基于多脈沖激光的彈藥姿態(tài)測試系統(tǒng)研究*

賀 翾,常 磊,任 勐,李 琳,賈養(yǎng)育

(中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710043)

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基于多脈沖激光的彈藥姿態(tài)測試系統(tǒng)研究*

賀 翾,常 磊,任 勐,李 琳,賈養(yǎng)育

(中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710043)

彈藥飛行姿態(tài)和戰(zhàn)斗部破片威力測量是武器系統(tǒng)研制中非常關(guān)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(duì)于高速運(yùn)動(dòng)彈丸,普通高速攝像還會(huì)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(tài)測試系統(tǒng),可以排除強(qiáng)烈自發(fā)光的干擾,獲得清晰的高速彈丸影像。通過試驗(yàn)驗(yàn)證,該測量系統(tǒng)有效可靠,能夠較好的滿足武器系統(tǒng)威力瞬態(tài)測試需求。

多脈沖激光;正交攝影;瞬態(tài)測試;同步控制器

0 引言

在反坦克導(dǎo)彈、火箭彈和末敏彈藥等戰(zhàn)術(shù)武器戰(zhàn)斗部的研制和定型試驗(yàn)中,最為重要的是戰(zhàn)斗部的瞬態(tài)工作過程研究,如戰(zhàn)斗部著靶前姿態(tài)、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(zhàn)斗部的瞬態(tài)工作過程往往具有以下特點(diǎn)[1]:

1)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度快,如高速動(dòng)能武器速度超過1 500 m/s,爆炸破片速度可達(dá)3 000 m/s,射流速度最快可以達(dá)到10 000 m/s;

2)持續(xù)時(shí)間極短,如彈丸的穿甲過程和破甲過程通常只有數(shù)百微秒;

3)常常伴有強(qiáng)烈的自發(fā)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(tǒng)要有足夠短的曝光時(shí)間、足夠高的記錄幀頻并具有克服強(qiáng)烈自發(fā)光的能力,常規(guī)的高速攝影系統(tǒng)很難有效記錄這些瞬態(tài)過程的影像變化,無法滿足戰(zhàn)斗部威力的高精度測試要求。

目前,適合自發(fā)光條件下的高速攝影系統(tǒng)主要有以下幾種:膠片式激光超高速攝影系統(tǒng)、激光數(shù)字高速攝影系統(tǒng)、多脈沖激光姿態(tài)測試系統(tǒng)、X光攝影系統(tǒng)等。其中,X光攝影系統(tǒng)有很強(qiáng)的穿透煙霧能力和抗火光能力,但是其缺點(diǎn)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(duì)瞬態(tài)過程通常只能單幅拍攝,而且系統(tǒng)龐大結(jié)構(gòu)復(fù)雜,防護(hù)困難,只適合固定爆炸場所。

激光數(shù)字高速攝影系統(tǒng)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(jī)作為圖像記錄設(shè)備,在高精度的同步系統(tǒng)控制下,使激光脈沖在高速攝影機(jī)很短的曝光時(shí)間內(nèi)曝光,由于曝光時(shí)間很短,所以自發(fā)光的曝光量很小,有效的曝光量幾乎全由激光決定,同時(shí)配備窄帶干涉濾光片,可有效排除自發(fā)光的影響。激光脈沖時(shí)間很短,通常為十幾納秒,對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)可以瞬間曝光凍結(jié),從而獲得高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)清晰的瞬間影像,解決了普通高速攝影對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的拖尾模糊現(xiàn)象。但是普通高速攝像機(jī)的攝像頻率和空間分辨率成反比關(guān)系,在高速應(yīng)用時(shí)空間分辨率會(huì)降低,因此,激光數(shù)字高速攝影系統(tǒng)有它的明顯優(yōu)點(diǎn)也有相應(yīng)的不足。

多脈沖激光姿態(tài)測試系統(tǒng)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(jī)作為圖像記錄設(shè)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(duì)該測試系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 系統(tǒng)工作原理

多脈沖激光姿態(tài)測試系統(tǒng)主要用于室內(nèi)固定靶道或爆炸洞場所,用于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)空間姿態(tài)的高精度測試,系統(tǒng)包括多脈沖激光照明光源、兩臺(tái)高分辨率CCD相機(jī)(正交布置)、兩套姿態(tài)測試光路調(diào)節(jié)裝置、正交反射屏、同步控制器以及觸發(fā)啟動(dòng)靶等。

