基于光敏管陣列交匯的空間炸點(diǎn)位置測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

武威興, 趙冬娥, 張 斌, 褚文博, 孟凡軍

(1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,山西 太原 030000; 2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五十五研究所，吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引 言

因此，確定彈體在空間爆炸的三維坐標(biāo)是靶場(chǎng)測(cè)試和彈藥性能測(cè)試的重要內(nèi)容[1，2]。目前傳統(tǒng)的炸點(diǎn)位置空間三維坐標(biāo)的測(cè)量方法有聲學(xué)測(cè)量法[3]、雙電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)交匯測(cè)量法[4～7]、光電測(cè)量法[8～11]等。但針對(duì)在密閉環(huán)境測(cè)量炸點(diǎn)位置空間三維坐標(biāo)，傳統(tǒng)的聲學(xué)測(cè)量法其聲探測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)為目標(biāo)爆炸聲波經(jīng)墻壁吸收、反射的疊加，必然會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，直接導(dǎo)致對(duì)炸點(diǎn)的定位不都準(zhǔn)確[12];雙CCD交匯測(cè)量法需要兩臺(tái)面陣CCD高速相機(jī)，響應(yīng)速度在微秒(μs)級(jí)別，并且價(jià)格昂貴，在密閉空間內(nèi)易被爆炸的破片損壞[13]。

本文采用光敏管陣列，光敏管響應(yīng)速度在50～100 ns之間，當(dāng)彈體在艙室內(nèi)爆炸，產(chǎn)生的火光第一時(shí)間經(jīng)光學(xué)鏡頭傳送至光敏管陣列上，其陣列的部分傳感器對(duì)爆炸的火光信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)，經(jīng)由信號(hào)調(diào)理電路將其放大并整形，由光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)采集存儲(chǔ)裝置采集并傳輸至上位機(jī)，根據(jù)兩個(gè)光敏管陣列中響應(yīng)的光敏管的坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)建模后，可計(jì)算出炸點(diǎn)在空間內(nèi)的三維坐標(biāo)。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包括炸點(diǎn)位置光敏管陣列探測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理電路、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)采集與發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)處理四部分組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。炸點(diǎn)位置利用兩個(gè)光敏管陣列模塊交匯構(gòu)成三維空間定位測(cè)量。其中，光敏管陣列探測(cè)模塊包含廣角鏡頭與光電二極管陣列構(gòu)成；信號(hào)調(diào)理電路包含電壓放大電路、閾值判斷電路、FPGA程序設(shè)計(jì)模塊包含信號(hào)采集與串口通信。

圖1 系統(tǒng)組成

2 炸點(diǎn)位置測(cè)量原理

利用兩臺(tái)光敏管陣列模塊來(lái)測(cè)量炸點(diǎn)的三維空間位置。當(dāng)彈體在空間內(nèi)爆炸時(shí)，產(chǎn)生的火光信號(hào)經(jīng)由鏡頭匯聚至光敏管陣列上，其陣列的部分傳感器對(duì)爆炸的火光信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)，經(jīng)由信號(hào)調(diào)理電路將其放大并整形，由光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)經(jīng)由FPGA采集并傳輸至上位機(jī)。根據(jù)兩臺(tái)光電傳感器陣列中響應(yīng)的光電傳感器的坐標(biāo)，可以得到炸點(diǎn)在空間內(nèi)的三維坐標(biāo).其數(shù)學(xué)模型如圖2所示。兩個(gè)光敏管陣列探測(cè)模塊對(duì)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(diǎn)位置測(cè)量原理

坐標(biāo)系Oc-XcYcZc為定坐標(biāo)系；Z1O1Y1,Z2O2Y2分別為S1,S2兩站光敏管陣列上的動(dòng)坐標(biāo)系；P為空間炸點(diǎn)位置；m為兩探測(cè)點(diǎn)光軸的交點(diǎn)，P1,P2為P點(diǎn)在兩系統(tǒng)傳感器陣列中傳感器的響應(yīng)位置；αmi,(i=1,2)分別為兩探測(cè)點(diǎn)光軸的方位角；βmi，(i=1,2)分別為兩探測(cè)點(diǎn)光軸的高低角。則P點(diǎn)的空間坐標(biāo)為

(1)

