天幕立靶探测光幕响应时间一致性测量方法研究

田亚男，田 会，袁 云

(西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 710021)

引言

六光幕阵列式天幕立靶[1-3]是身管武器外弹道飞行参数测试的主要设备，其测试数据的准确性对武器的研制、生产和交验至关重要。六光幕阵列式天幕立靶利用光幕探测原理在空间按一定角度与距离形成6个探测光幕，飞行弹丸依次穿过6个光幕时，遮挡了对应光电探测器件所接收到的光能量，探测器件将变化的光信号转化为微弱的电信号，经信号处理电路输出6路过幕信号，每个信号代表弹丸穿过对应光幕的时刻信息，结合结构参数及靶距，利用计算公式可得到弹丸飞行参数[4-5]。因探测光幕中存在探测器件的响应时间和信号处理电路响应延迟，弹丸穿过光幕的时刻与输出信号的时刻存在偏差[6]，也称之为光幕响应时间。由于器件参数的分散性，导致不同光幕的响应时间存在差异，当不同光幕间的响应时间偏差较大时，会直接影响系统的测量精度[7-9]。目前针对光幕探测类仪器的响应时间测量方法，主要采用负脉冲电信号或正弦电信号控制光源亮暗变化来模拟弹丸穿过光幕时产生的光能量变化过程，对比预定时间亮灭的小光源与测时仪间的读数差值测量光幕响应时间差异[10-12]，该方法未考虑弹丸实际外围轮廓与光幕输出的弹丸过幕模拟信号的对应关系，易导致信号饱和，引起测时误差。实弹测试中，弹丸穿过天幕立靶时输出的波形模拟信号包含弹丸轮廓信息及过幕时间信息，与弹丸外围轮廓相似，可依据广义相关算法精确计算两路信号的时间。为解决上述问题，本文在光幕探测类仪器响应时间测量方法的基础上，设计了一种尽量真实模拟弹丸穿过光幕时探测器件上接收光能量变化的测试装置，实现天幕立靶6个探测光幕响应时间一致性测量，为评判其测量精度提供技术依据。

1 光幕响应时间一致性测量方法

光幕响应时间一致性测量方法示意图如图1所示，模拟弹丸过幕信号源以天幕立靶中探测器件响应光谱范围内稳定发光的点光源作为弹丸过幕时光能量变化的信息载体，通过输出两路具有延时特性的驱动电信号，两路驱动电信号相同，与实弹过幕模拟信号相反，包含常规弹形轮廓特征及过幕时间信息，分别控制基准点光源1与测试点光源2的发光亮度，使两路点光源按照设定的时间间隔由亮逐渐变暗再变亮。将基准点光源1放置在天幕立靶光幕G1探测视场内的镜头中心轴线上；测试点光源2依次放置在天幕立靶光幕Gi(2、3、4、5、6)探测视场内的镜头中心轴线上，两路点光源均与镜头间隔一定距离。通过设定两路点光源亮度变化的时间间隔T，控制两路点光源亮度分别变化一次，天幕立靶中对应光幕接收到变化的光能量，经信号处理电路后输出对应的过靶信号，天幕立靶测速系统中的信号采集与处理仪直接采集每个光幕输出的过靶信号，利用广义相关算法，计算出光幕G1与光幕Gi(2、3、4、5、6)输出模拟信号的时间间隔Ti-1，与模拟弹丸过幕信号源中置入的两路信号间的时间间隔T进行比较，若5组Ti-1与T的相差时间均小于1 μs，可验证6个光幕响应时间一致满足技术指标要求。

图1 光幕响应时间一致性测量方法示意图Fig.1 Schematic diagram of measurement method of lightscreens response time consistency

在该测量方法中，模拟弹丸过幕信号源为核心测试装置，其输出的电信号直接驱动点光源模拟弹丸过幕时探测器接收到的光能量变化过程。如图2所示，通过图像处理准确获取各种常规测试弹丸的外围轮廓数据，将其量化后导入ROM存储器，通过寻址调用存储数据送入DA转换器，输出的模拟信号经驱动电路后控制两路光源按照设定的时序实现亮度变化。