多脈沖激光姿態(tài)測試系統(tǒng)原理如圖1所示,當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體經(jīng)過觸發(fā)啟動(dòng)靶時(shí),產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào),啟動(dòng)同步控制器中的時(shí)序控制電路并給出3路延時(shí)輸出脈沖:第一路延時(shí)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(shí)輸出脈沖控制一個(gè)方向的CCD相機(jī)曝光時(shí)序(對(duì)應(yīng)激光器多次閃光,即單幅成像多次曝光);第三路延時(shí)輸出控制另一個(gè)方向的CCD相機(jī)曝光時(shí)序(對(duì)應(yīng)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(fā)出第一路脈沖串觸發(fā)信號(hào)后,激光器經(jīng)過固有延時(shí),產(chǎn)生相應(yīng)激光脈沖串,激光經(jīng)過五五分光后,再由兩根導(dǎo)光光纖束將兩束激光分別導(dǎo)入兩個(gè)發(fā)散鏡,照明運(yùn)動(dòng)物體。兩路CCD相機(jī)在各自的觸發(fā)輸入作用下,在激光光源發(fā)出每一個(gè)激光脈沖之前,CCD相機(jī)開啟電子快門,激光脈沖過后立即關(guān)閉電子快門,激光脈沖串結(jié)束后,一幅圖像完成,那么在同一個(gè)圖像中就可以獲得對(duì)應(yīng)激光脈沖數(shù)目的目標(biāo)影像。照相結(jié)束后,兩個(gè)正交CCD相機(jī)獲得的運(yùn)動(dòng)物體陰影圖像經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理,可以得到運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、速度等參數(shù)。

姿態(tài)角計(jì)算如圖2所示。

X軸為沿彈丸飛行方向的水平方向,正方向?yàn)閺椡栾w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(diǎn)在CCD相機(jī)(側(cè))所成陰影圖像在XOY平面內(nèi)坐標(biāo);(X1,Z1)、(X2,Z2)為彈丸特征點(diǎn)在CCD相機(jī)(上)所成陰影圖像在XOZ平面內(nèi)坐標(biāo)。

圖1 多脈沖激光姿態(tài)測試系統(tǒng)原理圖

圖2 姿態(tài)角計(jì)算模型

由正交方式下兩CCD相機(jī)所得圖像上,可直接讀出彈丸對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)像素坐標(biāo)(x1,y1)、(x2,y2)、(x1,z1)、(x1,z1)?？紤]到XOY平面,像素坐標(biāo)x軸方向與空間坐標(biāo)X軸方向一致,像素坐標(biāo)y軸方向與空間坐標(biāo)Y方向正好相反,Y方向像素總數(shù)為4 408個(gè);而在XOZ平面,像素坐標(biāo)x軸、z軸方向與空間坐標(biāo)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(diǎn)坐標(biāo),x、y、z為彈丸圖像特征點(diǎn)像素坐標(biāo)。a為像素尺寸,本系統(tǒng)相機(jī)中,a=0.005 5 mm。

由空間幾何關(guān)系可知,彈丸俯仰角α為:

(3)

彈丸偏航角β根據(jù)以下公式計(jì)算:

(4)

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

多脈沖激光姿態(tài)測試系統(tǒng)的突出特點(diǎn)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(biāo)的兩個(gè)或3個(gè)曝光時(shí)刻的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)陰影像,實(shí)現(xiàn)對(duì)高速和超高速飛行彈丸的彈道特性、空間飛行姿態(tài)、速度等參數(shù)的測試,CCD相機(jī)鏡頭加激光濾光片,曝光時(shí)間短,抗自發(fā)光干擾能力強(qiáng),系統(tǒng)的空間分辨率高達(dá)2 900萬像素,測試精度高。

主要性能指標(biāo):

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(jī)分辨率:2 900萬像素。

2 系統(tǒng)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(tǒng)、高速電光調(diào)Q驅(qū)動(dòng)等組成。封閉式水冷卻系統(tǒng)和高速電光調(diào)Q驅(qū)動(dòng)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(jī)提供照明光源[3]。激光電源單獨(dú)一個(gè)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(chǎn)生1 064 nm的激光,激光電源為激光器出光提供驅(qū)動(dòng)能源,封閉式水冷卻系統(tǒng)為氙燈降溫,高速電光調(diào)Q產(chǎn)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(qiáng)光輻射被YAG晶體吸收。YAG晶體吸收光輻射后,使其產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn),將能量以激活粒子的形式存儲(chǔ)在工作物質(zhì)的高能態(tài)上,經(jīng)過一定延時(shí),當(dāng)其達(dá)到最大值時(shí)將Q開關(guān)打開,腔內(nèi)將很快建立起極強(qiáng)的激光振蕩,使激光上能級(jí)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量,形成調(diào)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(chǎn)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(jìn)行倍頻,將其倍頻為感光度較高的532 nm綠光。

2.2 姿態(tài)測試光路調(diào)節(jié)裝置

姿態(tài)測試光路調(diào)節(jié)裝置用于將CCD相機(jī)視場和激光發(fā)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(duì)目標(biāo)的投射陰影像和相機(jī)對(duì)目標(biāo)的投影像合二為一。

姿態(tài)測試光路調(diào)節(jié)裝置如圖5所示。

圖5 姿態(tài)測試光路調(diào)節(jié)裝置

半透半反鏡兩個(gè)光學(xué)面在可見光范圍內(nèi)一面鍍?cè)鐾改?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(jī)視場的合成。

