B571光學(xué)靶射擊密集度參數(shù)測量系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)*

馬時(shí)亮，曾祥偉，王　凡，倪晉平，李　海

(1.西安工業(yè)大學(xué) 陜西省光電測試與儀器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021；2.黑龍江北方工具有限公司，牡丹江 157000)

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B571光學(xué)靶射擊密集度參數(shù)測量系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)*

馬時(shí)亮1，曾祥偉2，王凡1，倪晉平1，李海1

(1.西安工業(yè)大學(xué) 陜西省光電測試與儀器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021；2.黑龍江北方工具有限公司，牡丹江 157000)

針對進(jìn)口設(shè)備B571光學(xué)靶測試系統(tǒng)后端信號采集與處理部分故障后無法工作的問題，設(shè)計(jì)了一種采用數(shù)據(jù)采集裝置的技術(shù)升級方案.方案包括硬件、軟件和結(jié)構(gòu)參數(shù)識別算法，硬件包括四通道數(shù)據(jù)采集裝置和信號隔離儀，通過軟件實(shí)現(xiàn)彈丸過幕信號的數(shù)據(jù)采集與處理，采用識別算法獲取光學(xué)靶光幕探測傳感器陣列結(jié)構(gòu)參數(shù).改造后的硬件和軟件配合B571光學(xué)靶光幕探測傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)小口徑彈丸射擊密集度參數(shù)測量.實(shí)彈射擊對比結(jié)果表明：射擊密集度參數(shù)的測試誤差小于1 mm，滿足實(shí)際靶場試驗(yàn)要求.文中研究的方法可以用于一類四光幕陣列光學(xué)靶的技術(shù)改造或升級.

射擊密集度;B571光學(xué)靶;數(shù)據(jù)采集;參數(shù)識別

在常規(guī)輕武器研制和生產(chǎn)的外彈道參數(shù)測量領(lǐng)域，經(jīng)常需要檢測槍械和彈丸的射擊密集度參數(shù).針對該參數(shù)的測量，國內(nèi)通常采用紙板靶[1]、聲學(xué)立靶[2]、CCD立靶[3-5]和光幕陣列立靶[6-9]等方法.紙板靶法直觀，測量簡單，但勞動強(qiáng)度大，人工作圖計(jì)算容易引入人工測量誤差；密集度參數(shù)自動測試系統(tǒng)[2-9]，設(shè)備精密，測量精度高，能快速獲取測量結(jié)果.2000年以前，國內(nèi)還沒有出現(xiàn)自行研制的密集度參數(shù)自動測試系統(tǒng)，主要依賴進(jìn)口.當(dāng)時(shí)，國內(nèi)靶場使用較多的是奧地利AVL公司的B571光學(xué)靶.B571光學(xué)靶是一種測量飛行彈丸著靶坐標(biāo)的光電測試儀器，用于測量輕武器的射擊密集度參數(shù)，亦稱精度靶.

近年來，國內(nèi)許多研究人員對密集度參數(shù)測試技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究.文獻(xiàn)[1]研究了四光幕交匯立靶坐標(biāo)測量原理，使用測時(shí)儀記錄彈丸穿過四個(gè)光幕的時(shí)刻，推導(dǎo)了校準(zhǔn)公式；文獻(xiàn)[2]研究了平面雙等邊三角形聲傳感器陣列測量原理，通過解三角形求得彈著點(diǎn)的坐標(biāo)測量公式，但測量誤差較大；文獻(xiàn)[3]利用兩臺CCD相機(jī)構(gòu)建了密集度參數(shù)測量模型，提出了一種新的數(shù)學(xué)模型，研究了圖像分析算法，測量精度高，可以連發(fā)測試；文獻(xiàn)[4]提出了一種單線陣CCD相機(jī)配合兩個(gè)一字線激光器組成的雙目標(biāo)同時(shí)著靶測量方案，研究了測量原理及測量公式，分析了測量精度，能實(shí)現(xiàn)兩發(fā)彈丸同時(shí)著靶的參數(shù)測量；文獻(xiàn)[5]采用光電二極管和線陣CCD圖像傳感器構(gòu)建了一體化四組合光幕陣列，推導(dǎo)了測量公式；文獻(xiàn)[6]研究了射擊密集度光電立靶測試系統(tǒng)的測量原理和計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)了密集度參數(shù)的自動測量，但射擊時(shí)必須垂直入射.

