王 佳,楊 帥,董 濤
(1.西安工業(yè)大學(xué) 科學(xué)技術(shù)研究院,陜西 西安 710032;2.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所 機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065;3.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院,陜西 西安 710032)
在對(duì)近炸引信近炸距離參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量時(shí),無(wú)論帶有近炸引信的彈丸是否爆炸,安裝有引信的彈丸和被毀傷目標(biāo)的相對(duì)位置是判定引信近炸距離合格與否的一個(gè)重要依據(jù)[1,2]。近炸引信在離目標(biāo)較近的距離爆炸,靠彈丸形成的破片和沖擊毀傷目標(biāo)[3]。當(dāng)被攻擊目標(biāo)在空間內(nèi)的位置固定時(shí),只需要測(cè)得裝有引信的彈丸爆炸點(diǎn)在三維空間內(nèi)的坐標(biāo),即可得到引信作用時(shí)的炸點(diǎn)位置與被攻擊目標(biāo)之間的距離。所以實(shí)現(xiàn)近炸引信彈丸的炸點(diǎn)坐標(biāo)和空間飛行彈道軌跡的精確測(cè)量,對(duì)近炸引信的研制和試驗(yàn)評(píng)估具有重要意義。
現(xiàn)階段在兵器靶場(chǎng)測(cè)試中對(duì)近炸引信空間炸點(diǎn)三維坐標(biāo)測(cè)量的常用方法主要包括聲陣列測(cè)量法[4-6]、雙CCD交匯測(cè)量法[7-9]和多光幕陣列測(cè)量法[10-12]。聲陣列測(cè)量法采用多個(gè)聲傳感器組成聲陣列測(cè)量系統(tǒng),聲陣列采集彈丸爆炸產(chǎn)生的聲波,測(cè)量系統(tǒng)提取爆炸聲波到達(dá)各個(gè)傳感器的時(shí)間差來(lái)計(jì)算出炸點(diǎn)位置,但該方法容易受到高速飛行彈丸產(chǎn)生的激波影響造成誤觸發(fā)且無(wú)法探測(cè)未爆炸彈丸的位置信息。雙CCD交匯測(cè)量法采用雙CCD相機(jī)作為探測(cè)器,兩臺(tái)相機(jī)視場(chǎng)交匯布置,使相機(jī)的視場(chǎng)包含目標(biāo)位置,兩臺(tái)相機(jī)捕捉到彈丸爆炸時(shí)產(chǎn)生的火光,通過(guò)相機(jī)布置參數(shù)及靶機(jī)的位置參數(shù),計(jì)算得到炸點(diǎn)坐標(biāo)。該方法同樣無(wú)法探測(cè)未爆炸彈丸的坐標(biāo),且對(duì)相機(jī)的精度和分辨率要求較高,成本較大。文獻(xiàn)[12-14]采用的四光幕陣列及圓形陣列測(cè)量方法僅可用來(lái)測(cè)量飛行彈丸的著靶坐標(biāo),無(wú)法測(cè)量彈丸的炸點(diǎn)坐標(biāo)。文獻(xiàn)[15]采用六光幕陣列進(jìn)行環(huán)形布陣,實(shí)現(xiàn)對(duì)靜爆破彈丸破片在任意水平方向速度的測(cè)量,但無(wú)法得到彈丸的炸點(diǎn)坐標(biāo)。文獻(xiàn)[10]采用四光幕靶及閃光靶對(duì)彈丸炸點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,雖然可以測(cè)量得到彈丸的炸點(diǎn)坐標(biāo),但無(wú)法得到彈丸飛行過(guò)程中的其他參數(shù)。文獻(xiàn)[11]在四光幕的基礎(chǔ)上額外增加光幕,構(gòu)建六光幕陣列,配合炸點(diǎn)火焰探測(cè)器,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)理想條件下呈直線飛行狀態(tài)彈丸的速度、飛行俯仰角、方位角以及炸點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量。但是考慮到實(shí)際試驗(yàn)時(shí),彈道的區(qū)截距離較長(zhǎng),彈丸在飛行過(guò)程中會(huì)受到重力和空氣阻力的影響速度逐漸衰減,此時(shí)彈丸的運(yùn)動(dòng)軌跡呈曲線,在終點(diǎn)彈道段彈丸的散布區(qū)域就會(huì)增大[16,17]。繼續(xù)使用理想情況下的直線測(cè)量模型就會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。
