彈丸著靶坐標(biāo)測量時(shí)，無論是雙線陣CCD立靶還是單線陣CCD立靶都需要配備觸發(fā)系統(tǒng)來啟動(dòng)圖像采集系統(tǒng)開始采集圖像?，F(xiàn)有的觸發(fā)系統(tǒng)一般采用單光幕方式進(jìn)行觸發(fā)，而單光幕觸發(fā)系統(tǒng)存在容易誤觸發(fā)與觸發(fā)時(shí)刻不穩(wěn)定等問題，針對該問題提出一種雙光幕觸發(fā)系統(tǒng)，論文從分析單光幕觸發(fā)系統(tǒng)原理及存在問題入手，論述了雙光幕觸發(fā)系統(tǒng)的測量原理與光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對系統(tǒng)彈丸速度測量誤差進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 傳統(tǒng)單光幕觸發(fā)系統(tǒng)原理及存在問題

單光幕觸發(fā)是指使用一個(gè)觸發(fā)光幕探測器和觸發(fā)控制系統(tǒng)組成的觸發(fā)裝置，觸發(fā)光幕一般由光電探測系統(tǒng)形成一個(gè)虛擬的探測光幕面，單光幕觸發(fā)系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。

觸發(fā)光幕設(shè)置在線陣CCD相機(jī)在空間形成的探測光幕面的前方，2個(gè)光幕距離為L1，當(dāng)彈丸穿越觸發(fā)光幕時(shí)，光幕探測器的信號處理電路將輸出一個(gè)脈沖信號，并將該信號傳輸至延時(shí)觸發(fā)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)之前輸入系統(tǒng)的預(yù)定彈丸飛行速度V和2個(gè)光幕的距離L1，以及系統(tǒng)預(yù)留的觸發(fā)安全距離L2計(jì)算出需要延時(shí)的時(shí)間T：

(1)

圖1 單光幕觸發(fā)系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of single screen trigger system

利用延時(shí)電路將光幕探測器輸出的脈沖信號延長一定時(shí)間T之后輸出至后續(xù)圖像采集系統(tǒng)，啟動(dòng)圖像采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)。

單光幕觸發(fā)方式從原理和功能上講能夠滿足系統(tǒng)要求，在已知彈丸飛行速度V的情況下，需要延遲的時(shí)間T根據(jù)公式(1)便可計(jì)算得到，但其只適用于被測彈丸速度跳動(dòng)不大的情況。當(dāng)彈丸速度跳動(dòng)較大，且預(yù)定彈丸速度V比實(shí)際彈丸飛行速度V′大很多時(shí)，根據(jù)公式(1)所計(jì)算得到的延時(shí)時(shí)間T比實(shí)際需要延遲的時(shí)間T′小，這將使得后續(xù)圖像采集系統(tǒng)提前較長時(shí)間進(jìn)入采集狀態(tài)，這就需要系統(tǒng)有更大的存儲(chǔ)空間，且增加后續(xù)圖像處理的工作量；當(dāng)彈丸速度跳動(dòng)較大，且預(yù)定彈丸速度V比實(shí)際彈丸飛行速度V′小很多時(shí)，根據(jù)公式(1)所計(jì)算得到的延時(shí)時(shí)間T比實(shí)際需要延遲的時(shí)間T′大，這將使得后續(xù)圖像采集系統(tǒng)有可能在彈丸已經(jīng)穿越CCD相機(jī)探測光幕之后才進(jìn)入采集狀態(tài)，這就會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生漏測的情況，最終降低整個(gè)系統(tǒng)的捕獲率，在有些重要的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，漏測會(huì)給項(xiàng)目造成較大的損失。而且在有些測試當(dāng)中需要知道彈丸在著靶時(shí)刻的速度值，而單光幕觸發(fā)裝置無法用于測量彈丸的飛行速度，這又是單光幕觸發(fā)方式的一個(gè)缺點(diǎn)。正因?yàn)橐陨蠁喂饽挥|發(fā)方式存在的問題，所以提出可用于測量彈丸飛行速度的雙光幕觸發(fā)系統(tǒng)。

2 雙光幕觸發(fā)系統(tǒng)