图2 模拟弹丸过幕信号源设计思路Fig.2 Design idea of signal source for simulating projectileover-screen

2 弹丸轮廓曲线获取

为了准确获取弹丸轮廓曲线，可利用面阵相机采集不同类型的弹丸图像，通过图像处理算法获取各弹丸的外围轮廓数据，利用最小二乘法拟合出弹丸轮廓曲线，图3为外围轮廓曲线获取具体算法流程图。

图3 弹丸图像处理流程图Fig.3 Flow chart of projectile image processing

以常用的7.62 mm弹丸为处理目标进行说明，其边缘检测得到的图像如图4所示。

图4 弹丸边缘检测图Fig.4 Detection diagram of projectile edge

在图像采集环节因无法保证弹丸完全平行于水平面，需对采集弹丸图像的边界像素点坐标进行拟合，依据拟合图像的对称轴直线斜率(弹丸为对称图像)反算出采集弹丸图像关于水平方向的倾斜角度，对其进行旋转消倾斜处理后，再重新提取弹丸边界像素点坐标，以保证弹丸轮廓曲线拟合精度。由于弹丸关于弹轴对称，只需对弹丸半轮廓曲线进行拟合，最终确定的以弹尖为坐标圆点的弹丸轮廓曲线多项式为

Y(x)=0.000 408 5x2-0.362 1x-

19.16x∈[0,661]

(1)

式中:x为弹丸轮廓在水平方向上的像素点坐标;Y为弹丸轮廓在垂直方向上的像素点坐标。

3 模拟弹丸过幕信号源设计与实现

模拟弹丸过幕信号源的核心是对点光源进行调光，控制光源发光亮度，使其按照不同弹丸过幕时所遮挡的光能量变化。图5为模拟弹丸过幕信号源的系统硬件结构图，整个硬件系统以FPGA为核心控制模块，配合调光电路及外围供电模块、参数置入电路、显示电路、弹形选择电路实现，FPGA可通过程序控制将事先存储在ROM中的弹丸轮廓数据读出，控制调光电路中DA的输出电压值，以改变点光源的工作电流实现调光。

图5 系统硬件结构图Fig.5 Structure diagram of system hardware circuit

3.1 弹丸轮廓数据的产生与存储

依据FPGA系统中ROM存储器以数字形式存储和读取数据的特性，需将获取的弹丸轮廓曲线转换为对应的波形幅度数据量后进行存储调用。首先对弹丸轮廓曲线进行定间隔抽样，抽样值采用归一化算法进行量化，其量化值与1 023的乘积即为弹形轮廓数据对应的波形幅度数据量，数据范围在0～1 023之间，由数模转换芯片的转换位数确定，不同波形幅度数字量对应不同输出电压。利用Matlab将生成的波形幅度数据量转换为QuartusⅡ软件可以读写的Mif初始化波形文件，调用宏功能模块LPM-ROM，设定位宽、字节深度完成各ROM存储器中的数据存储，测试时可由地址发生器产生的地址对ROM存储器寻址，依次取出存储数据送至DA转换后，输出对应的模拟弹丸过幕输出波形。

3.2 LED调光电路设计

针对实弹过幕时间短、光幕触发速度快等测试需求，模拟弹丸过幕信号源选用易驱动、发光稳定、响应速率快的发光二极管(LED)作为光信号源。由LED的I—V特性知，LED正向导通后微弱的电压变化都会导致电流剧烈变化，其电流大小决定LED发光亮度，若电流过大可直接烧坏LED[13-14]，研究采用电流驱动形式进行LED调光。