針對(duì)現(xiàn)有彈丸空間炸點(diǎn)三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)和方法存在的不足,本文提出一種基于多光幕陣列配合火焰探測(cè)原理的曲線運(yùn)動(dòng)彈丸空間炸點(diǎn)三維坐標(biāo)測(cè)量方法,采用2臺(tái)“N”形三光幕探測(cè)器和1臺(tái)單光幕探測(cè)器組成7光幕陣列,配合炸點(diǎn)火焰探測(cè)器構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng)主探測(cè)單元,建立彈丸炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量數(shù)學(xué)模型,并對(duì)炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量誤差進(jìn)行分析、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
光幕探測(cè)原理如圖1所示,單光幕探測(cè)器以天空為背景,由于光闌狹縫的限制,進(jìn)入光學(xué)鏡頭的光線為有一定厚度的扇形,稱之為探測(cè)光幕。當(dāng)彈丸等高速飛行物體穿過(guò)該光幕時(shí),遮擋了進(jìn)入光闌狹縫的部分光線,此時(shí)通過(guò)狹縫到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器件接收面的光通量就會(huì)發(fā)生變化,信號(hào)處理電路就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)彈丸穿過(guò)光幕時(shí)刻的脈沖信號(hào)[18]。
圖1 光幕探測(cè)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of light screen detection principle
對(duì)于圖1所示的單光幕探測(cè)系統(tǒng),一般情況下鏡頭焦距越短,其探測(cè)視場(chǎng)角越大,但系統(tǒng)的通光孔徑會(huì)隨之減小,進(jìn)而使得系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度降低。因此,為了兼顧系統(tǒng)探測(cè)靈敏度和探測(cè)視場(chǎng)角,本文采用了如圖2所示的雙鏡頭拼接擴(kuò)展扇形探測(cè)視場(chǎng)的方法,每2個(gè)鏡頭為一組形成一道探測(cè)光幕,單只鏡頭焦距為50 mm,配合有效光敏面為30 mm的光電管形成30°的扇形探測(cè)視場(chǎng),2個(gè)鏡頭拼接可形成60°的扇形探測(cè)光幕。圖2(a)為三光幕探測(cè)器的俯視圖,中間光幕與兩側(cè)光幕的夾角在水平面內(nèi)為α。圖2(b)為三光幕探測(cè)器的主視圖,兩側(cè)探測(cè)光幕與中間光幕任一鏡頭主光軸的角度為β。由以上光機(jī)結(jié)構(gòu)固定三組光學(xué)鏡頭,便可以在空間形成“N”形探測(cè)幕面。
圖2 三光幕探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of three-light screen detection structure
炸點(diǎn)火焰探測(cè)器使用有效探測(cè)面為圓形的光電轉(zhuǎn)換器件,配合光學(xué)鏡頭在空間形成錐形的探測(cè)視場(chǎng)。當(dāng)彈丸在炸點(diǎn)火焰探測(cè)器的視場(chǎng)內(nèi)爆炸,光電轉(zhuǎn)換器件探測(cè)到爆炸產(chǎn)生的火光,相應(yīng)的處理電路便會(huì)產(chǎn)生與彈丸爆炸時(shí)刻對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)[19]。
圖3為基于多光幕陣列配合火焰探測(cè)原理的彈丸空間炸點(diǎn)三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)總體組成示意圖。沿預(yù)定彈道線間隔一定距離分別放置2臺(tái)三光幕探測(cè)器,分別為啟動(dòng)探測(cè)器與截止探測(cè)器,在2臺(tái)三光幕探測(cè)器中間放置1臺(tái)單光幕探測(cè)器,稱之為中間探測(cè)器,構(gòu)建7光幕陣列,并且在截止探測(cè)器末端一定距離沿彈道線放置1臺(tái)炸點(diǎn)火焰探測(cè)器。
圖3 測(cè)量系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Measurement system composition diagram