某單位于2002年引進(jìn)B571光學(xué)靶后，一直作為射擊密集度參數(shù)測試的骨干設(shè)備.經(jīng)過十多年使用，該設(shè)備由于器件老化、后端信號處理部分故障，已無法正常工作.經(jīng)檢查操作計(jì)算機(jī)與前端傳感器通訊線路故障，導(dǎo)致測試系統(tǒng)無法工作，但前端四光幕傳感器部分工作正常，彈丸穿過后能正常輸出模擬信號.由于缺乏技術(shù)資料，且返廠維修成本高.針對以上問題，本文提出了一種對后端數(shù)據(jù)采集與處理部分進(jìn)行改造升級的方案，利用高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)了一種信號采集與處理系統(tǒng)，研究了精度靶結(jié)構(gòu)參數(shù)識別算法，配合B571光學(xué)靶的前端部分，實(shí)現(xiàn)了B571光學(xué)靶的功能恢復(fù).

1　B571光學(xué)靶工作原理及技術(shù)升級方案

1.1B571光學(xué)靶工作原理

B571光學(xué)靶測試系統(tǒng)包括四光幕探測傳感器和信號采集與處理兩部分，四光幕探測傳感器構(gòu)成測試系統(tǒng)的前端部分，如圖1所示.信號采集與處理部分構(gòu)成測試系統(tǒng)的后端部分，如圖2所示，包括B571-TR時(shí)間記錄儀、計(jì)算機(jī)和處理軟件.光幕探測傳感器由發(fā)光二極管陣列和光電二極管陣列組成[8]，實(shí)現(xiàn)對穿過其探測區(qū)域飛行彈丸的探測.圖1中，四個(gè)光幕傳感器按一定陣型組成陣列，其中平面AOBC組成啟動光幕，平面AOFG組成X光幕，平面DOBG組成Y光幕，平面DEFG組成停止光幕.O1O2是預(yù)定彈道，啟動光幕和停止光幕相互平行，并與預(yù)定彈道垂直，啟動光幕和停止光幕間的距離為S.X光幕與啟動光幕的夾角∠GAC=α，Y光幕與停止光幕的夾角∠BGF=β.當(dāng)飛行彈丸沿 O1O2方向垂直穿過啟動光幕和停止光幕，同時(shí)也穿過X光幕和Y光幕，其虛擬的彈孔位置依次為T1,T2,T3和T4.

時(shí)間記錄儀記錄彈丸穿過四個(gè)光幕的時(shí)刻t1,t2,t3和t4，上述數(shù)值經(jīng)過RS485通訊線纜送入后端的處理計(jì)算機(jī).

圖1　B571光學(xué)靶探測傳感器組成

圖2　B571光學(xué)靶信號采集與處理組成示意圖

假設(shè)t1=0，則理想的四光幕精度靶坐標(biāo)測量模型的數(shù)學(xué)公式[10]表達(dá)式為

(1)

(2)

式中：S為啟動光幕和停止光幕之間的距離；α為啟動光幕與X光幕之間的夾角；β為停止光幕與Y光幕之間的夾角.處理軟件根據(jù)一組測量得到的彈丸著靶坐標(biāo)，計(jì)算得到密集度參數(shù)，并同時(shí)對結(jié)果保存、顯示.

從式(1)～(2)可以看出，彈丸著靶坐標(biāo)與精度靶結(jié)構(gòu)參數(shù)S,α和β以及彈丸過幕時(shí)刻t2,t3和t4有關(guān).反之，若已知彈丸的著靶坐標(biāo)x，y,t2,t3,t4和S，則精度靶的結(jié)構(gòu)參數(shù)α和β即可精確求出.

1.2故障分析與升級方案設(shè)計(jì)