2.1 雙光幕觸發(fā)系統(tǒng)總體原理

雙光幕觸發(fā)系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示，與單光幕觸發(fā)系統(tǒng)不同的是觸發(fā)裝置由2個(gè)觸發(fā)光幕探測器和觸發(fā)控制系統(tǒng)組成，2個(gè)觸發(fā)光幕同樣設(shè)置在CCD探測光幕面的前方，2個(gè)觸發(fā)光幕的距離為S，觸發(fā)光幕Ⅱ與CCD探測光幕面的距離為L1，當(dāng)彈丸穿越2個(gè)觸發(fā)光幕，2個(gè)觸發(fā)光幕探測器的信號處理電路分別輸出一個(gè)對應(yīng)彈丸穿越光幕時(shí)刻的脈沖信號，采用測時(shí)裝置測量得到2個(gè)脈沖信號的時(shí)間間隔T，根據(jù)區(qū)截裝置測速原理可得到彈丸飛越2個(gè)觸發(fā)光幕之間的速度V′為

(2)

圖2 雙光幕觸發(fā)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of dual-screen trigger system

將第2個(gè)光幕探測器輸出的信號傳輸至延時(shí)觸發(fā)控制系統(tǒng)，延時(shí)觸發(fā)控制系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算得到的彈丸飛行速度V和第2個(gè)觸發(fā)光幕至CCD探測光幕的距離L1，以及系統(tǒng)預(yù)留的觸發(fā)安全距離L2計(jì)算出需要延時(shí)的時(shí)間 ：

(3)

再進(jìn)一步利用延時(shí)觸發(fā)電路將第2個(gè)光幕探測器輸出的脈沖信號延時(shí)一定時(shí)間T′之后輸出至后續(xù)圖像采集系統(tǒng)，啟動(dòng)圖像采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)。

與單光幕觸發(fā)系統(tǒng)不同的是，雙光幕觸發(fā)系統(tǒng)最終輸出的延時(shí)時(shí)間T′，是根據(jù)每次測量得到的實(shí)際的彈丸速度值計(jì)算而來的，而不是單光幕觸發(fā)系統(tǒng)計(jì)算延時(shí)時(shí)間所用的“預(yù)定彈丸飛行速度V”，所以最終計(jì)算得到的延時(shí)時(shí)間將更加精確，因而減少了較早觸發(fā)或較晚觸發(fā)而帶來的問題，保證后續(xù)的CCD圖像采集系統(tǒng)在采集盡可能少的圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，不會(huì)丟失彈丸圖像數(shù)據(jù)。

2.2 觸發(fā)光幕設(shè)計(jì)

1) 觸發(fā)光幕的總體設(shè)計(jì)

如圖3所示，觸發(fā)光幕采用鏡頭式光幕探測器配合“L”型光源的方案。鏡頭式光幕探測器采用光學(xué)鏡頭和狹縫在空間形成有一定厚度的扇形光幕，扇形光幕的扇形角度為90°?！癓”型光源由2段高亮度LED慢散射光源拼接而成。在室內(nèi)使用時(shí)，“L”形慢散射光源為鏡頭式光幕探測器提供背景照明，一旦有飛行物體進(jìn)入探測器的探測光幕，遮住了進(jìn)入狹縫的部分光線，則到達(dá)狹縫后面的光敏元件的光通量就發(fā)生了變化。因此，光敏元件所在的電路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正比于該光通量變化的信號。信號處理電路將此信號經(jīng)過放大、整形，最后輸出一個(gè)對應(yīng)彈丸穿越探測光幕時(shí)刻的脈沖信號，如果將放大后的彈丸信號直接輸出，則會(huì)得到彈丸模擬信號，如圖4所示。

圖3 探測光幕形成示意圖Fig.3 Schematic diagram of screen composition

圖4 彈丸模擬信號和脈沖信號Fig.4 Analog signals and pulse signals of projectile

2) 高亮度LED慢散射光源設(shè)計(jì)

相對于其他光源，由于LED具有發(fā)光效率高、使用壽命長、無輻射與低功耗等優(yōu)點(diǎn)，所以系統(tǒng)采用高亮度LED作為光源。光源的功能是為鏡頭式光幕探測器提供一個(gè)均勻、穩(wěn)定的背景光，由于大功率LED有封裝和散熱片的存在，所以在將LED排成一排的情況下，光源的發(fā)光點(diǎn)是離散的，當(dāng)彈丸從探測光幕不同區(qū)域穿越，光幕探測器輸出的彈丸模擬信號值會(huì)存在較大差異。當(dāng)彈丸穿越探測光幕位置對應(yīng)的背景較亮?xí)r，光幕探測器產(chǎn)生的彈丸模擬信號可能會(huì)飽和；當(dāng)彈丸穿越探測光幕位置對應(yīng)的背景較暗時(shí)，則光幕探測器產(chǎn)生的彈丸模擬信號可能會(huì)太小而被電路噪聲淹沒，靈敏度無法達(dá)到要求。為了解決這一問題，采用厚度為8 mm的毛玻璃，并將其固定于LED發(fā)光陣列的前面，每個(gè)LED的發(fā)光角度約為120°，LED發(fā)出的光線經(jīng)過毛玻璃后，LED光源變?yōu)榫鶆虬l(fā)散的慢散射光，光源組成及原理示意圖如圖7所示。