當(dāng)帶有近炸引信的飛行彈丸依次穿過(guò)探測(cè)系統(tǒng)的7道探測(cè)光幕Mi(i=1~7),7道探測(cè)光幕對(duì)應(yīng)的處理電路依次輸出7個(gè)彈丸信號(hào),經(jīng)彈丸信號(hào)采集處理儀采集,通過(guò)彈丸過(guò)幕時(shí)刻提取算法計(jì)算[20,21],得到彈丸穿過(guò)7個(gè)探測(cè)光幕的時(shí)刻值ti(i=1~7),進(jìn)一步根據(jù)系統(tǒng)光幕陣列的空間位置參數(shù)構(gòu)建彈丸運(yùn)動(dòng)方程。當(dāng)飛行彈丸在炸點(diǎn)火焰探測(cè)器的探測(cè)視場(chǎng)內(nèi)爆炸時(shí),炸點(diǎn)火焰探測(cè)器探測(cè)到彈丸爆炸產(chǎn)生的火焰信號(hào)并輸出對(duì)應(yīng)爆炸時(shí)刻的脈沖信號(hào),經(jīng)處理后得到彈丸穿過(guò)YOZ平面到爆炸點(diǎn)的時(shí)間間隔TB,將該時(shí)間間隔代入彈丸運(yùn)動(dòng)方程獲得炸點(diǎn)坐標(biāo)。
當(dāng)彈丸沒(méi)有發(fā)生爆炸時(shí),系統(tǒng)可得到彈丸穿過(guò)7道探測(cè)光幕的著靶坐標(biāo)和速度。
根據(jù)外彈道學(xué)以及實(shí)際測(cè)量環(huán)境下的測(cè)試需求,建立空間三維笛卡爾測(cè)量坐標(biāo)系。以第1個(gè)“N”形光幕中3個(gè)探測(cè)光幕的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O,預(yù)定彈道線方向?yàn)閄軸,Y軸垂直水平面向上,依據(jù)右手定則確定Z軸。2臺(tái)三光幕探測(cè)器布置于預(yù)定彈道線下方,2臺(tái)三光幕探測(cè)器距離為S,單光幕探測(cè)器放置于2臺(tái)三光幕探測(cè)器的中間位置,其與2臺(tái)三光幕探測(cè)器的距離均為l,2臺(tái)三光幕探測(cè)器的垂直距離為h(以截止探測(cè)器高為正,則h>0,否則h<0),炸點(diǎn)火焰探測(cè)器到截止探測(cè)器的距離為d。根據(jù)圖2三光幕探測(cè)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及圖3所建三維坐標(biāo)系,對(duì)啟動(dòng)探測(cè)器進(jìn)行分析可知:光幕M1,M3與YOZ平面的夾角為β,光幕M2與YOZ平面的夾角為α。因截止探測(cè)器與啟動(dòng)探測(cè)器完全相同,所以上述的結(jié)構(gòu)參數(shù)也相同,光幕M1與M4相互平行,M3與M6相互平行,光幕M2,M7,M5相互平行。
根據(jù)以上7個(gè)探測(cè)光幕的空間位置關(guān)系,可建立光幕M1~M6的空間平面方程:
(1)
整理成為矩陣形式為:
(2)
當(dāng)彈丸處于末端彈道,特別是在長(zhǎng)區(qū)截彈道時(shí),受到重力、空氣阻力以及其他因素影響,彈丸飛行速度低,散布區(qū)域大,彈丸運(yùn)動(dòng)軌跡呈曲線狀態(tài)。此時(shí),外部作用力產(chǎn)生的影響已不可忽略。根據(jù)外彈道學(xué)及空氣動(dòng)力學(xué)分析,重力對(duì)彈丸運(yùn)動(dòng)的影響始終向下,空氣阻力對(duì)彈丸做質(zhì)心運(yùn)動(dòng)時(shí)速度大小和方向的影響與阻力加速度a有關(guān)[16,17]。彈丸在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)空氣阻力加速度a的矢量方向始終與彈丸的質(zhì)心速度矢量方向相反。
如圖4所示,預(yù)定彈道O1與XOZ平面平行,光幕M2,M7和M5相互平行且都垂直于平面XOZ,并且與Z軸成一定的角度α(α<90°),光幕M2,M7與彈道線交點(diǎn)的距離,光幕M7,M5與彈道線交點(diǎn)的距離均為l,則S1=lcosα。彈丸穿過(guò)光幕的時(shí)刻值分別為t2,t7,t5。則可求得彈丸在X軸的阻力加速度ax:
(3)
圖4 加速度測(cè)速原理圖Fig.4 Schematic diagram of acceleration speed measurement
(4)
(5)
彈丸在飛行過(guò)程中可視為做質(zhì)心運(yùn)動(dòng),彈丸的速度矢量沿預(yù)定彈道線方向,加速度的矢量方向與彈丸質(zhì)心速度矢量共線相反,重力加速度g對(duì)彈丸的影響始終垂直向下。假設(shè)彈丸穿過(guò)光幕M1時(shí)的坐標(biāo)為(x1,y1,z1),穿過(guò)光幕M1時(shí)彈丸速度在XOZ平面上的投影為(vx1,vy1,vz1)。測(cè)量得到彈丸穿過(guò)7個(gè)光幕的時(shí)刻ti(i=1~7)以及彈丸穿過(guò)全部探測(cè)光幕后到達(dá)炸點(diǎn)火焰探測(cè)器探測(cè)視場(chǎng)爆炸的時(shí)刻值TB,其中t1=0,為參考零時(shí)刻。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程便可得到彈丸在空間中做曲線運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,結(jié)合彈丸穿過(guò)6個(gè)探測(cè)光幕的時(shí)間,便可計(jì)算得到彈丸飛行時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和穿過(guò)剩下5個(gè)探測(cè)光幕的坐標(biāo)和瞬時(shí)速度的投影,則彈丸穿過(guò)所有探測(cè)光幕時(shí)的空間曲線運(yùn)動(dòng)方程如下:
(6)
通過(guò)式(6)計(jì)算出彈丸穿過(guò)剩下5道探測(cè)光幕時(shí)的坐標(biāo)和瞬時(shí)速度,并將6個(gè)坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度依次代入式(2)并整理為矩陣形式,可得:
A·C=B
(7)
式中:
因此有:
C=A-1·B
(8)
將三光幕探測(cè)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)角度α,β,兩探測(cè)器的間距S,兩探測(cè)器的高度差h,彈丸依次穿過(guò)探測(cè)光幕的時(shí)刻值ti以及式(5)所解出的阻力加速度分量ax代入式(8),即可計(jì)算得到彈丸的坐標(biāo)和速度。
彈丸速度矢量V在穿過(guò)第一道探測(cè)光幕時(shí)空間三維坐標(biāo)系中的方向如圖5所示,其中,速度矢量與XOZ水平面的夾角為俯仰角θ;速度矢量在XOZ平面上的投影與XOY平面的夾角為方位角γ。
圖5 彈丸速度矢量方位圖Fig.5 Projectile velocity vector azimuth map
則有:
(9)
(10)
(11)
將式(8)計(jì)算得到的(x1,y1,z1)以及(vx1,vy1,vz1)代入式(9)~式(11)便可得到彈丸的飛行速度,飛行速度方向的俯仰角和方位角。
已知彈丸穿過(guò)YOZ平面到達(dá)爆炸點(diǎn)的時(shí)刻為T(mén)B,則彈丸炸點(diǎn)坐標(biāo)(X,Y,Z)為:
(12)
(13)
Z=z1+vz1TB
(14)
由式(12)~式(14)可知,炸點(diǎn)坐標(biāo)是彈丸穿過(guò)光幕M1時(shí)的著靶坐標(biāo)、速度、重力加速度和爆炸時(shí)間的函數(shù)。炸點(diǎn)坐標(biāo)X,Y,Z的測(cè)量誤差分別為ΔX,ΔY,ΔZ,由誤差傳遞理論,即:
(15)
(16)
(17)
設(shè)置仿真條件:假定vz1取4 m/s,vy1取5 m/s,vx1取值在0 m/s到200 m/s區(qū)間變化,速度的測(cè)量誤差取0.4 m/s;位置的測(cè)量誤差取5 mm;TB取值在0 ms到20 ms區(qū)間變化,炸點(diǎn)時(shí)間TB測(cè)量誤差取6 μs;ax的測(cè)量誤差為1 m/s2;考慮到實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)海拔高度變化不大,因此g的測(cè)量誤差忽略不計(jì)。則炸點(diǎn)坐標(biāo)的誤差分布規(guī)律如圖6所示。
圖6 炸點(diǎn)坐標(biāo)誤差變化規(guī)律Fig.6 Variations of explosion point coordinates error
由圖6可看出,炸點(diǎn)坐標(biāo)X的測(cè)量誤差同時(shí)受到TB和vx的影響,且隨著爆炸時(shí)間TB和vx的增加而增加,ΔX最大為9.817 mm;炸點(diǎn)坐標(biāo)Y、Z的測(cè)量誤差ΔY、ΔZ隨著爆炸時(shí)間TB和vx的增加而增加,但是ΔY、ΔZ受vx的影響很小。ΔY最大為11.66 mm,ΔZ最大為7.81 mm。
令TB為20 ms,ΔX受vx的影響如圖7所示。
圖7 ΔX隨vx變化規(guī)律示意圖Fig.7 Variations of ΔX along with vx
由圖7可以看出當(dāng)TB為20 ms時(shí),vx從100 m/s變化至120 m/s時(shí),ΔX呈逐漸減小趨勢(shì),最小不超過(guò)8.354 mm,但是vx從120 m/s到200 m/s變化時(shí),ΔX呈逐漸增大趨勢(shì),最大不超過(guò)9.809 mm。
為了驗(yàn)證上述測(cè)量系統(tǒng)的誤差結(jié)果,按照?qǐng)D8所示搭建7光幕陣列配合炸點(diǎn)火焰探測(cè)器的炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng),炸點(diǎn)火焰探測(cè)器使用單光幕探測(cè)器替代,使用彈丸穿過(guò)單光幕探測(cè)器時(shí)的觸發(fā)信號(hào)模擬彈丸爆炸時(shí)產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)。啟動(dòng)探測(cè)器與截止探測(cè)器的距離S=3 992 mm,兩探測(cè)器高度差為20 mm,中間探測(cè)器位于2臺(tái)三光幕陣列探測(cè)器中間位置,單光幕探測(cè)器距離截止探測(cè)器1 115 mm,紙靶置于截止探測(cè)器后方2 000 mm。