檢查B571光學(xué)靶，上電后實(shí)彈射擊，用示波器采集四個(gè)光幕輸出的信號，發(fā)現(xiàn)模擬信號(AC)和數(shù)字信號(PULSE)均正常，而與之配套的數(shù)據(jù)采集與處理部分不工作；操作軟件運(yùn)行正常.檢查電路發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)與時(shí)間測量儀通訊故障，數(shù)據(jù)無法傳輸.由于廠家未提供詳盡技術(shù)資料，無法修復(fù).針對上述情況，采用B571光學(xué)靶前端傳感器陣列部分，更換后端的信號采集與處理部分，直接采集光幕陣列輸出的模擬信號或者數(shù)字信號.改造后的后端數(shù)據(jù)采集與處理部分包括硬件和軟件，硬件由信號轉(zhuǎn)接盒、信號隔離儀、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成[10]，系統(tǒng)組成如圖3所示.信號轉(zhuǎn)接盒接收B571光學(xué)靶輸出的四路信號，并將整合處理后的信號通過多芯屏蔽線纜送入信號隔離儀[11]；信號隔離儀將光幕傳感器輸出的電信號與后端處理部分隔離，并經(jīng)電平適配后送給數(shù)據(jù)采集卡.采集卡為凌華公司的PCI 9812四通道高速數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡具有單通道最高20 MHz的采樣率和12位分辨率，每個(gè)通道具有獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器，四個(gè)通道同步采集，設(shè)計(jì)采樣率為1 MHz.

圖3　改造后的B571光學(xué)靶測試系統(tǒng)組成示意圖

軟件使用Visual Basic 2005語言編程設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、測量參數(shù)計(jì)算和數(shù)據(jù)管理等模塊，實(shí)現(xiàn)過靶信號的數(shù)據(jù)采集、彈形信號識別、過幕時(shí)刻計(jì)算以及彈丸信號波形顯示，并根據(jù)B571光學(xué)靶的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算彈丸著靶坐標(biāo)與飛行速度.

由于B571光學(xué)靶的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)未知，還需要研究結(jié)構(gòu)參數(shù)識別算法，根據(jù)實(shí)彈射擊數(shù)據(jù)解算結(jié)構(gòu)參數(shù)，方可構(gòu)成完整的測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)密集度參數(shù)的測量.

升級后的硬件直接采集光幕信號，提取的彈丸穿過各光幕的時(shí)間比原先的時(shí)間記錄儀精度高，存貯的記錄波形可以復(fù)現(xiàn)，能夠分析異常彈丸.計(jì)算機(jī)采用最新操作系統(tǒng)和硬件配置，并可根據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)要求針對性地編制試驗(yàn)流程與報(bào)表軟件.

2　數(shù)據(jù)采集與處理軟件設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集卡按照一定的采樣頻率采集傳感器輸出的彈丸模擬信號，根據(jù)彈丸速度和啟動光幕與停止光幕間的距離，可以確定采集卡的最小采樣點(diǎn)數(shù).由采樣定理可知，采樣頻率必須大于模擬信號中最高頻率的2倍，采集的數(shù)字信號才完整保留了原始模擬信號的信息.從理論上講，系統(tǒng)測量精度隨著采集頻率的增加而提高，但當(dāng)采樣頻率達(dá)到某一臨界值后，再提高采樣頻率，系統(tǒng)測量精度提高不明顯.在工程實(shí)際應(yīng)用中，針對常規(guī)制式彈，采樣頻率一般設(shè)置為1 MHz；對彈速較低、長度較長的彈丸，還可以設(shè)置更低的采樣頻率，以減少后續(xù)的數(shù)據(jù)處理量.此外，還需要設(shè)置采集卡的觸發(fā)通道和觸發(fā)電平，當(dāng)指定的觸發(fā)通道達(dá)到預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)電平時(shí)，采集卡開始工作.

假設(shè)某型號槍彈速度為300 m·s-1，啟動光幕和停止光幕間的距離為0.72 m.根據(jù)測量公式ΔT=s/v，并結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，采集卡參數(shù)設(shè)置如下：采樣率為1 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)為45 000個(gè)，觸發(fā)通道選擇啟動光幕對應(yīng)的采集卡的第一個(gè)通道，觸發(fā)電平為1.5 V.

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)前，首先設(shè)置采集卡工作參數(shù).參數(shù)正確配置后，啟動采集卡采集數(shù)據(jù)，并同時(shí)等待啟動光幕的觸發(fā)信號.當(dāng)啟動光幕傳感器輸出的彈丸信號幅值達(dá)到采集卡觸發(fā)電平V0時(shí)，采集卡記錄負(fù)延時(shí)采樣點(diǎn)數(shù)M，并繼續(xù)采集數(shù)據(jù).當(dāng)采集到預(yù)先設(shè)定的采樣點(diǎn)數(shù)(M+N)后(N為觸發(fā)信號到達(dá)后的采樣點(diǎn)數(shù))，采集卡將采集數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集結(jié)束.