圖5 光源組成及原理示意圖Fig.5 Composition and principle of light source

3 彈丸速度測量誤差分析及測速對比實(shí)驗(yàn)

(4)

所以速度相對誤差為

(5)

由公式(5)可以看出速度誤差的大小取決于靶距S的大小和靶距測量誤差ΔS，靶距越大，靶距測量誤差越小，速度誤差越??；還取決于彈丸穿越2個(gè)觸發(fā)光幕面的時(shí)間T和時(shí)間測量誤差ΔT。在靶距相同的情況下，彈丸飛行速度越低，彈丸穿越2個(gè)觸發(fā)光幕面的時(shí)間T越大，速度誤差越小。時(shí)間測量誤差ΔT取決于觸發(fā)方式的優(yōu)劣和測時(shí)系統(tǒng)的精度。彈丸飛行速度是無法控制的，所以要想提高測速精度，就要減小時(shí)間測量誤差ΔT，增大靶距S，減小靶距測量誤差ΔS?，F(xiàn)有測時(shí)系統(tǒng)的測量精度一般可達(dá)2 μs，而對于室內(nèi)CCD立靶測量裝置，由于體積限制，2個(gè)觸發(fā)光幕的靶距S一般設(shè)置為0.5 m左右，靶距S再進(jìn)一步增大，便會(huì)使整個(gè)裝置龐大而笨重。

靶距測量一般采用鋼卷尺，國標(biāo)GB10633-89規(guī)定的Ⅰ級精度的鋼卷尺的誤差Δ=(0.1+0.1L)mm，其中，L是以m為單位的需要測量的長度值，當(dāng)長度不是m的整數(shù)倍時(shí)，取接近的較大的整數(shù)倍值。所以當(dāng)靶距S為0.5 m時(shí)，用Ⅰ級精度的鋼卷尺測量其最終誤差為ΔS=(0.1+0.1×1)=0.2 mm，但在實(shí)際測量當(dāng)中，由于一般鋼卷尺的最小刻度為1 mm，小于1 mm就需要人為估讀，而且受人手對鋼卷尺的拉伸的松緊程度不同等其他各種因素的影響，采用鋼卷尺的測量誤差在量程小于2 m時(shí)，一般為1 mm(即0.001 m)左右。采用高精度的激光測距儀測量2個(gè)光幕探測器的靶距，其誤差同樣為1 mm，以彈丸速度為1 000 m/s、測時(shí)儀測時(shí)精度為2 μs(2×10-6s)為例，計(jì)算最終彈丸速度相對測量誤差最大值為

(6)

為驗(yàn)證雙光幕觸發(fā)系統(tǒng)的速度測量精度，采用設(shè)計(jì)的雙光幕觸發(fā)系統(tǒng)與XGK-2002型光幕靶進(jìn)行彈丸速度對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)彈種為氣槍彈，共射擊10發(fā)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，從表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出2種測速系統(tǒng)速度差值均不大于0.4%，小于理論分析的最大誤差0.6%。

表1 2種測速系統(tǒng)氣槍彈對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Gas bullets contrast experiment data for two >kinds of speed measuring system

4 結(jié)論

本文提出了基于鏡頭式光幕探測裝置的雙光幕觸發(fā)系統(tǒng)，通過精確測量的靶距和時(shí)間計(jì)算得到彈丸飛行速度，根據(jù)速度值和觸發(fā)裝置到CCD相機(jī)探測光幕的距離計(jì)算得到需要延時(shí)觸發(fā)的時(shí)間，并通過延時(shí)觸發(fā)控制系統(tǒng)將光幕探測器輸出的脈沖信號延時(shí)后輸出，最終實(shí)現(xiàn)為后續(xù)圖像采集系統(tǒng)提供準(zhǔn)確、可靠的觸發(fā)信號的目的。雙光幕觸發(fā)系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的單光幕觸發(fā)系統(tǒng)，既可避免圖像采集系統(tǒng)過早啟動(dòng)采集而導(dǎo)致無用圖像信息過多，增加后續(xù)數(shù)據(jù)處理量，又可避免圖像采集系統(tǒng)過晚啟動(dòng)采集而導(dǎo)致有用的彈丸圖像數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)增加了整個(gè)測量系統(tǒng)的測量參數(shù)，使得CCD立靶測系統(tǒng)在測量彈丸著靶坐標(biāo)的同時(shí)，也得到了每一發(fā)彈丸的速度。

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