采用一臺(tái)8通道數(shù)據(jù)采集儀,采集彈丸穿過(guò)每個(gè)探測(cè)光幕時(shí)對(duì)應(yīng)處理電路輸出的彈丸模擬信號(hào),以及使用單光幕探測(cè)器模擬的彈丸在炸點(diǎn)火焰探測(cè)器視場(chǎng)內(nèi)爆炸時(shí)炸點(diǎn)火焰探測(cè)器電路輸出的炸點(diǎn)模擬信號(hào),并通過(guò)相關(guān)算法計(jì)算得到彈丸穿過(guò)每個(gè)探測(cè)光幕對(duì)應(yīng)的時(shí)刻值及彈丸炸點(diǎn)時(shí)刻值。最后通過(guò)式(9)~式(11)求解出彈丸的飛行速度、俯仰角和方位角,通過(guò)式(12)~式(14)求解出彈丸的空間炸點(diǎn)坐標(biāo)。使用氣槍發(fā)射直徑為7 mm的鋼珠彈進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將彈丸穿過(guò)所有探測(cè)光幕的時(shí)刻值和模擬炸點(diǎn)時(shí)刻值分別代入文獻(xiàn)[11]中提出的直線測(cè)量模型和本文提出的測(cè)量模型。首先計(jì)算出兩種模型的坐標(biāo)與紙板靶坐標(biāo)的相對(duì)誤差,然后通過(guò)相對(duì)誤差求解得到各坐標(biāo)的測(cè)量誤差,得到的兩種模型的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 部分彈丸炸點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Partial projectile explosion coordinate measurement data
圖8 實(shí)驗(yàn)布局示意圖Fig.8 Schematic diagram of the test layout
由表1中的數(shù)據(jù)可以看出,本文測(cè)量模型計(jì)算得到的炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量誤差均小于直線測(cè)量模型計(jì)算得到的炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量誤差。本文方法得出的炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量誤差絕對(duì)值最大(8.4 mm,8.2 mm,5.9 mm)。由此可以計(jì)算得到炸點(diǎn)坐標(biāo)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差σx、σy、σz分別為2.89 mm、4.97 mm、2.19 mm。仿真與實(shí)彈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明,本文所提出的測(cè)量方法和系統(tǒng)具有可行性,且坐標(biāo)測(cè)量誤差均優(yōu)于直線測(cè)量模型,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)近炸引信彈丸炸點(diǎn)三維坐標(biāo)的測(cè)量。
本文針對(duì)彈丸在終點(diǎn)彈道段,飛行速度低,區(qū)截距離長(zhǎng)的測(cè)試情況,根據(jù)阻力加速度與重力加速度對(duì)彈丸飛行軌跡的影響,提出7光幕陣列配合火焰探測(cè)器測(cè)量彈丸炸點(diǎn)坐標(biāo)的方法,得出以下主要結(jié)論:
①通過(guò)測(cè)量誤差仿真,得出炸點(diǎn)坐標(biāo)最大測(cè)量誤差為9.817 mm、11.66 mm和7.81 mm,實(shí)彈實(shí)驗(yàn)得出的炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量誤差為8.4 mm,8.2 mm和5.9 mm,實(shí)驗(yàn)得出的測(cè)量誤差均在仿真結(jié)果范圍內(nèi),理論仿真和實(shí)彈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該測(cè)量方法具有可行性。
②直線測(cè)量模型和曲線測(cè)量模型的實(shí)彈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明,曲線模型的坐標(biāo)測(cè)量誤差優(yōu)于直線測(cè)量模型。
③本文所提出的近炸引信空間炸點(diǎn)三維坐標(biāo)測(cè)量方法具有探測(cè)視場(chǎng)大,測(cè)量誤差小,易于工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),該測(cè)量方法可為近炸引信毀傷評(píng)估及引戰(zhàn)配合仿真提供可靠精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。