LED点光源1、LED点光源2的调光电路相同，LED点光源1的调光电路如图6所示，双路10位电压输出型数模转换芯片AD5312可将ROM中存储数据转换为模拟量，控制输出电压值变化，TL431芯片为其提供2.5 V的基准电压。结合选用LED的工作电压范围，采用LM358双路运放芯片的第一路运放对DA输出电压进行二倍放大；第二路运放对LED进行电流驱动，其中运放输出端接AO3401场效应管，其在高电平截至，低电平导通。通过比较第二路运放同相端的输入电压与反相端输入的反馈电压大小，判定AO3401处于截至还是导通状态，控制LED负载电阻R7上的电流恒定，即控制流过LED的负载电流恒定，该负载电流的幅值受同相端输入电压控制，调光电路通过调节DA输出的电压值，改变LED工作电流，实现LED发光亮度控制。

图6 LED调光电路Fig.6 Circuit of LED light energy control

3.3 逻辑电路设计

模拟弹丸过幕信号源的总体逻辑电路设计如图7所示。

图7 逻辑电路设计框图Fig.7 Flow chart of logic circuit design

DA控制器接收外部输入的弹形选择信号及矩阵按键置入的两路信号的延时间隔，当人机交互界面确定按键被按下时，DA控制器先通过指令判断数据的输出通道，开始以SPI(serial peripheral interface)传输协议发送对应波形ROM中的存储数据至选择通道，同时触发计数器按矩阵按键置入延时间隔开始计数，待计数到置入时间，触发DA控制器的另一通道发送波形ROM中的存储数据，直至存储数据发送完毕。

DA控制器为逻辑电路设计的核心控制模块，其传输速率由模拟弹丸过幕信号源中不同弹形的波形持续时间决定，波形持续时间即弹丸过幕时间，由弹丸长度、光幕厚度、弹速确定，由文献[15]中幕厚分布规律研究知，天幕立靶焦距为85 mm、光圈为1.8、狭缝宽度为0.4 mm、物距为1.5 m、镜头距接收屏距1 m时幕厚为26 mm，最终计算确定各弹形的波形持续时间最小时间单位为10 ns，可由锁相环PLL对系统50 MHz时钟倍频产生，同时在此频率下对两路信号的延时时间进行计数，计数精度同为10 ns，最长延时时间0.999 s，满足响应时间测量的精度要求。

4 试验验证

为验证设计测试装置的可行性与稳定性，对模拟弹丸过幕信号源配合示波器进行功能测试。图8为模拟7.62 mm弹过幕的LED控制信号波形信号图，其中两路波形的延时时间设置为500.0 μs，调试结果表明，输出波形及两路信号延时间隔均与设定波形和时间相吻合，电路工作正常可靠。

图8 7.62mm弹测试波形图Fig.8 Test waveform diagram of7.62mm projectile

基于上述室内模拟验证基础，使用所设计的模拟弹丸过幕信号源测试装置验证天幕立靶6个探测光幕的响应时间一致性，按照文中所述方法进行试验，其中弹丸过幕信号输出的两路波形信号的延时间隔分别设置为500.0 μs和1 000.0 μs进行两组测试试验，信号采集与处理仪记录幕面1与其余5个幕面的输出过幕信号时间间隔，表1中所示的测试结果为多次试验求取的平均值。

表1 6个光幕响应时间一致性测量数据

测试结果表明，输出两路信号时间间隔与设定时间间隔差值均小于1 μs，满足天幕立靶0.1%的测试精度下对响应时间的精度要求，验证了天幕立靶的6个光幕响应时间一致。

5 结论

本文针对天幕立靶中6个光幕的响应时间一致性测量问题，设计了一种高精度模拟弹丸过幕信号源测试装置及配套的测量方法，其结论如下：

1) 依据实弹过幕输出信号特性，通过图像处理，准确获取各种常规测试弹形的外围轮廓数据，将其量化后导入ROM存储器，完成常规弹形轮廓数据库建立；

2) 通过调用存储在ROM中的弹丸轮廓数据，改变调光电路中DA输出电压值，以控制LED的工作电流实现光源亮度调节，模拟弹丸穿过光幕时的光能量变化；

3) 经试验验证，6个光幕响应时间一性测量误差小于1 μs，设计测量方法及测试装置能够应用于天幕立靶光幕响应时间一致性测量。