式中α1，α2分別為炸點(diǎn)對(duì)探測(cè)點(diǎn)S1，S2的方位角；β1，β2分別為炸點(diǎn)對(duì)探測(cè)點(diǎn)S1，S2的高低角。由式(1)可知，測(cè)得基線長(zhǎng)度S后，根據(jù)α1，α2，β1，β2即可求出炸點(diǎn)坐標(biāo)。因此，求解坐標(biāo)的關(guān)鍵是坐標(biāo)系之間的角度對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖3所示為系統(tǒng)光敏管陣列的坐標(biāo)系與實(shí)際炸點(diǎn)的坐標(biāo)系之間的關(guān)系。

圖3 測(cè)量角度原理

其中，z1，y1為炸點(diǎn)在光敏管陣列上的坐標(biāo)，由圖3所示的幾何關(guān)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(diǎn)坐標(biāo)。

3 光敏管陣列設(shè)計(jì)

焦距越短視場(chǎng)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(cè)器距離平面ABC的垂直距離。

圖4 光敏管陣列尺寸計(jì)算

為了節(jié)省光敏管電路路數(shù)，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?？v向編組方式是指{(aib1，aib3，aib5，…,aibj)，共構(gòu)成(2j-1)路并聯(lián)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(lián)連接，例如(a1b2,a2b2,a3b2,…,akb2)位置處的光敏管并聯(lián)連接，形成一個(gè)并聯(lián)光敏管組，共構(gòu)成k路并聯(lián)光敏管組。假設(shè)圖5中b18橫向并聯(lián)光敏組產(chǎn)生信號(hào)，a2黑色縱向編組并聯(lián)光敏組產(chǎn)生信號(hào)，那么圖5中所標(biāo)記的便是光敏管陣列中的一處坐標(biāo)點(diǎn)。

圖5 光敏管陣列設(shè)計(jì)

4 FPGA程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用FPGA作為邏輯控制核心，F(xiàn)PGA采樣頻率設(shè)置為200 MHz，如圖6所示，光敏管觸發(fā)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路傳輸?shù)紽PGA的IO口， IO口有觸發(fā)時(shí)，采集此時(shí)所有IO接口對(duì)應(yīng)的數(shù)值，由RS—485接口接收上位機(jī)指令。經(jīng)對(duì)接收到的指令信息進(jìn)行解析，F(xiàn)PGA接收到數(shù)據(jù)后，將其存儲(chǔ)至FLASH中。當(dāng)FPGA接收到指令時(shí)，讀取FLASH中的數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)RS—485接口上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示及處理[15]。

圖6 FPGA設(shè)計(jì)框圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖7所示，將兩個(gè)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(dāng)頻閃燈閃爍一次時(shí)，光敏管接收到光信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路處理，被FPGA采集，數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。

圖7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置

上位機(jī)接收數(shù)據(jù)為：

001100000000001100,000001100001100000。

前18位左邊光敏管陣列接收數(shù)據(jù)，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(duì)應(yīng)輸出,后18位為右邊光敏管陣列接收數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)同左邊光敏管陣列一致。將數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)至光敏管陣列，由圖8可得左邊光敏管陣列坐標(biāo)為(5，5)mm，右邊光敏管陣列坐標(biāo)為(-5，-5)mm,已知αm1=αm2=βm1=βm2=45°，基線長(zhǎng)度S=3 m,焦距f=20 mm代入式(1)、式(2)求得炸點(diǎn)坐標(biāo)為(1.43,2.26,0.52)m。炸點(diǎn)位置如圖9所示。

圖8 左、右光敏管陣列響應(yīng)

圖9 模擬炸點(diǎn)位置

6 結(jié) 論

本文系統(tǒng)用光敏管陣列采集數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)交匯測(cè)量原理解決空間炸點(diǎn)位置坐標(biāo)測(cè)量，系統(tǒng)光敏管陣列設(shè)計(jì)節(jié)省了電路數(shù)據(jù)接收路數(shù)，數(shù)據(jù)處理速度更快，延時(shí)更低。相較于傳統(tǒng)聲學(xué)測(cè)量方法具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，相較于雙CCD交匯測(cè)量方法具有響應(yīng)時(shí)間快，價(jià)格便宜等特點(diǎn)。