發(fā)散鏡用于將導(dǎo)光光纖傳送的激光束發(fā)散輸出,激光經(jīng)半透半反鏡反射照亮攝影視場。發(fā)散鏡采用3塊負(fù)透鏡組合將導(dǎo)光光纖送來的激光束發(fā)散,鏡筒內(nèi)連接導(dǎo)光光纖。

發(fā)散鏡結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 發(fā)散鏡結(jié)構(gòu)

CCD相機(jī)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(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同類產(chǎn)品,在減小槍炮口煙焰方面有無可比擬的優(yōu)勢。

圖7 高分辨率CCD相機(jī)

主要特性參數(shù)為:

像素尺寸:5.5 μm×5.5 μm

像素?cái)?shù):2 900萬

曝光時(shí)間:最小6 μs

工作模式:自由運(yùn)轉(zhuǎn),外觸發(fā)(可選)。

2.3 同步控制器

同步控制器用來協(xié)調(diào)多脈沖激光光源和兩臺(tái)CCD相機(jī)同步工作,保證每個(gè)激光脈沖分別落在各CCD相機(jī)的短快門曝光之內(nèi)。同步控制器工作時(shí)接收一路同步觸發(fā)信號(hào),在同步觸發(fā)信號(hào)作用后分別產(chǎn)生多路不同延時(shí)的脈沖串信號(hào),這些多路脈沖信號(hào)按照預(yù)定的時(shí)序分別控制多脈沖激光光源和CCD相機(jī)工作。同步控制器是整個(gè)系統(tǒng)的重要分系統(tǒng)之一,要求10 ns的同步精度。因此,在設(shè)計(jì)中利用FPGA技術(shù)進(jìn)行開發(fā),因?yàn)镕PGA支持工作頻率高(可以達(dá)到百兆赫茲),適用于邏輯時(shí)序的控制,設(shè)計(jì)也靈活簡單[5]。

同步控制器主要由FPGA、單片機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路、鍵盤和液晶顯示屏組成,如圖8所示。攝影前,手動(dòng)通過鍵盤設(shè)定各種參數(shù),并將參數(shù)顯示在液晶屏幕上,設(shè)定完成后,單片機(jī)將參數(shù)發(fā)送給FPGA,FPGA進(jìn)入等待狀態(tài),一旦FPGA接收到外部觸發(fā)信號(hào),將產(chǎn)生控制激光器和CCD相機(jī)的各種預(yù)定脈沖信號(hào),從而使整個(gè)攝影系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。

圖8 同步脈沖控制器組成框圖

3 試驗(yàn)測試效果

多脈沖激光姿態(tài)測試系統(tǒng)在彈道姿態(tài)測試和戰(zhàn)斗部爆炸破片速度測試方面有較好的應(yīng)用價(jià)值,并獲得多次試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖9給出的是多脈沖激光姿態(tài)測試系統(tǒng)獲取某穿甲彈兩次曝光的試驗(yàn)圖片,圖10給出的是多脈沖激光姿態(tài)測試系統(tǒng)獲取某穿甲彈3次曝光的試驗(yàn)圖片。經(jīng)圖像分析計(jì)算軟件進(jìn)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(yàn)圖片

圖10 某穿甲彈三次曝光的試驗(yàn)圖片

4 結(jié)束語

多脈沖激光姿態(tài)測試系統(tǒng)在武器系統(tǒng)威力瞬態(tài)測試方面有廣闊的應(yīng)用前景,尤其在槍炮彈丸姿態(tài)測試方面有無比的優(yōu)越性。因其空間分辨率高達(dá)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(tǒng)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(qiáng)烈自發(fā)光的干擾,獲得清晰的高速彈丸影像。試驗(yàn)證明,該測量系統(tǒng)有效可靠,能夠較好地滿足武器系統(tǒng)威力瞬態(tài)測試需求。

[1] 孫衛(wèi)平, 張西京, 喬明軍, 等. 戰(zhàn)斗部爆炸瞬態(tài)測試系統(tǒng)研究 [C]∥第十三屆全國戰(zhàn)斗部與毀傷技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集, 2013: 1300-1305.

[2] 孫衛(wèi)平, 賈養(yǎng)育, 喬明軍, 等. 激光數(shù)字高速攝影測試系統(tǒng)研究 [C]∥第十五屆全國戰(zhàn)斗部與毀傷技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集, 2015: 1332-1336.

[3] 王瑞, 孫衛(wèi)平, 李紅兵. 基于面陣CCD的激光高速攝影技術(shù)在彈道測試中的應(yīng)用 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2009, 29(5): 271-272.

[4] 李相銀, 姚敏玉, 李卓, 等. 激光原理技術(shù)及應(yīng)用 [M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2004: 254-262.

[5] 潘松, 黃繼業(yè). EDA技術(shù)與VHDL [M]. 3版. 北京: 清華大學(xué)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(dāng)陽人,碩士研究生,研究方向:武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程。

TJ06

A

2015-12-23