2.2彈形信號識別與過幕時(shí)刻計(jì)算

2.2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理與彈形信號識別

數(shù)據(jù)處理模塊接收到數(shù)據(jù)采集卡傳入的彈丸波形數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行平均滑動濾波預(yù)處理，濾除由激波和沖擊波帶來的干擾信號.然后，軟件結(jié)合彈形信號特征，設(shè)置彈丸信號識別電平閾值V′以及彈丸過幕的最短時(shí)間寬度TL和最長時(shí)間寬度TH，判斷信號幅值是否大于閾值V′，滿足條件后再判斷該信號的過幕時(shí)間是否在(TL,TH)范圍內(nèi)，同時(shí)滿足這兩個(gè)條件的信號即被識別為彈形信號.最后，再依次判斷該通道其他信號是否為彈形信號.判斷完畢，信號識別結(jié)束.

2.2.2過幕時(shí)刻計(jì)算

由于電路特性和彈丸飛行姿態(tài)的影響，彈丸穿過光幕傳感器產(chǎn)生的彈形信號不完全一致，通過彈尖觸發(fā)、彈底觸發(fā)或峰值觸發(fā)的方式計(jì)算得到的過幕時(shí)刻存在誤差.在數(shù)據(jù)處理模塊，通過對彈丸過幕時(shí)刻的計(jì)算引入相關(guān)分析算法[12]，降低了由于信號不一致帶來的時(shí)間測量誤差，提高了時(shí)間測量精度.

四個(gè)通道的彈形信號被全部準(zhǔn)確識別后，以第一通道的彈形信號作為基準(zhǔn)，即令彈丸穿過啟動光幕的時(shí)刻t1=0，通過相關(guān)分析算法精確計(jì)算彈丸穿過其他三個(gè)光幕的時(shí)刻值；再結(jié)合光幕陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過式(1)～(2)即可計(jì)算彈丸著靶坐標(biāo).

3　結(jié)構(gòu)參數(shù)識別算法

B571光學(xué)靶的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括兩類：① 啟動光幕和停止光幕間的距離S；② 光幕間的夾角α和β.S通過鋼板尺直接測量得到，光幕夾角α和β則需要間接測量實(shí)彈射擊結(jié)果，通過反推求解得到.

直接測量紙靶彈孔坐標(biāo)，得到射擊彈丸的實(shí)際彈孔坐標(biāo)記為(xz(i),yz(i))；通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的彈丸過幕時(shí)刻值為T1,T2和T3，其中T1為彈丸穿過啟動光幕的時(shí)刻，T2為彈丸穿過X光幕的時(shí)刻，T3為彈丸穿過Y光幕的時(shí)刻，T4為彈丸穿過停止光幕的時(shí)刻.設(shè)彈丸穿過測量坐標(biāo)系的坐標(biāo)位置[9]記為(xc(i),yc(i))，則有

(3)

(4)式中：t2(i)=T2(i)-T1(i)；t3(i)=T3(i)-T1(i)；t4(i)=T4(i)-T1(i)；i為射擊彈丸的序號.

紙靶坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系不一定嚴(yán)格平行，且可能存在一定的旋轉(zhuǎn)角度，但兩發(fā)彈著點(diǎn)間的距離不變，所以可采用兩點(diǎn)間的距離識別測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù).當(dāng)彈丸垂直入射時(shí)，任意兩發(fā)彈的著靶位置之間的距離在不同的坐標(biāo)系中相等，即

(5)

其中i和j為彈丸的射擊序號.

從一組射擊彈丸中任意選擇兩發(fā)彈丸的紙靶坐標(biāo)代入式(5)，可得如下方程：

(6)

4　實(shí)彈試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)1：在某試驗(yàn)靶場靶道，沿彈道線方向布放一套B571光學(xué)靶，并準(zhǔn)備連接好數(shù)據(jù)采集裝置.在B571光學(xué)靶的后面50mm處豎立一塊與之平行的紙板靶，紙板靶上貼有坐標(biāo)紙.射擊時(shí)保證彈丸垂直入射光學(xué)靶的啟動光幕和紙板靶.用鋼板尺手工測量光學(xué)靶的啟動光幕和停止光幕間的距離S=0.72×103mm.

射擊前，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，專用軟件記錄各發(fā)射擊彈丸的過幕時(shí)刻.試驗(yàn)以10發(fā)彈丸作為一組，紙靶坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系均以第一發(fā)彈著點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn).假設(shè)：第1發(fā)彈丸的坐標(biāo)為原點(diǎn)，水平向右為X軸正向，豎直向上為Y軸正向.根據(jù)坐標(biāo)紙上射擊彈丸的彈孔位置，依次測量其余彈丸相對原點(diǎn)的坐標(biāo)，并分別記為(xz(i),yz(i)).一組10發(fā)射擊彈丸的試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)及紙靶測量結(jié)果見表1.

表1　試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)及紙靶測量結(jié)果Tab.1　Test data and measurement results of paper target

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)紙靶坐標(biāo)以及與之對應(yīng)的測量時(shí)間，利用結(jié)構(gòu)參數(shù)識別算法求得結(jié)構(gòu)參數(shù)α=19.6°,β=19.5 °.

試驗(yàn)2：試驗(yàn)布放和要求同試驗(yàn)1，將識別得到的結(jié)構(gòu)角度參數(shù)α,β和手工測量的距離參數(shù)S輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件，通過一組10發(fā)射擊彈丸的試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算紙靶坐標(biāo)和測量坐標(biāo)的差值及其組平均值.表2為紙靶坐標(biāo)、測量坐標(biāo)及對比結(jié)果.

表2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)及對比結(jié)果Tab.2　Test data and comparison results

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從表2的測量坐標(biāo)與紙靶坐標(biāo)的對比數(shù)據(jù)可知，測量坐標(biāo)與紙靶坐標(biāo)的平均差值不超過1 mm，經(jīng)過辨識得到的光學(xué)靶結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足密集度參數(shù)測量的國軍標(biāo)要求.

5　結(jié) 論

本文針對某單位進(jìn)口的B571光學(xué)靶測試系統(tǒng)故障后無法使用的情況，提出了一種對后續(xù)信號采集與處理部分的技術(shù)升級改造方案，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)識別算法，編制了專用處理軟件.利用B571光學(xué)靶的前端探測部分，實(shí)現(xiàn)了彈丸射擊密集度參數(shù)的精確測試.技術(shù)升級后的設(shè)備經(jīng)實(shí)彈射擊驗(yàn)證，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，能夠測試該單位現(xiàn)有的制式彈丸，密集度參數(shù)測試誤差不超過1 mm.本文提出的技術(shù)升級方案，不僅能恢復(fù)B571光學(xué)靶后端信號采集與處理部分的功能，而且提高了彈丸過幕時(shí)刻值的測量精度，對國內(nèi)同類設(shè)備的研制和技術(shù)升級具有較高的參考價(jià)值.

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(in Chinese)

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(責(zé)任編輯、校對潘秋岑)

Design of Firing Dispersion Parameter Measurement System of B571 Optical Target

MAShiliang1,ZENGXiangwei2,WANGFan1,NIJinping1,LIHai1

(1.Shaanxi Province Key Lab of Photoelectric Measurement and Instrument Technology,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China;2.Heilongjiang North Tool Co.,Ltd.,Mudanjiang 157000,China)

While the signal processing of B571 optical target measurement system of an imported device failed to work normally,an technology upgrading program based on the data acquisition equipment is designed.The solution includes the hardware,the software and the algorithm of identifying the structure parameters.The hardware includes the data acquisition equipment and the signal isolation instrument for four channels.The special software is used to acquire and process the projectile signals.The identifying algorithm identifies the structure parameters of the B571 optical target.With the detecting array of B571 optical target light-screen,the improved system achieves the measurement of firing dispersion parameters of small caliber projectiles.The result of field firing shows:Compared with the paper target,the errors of the firing dispersion parameters of the upgraded system are less than 1mm.The solution can be used for technical transformation or upgrading of a kind of four-light-screen array optical target.

firing dispersion;B571 optical target;data acquisition;parameter identification

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.08.002

2016-02-25

國家自然科學(xué)基金(61471289)；陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目(14JS035)；西安工業(yè)大學(xué)校長基金(XAGDXJJ1001)；西安工業(yè)大學(xué)“兵器光電測試技術(shù)及儀器”科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃

馬時(shí)亮(1979-)，男，西安工業(yè)大學(xué)講師，西安理工大學(xué)博士研究生，主要研究方向?yàn)榘袌龉怆姕y試技術(shù)和自動化測試技術(shù).E-mail:mashiliang@126.com.

1;TJ012.3+6

A

1673-9965(2016)08-0612-06