基于光敏管阵列交汇的空间炸点位置测试系统设计*

2022-01-21武威兴赵冬娥褚文博孟凡军

传感器与微系统 2022年1期

武威兴, 赵冬娥, 张斌, 褚文博, 孟凡军

(1.中北大学信息与通信工程学院,山西太原 030000; 2.中国兵器工业集团第五十五研究所，吉林长春 130000)

0 引言

因此，确定弹体在空间爆炸的三维坐标是靶场测试和弹药性能测试的重要内容[1，2]。目前传统的炸点位置空间三维坐标的测量方法有声学测量法[3]、双电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)交汇测量法[4～7]、光电测量法[8～11]等。但针对在密闭环境测量炸点位置空间三维坐标，传统的声学测量法其声探测器检测到的信号为目标爆炸声波经墙壁吸收、反射的叠加，必然会对测量结果产生影响，直接导致对炸点的定位不都准确[12];双CCD交汇测量法需要两台面阵CCD高速相机，响应速度在微秒(μs)级别，并且价格昂贵，在密闭空间内易被爆炸的破片损坏[13]。

本文采用光敏管阵列，光敏管响应速度在50～100 ns之间，当弹体在舱室内爆炸，产生的火光第一时间经光学镜头传送至光敏管阵列上，其阵列的部分传感器对爆炸的火光信号产生响应，经由信号调理电路将其放大并整形，由光信号转变成电信号经由现场采集存储装置采集并传输至上位机，根据两个光敏管阵列中响应的光敏管的坐标，经过数学建模后，可计算出炸点在空间内的三维坐标。

1 系统组成

系统包括炸点位置光敏管阵列探测模块、信号调理电路、现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)采集与发送模块、数据处理四部分组成。系统组成如图1所示。炸点位置利用两个光敏管阵列模块交汇构成三维空间定位测量。其中，光敏管阵列探测模块包含广角镜头与光电二极管阵列构成；信号调理电路包含电压放大电路、阈值判断电路、FPGA程序设计模块包含信号采集与串口通信。

图1 系统组成

2 炸点位置测量原理

利用两台光敏管阵列模块来测量炸点的三维空间位置。当弹体在空间内爆炸时，产生的火光信号经由镜头汇聚至光敏管阵列上，其阵列的部分传感器对爆炸的火光信号产生响应，经由信号调理电路将其放大并整形，由光信号转变成电信号经由FPGA采集并传输至上位机。根据两台光电传感器阵列中响应的光电传感器的坐标，可以得到炸点在空间内的三维坐标.其数学模型如图2所示。两个光敏管阵列探测模块对称分布，分别为S1，S2站。S为两站之间的中心距离,又称基线距离。

图2 炸点位置测量原理

坐标系Oc-XcYcZc为定坐标系；Z1O1Y1,Z2O2Y2分别为S1,S2两站光敏管阵列上的动坐标系；P为空间炸点位置；m为两探测点光轴的交点，P1,P2为P点在两系统传感器阵列中传感器的响应位置；αmi,(i=1,2)分别为两探测点光轴的方位角；βmi，(i=1,2)分别为两探测点光轴的高低角。则P点的空间坐标为

(1)

式中α1，α2分别为炸点对探测点S1，S2的方位角；β1，β2分别为炸点对探测点S1，S2的高低角。由式(1)可知，测得基线长度S后，根据α1，α2，β1，β2即可求出炸点坐标。因此，求解坐标的关键是坐标系之间的角度对应关系。如图3所示为系统光敏管阵列的坐标系与实际炸点的坐标系之间的关系。

图3 测量角度原理

其中，z1，y1为炸点在光敏管阵列上的坐标，由图3所示的几何关系可得式(2)[14]

(2)

式中i=1，2,将得出的α1，α2，β1，β2代入式(1)，即可求得炸点坐标。

3 光敏管阵列设计

焦距越短视场角越大，为保证两光敏管阵列交汇覆盖密闭空间，因此要选择焦距较小广角镜头。如图4所示，d为最大视角；H为光敏管阵列尺寸；l为探测器距离平面ABC的垂直距离。

图4 光敏管阵列尺寸计算

为了节省光敏管电路路数，图5中黑色位置的光敏管采用纵向编组方式，白色位置的光敏管采用横向编组方式。纵向编组方式是指{(aib1，aib3，aib5，…,aibj)，共构成(2j-1)路并联光敏管组；横向编组方式是指b2，b4,b6,…，b2n行，每行白色位置光敏管并联连接，例如(a1b2,a2b2,a3b2,…,akb2)位置处的光敏管并联连接，形成一个并联光敏管组，共构成k路并联光敏管组。假设图5中b18横向并联光敏组产生信号，a2黑色纵向编组并联光敏组产生信号，那么图5中所标记的便是光敏管阵列中的一处坐标点。

图5 光敏管阵列设计

4 FPGA程序设计

系统选用FPGA作为逻辑控制核心，FPGA采样频率设置为200 MHz，如图6所示，光敏管触发产生的信号经过信号调理电路传输到FPGA的IO口， IO口有触发时，采集此时所有IO接口对应的数值，由RS—485接口接收上位机指令。经对接收到的指令信息进行解析，FPGA接收到数据后，将其存储至FLASH中。当FPGA接收到指令时，读取FLASH中的数据，同时通过RS—485接口上传至上位机进行显示及处理[15]。

图6 FPGA设计框图

5 实验结果与分析

如图7所示，将两个光敏管阵列分别放在基线的两端，将FPGA与电脑端相连，使用频闪灯模拟弹体的爆炸火光，当频闪灯闪烁一次时，光敏管接收到光信号，通过信号调理电路处理，被FPGA采集，数据发送至上位机。

图7 实验验证装置

上位机接收数据为：

001100000000001100,000001100001100000。

前18位左边光敏管阵列接收数据，从低位至高位分别为横向光敏管(b18,b16,…，b4,b2)，纵向光敏管组{(aib1，aib3，aib5，…，aib17)}对应输出,后18位为右边光敏管阵列接收数据，其数据对应同左边光敏管阵列一致。将数据对应至光敏管阵列，由图8可得左边光敏管阵列坐标为(5，5)mm，右边光敏管阵列坐标为(-5，-5)mm,已知αm1=αm2=βm1=βm2=45°，基线长度S=3 m,焦距f=20 mm代入式(1)、式(2)求得炸点坐标为(1.43,2.26,0.52)m。炸点位置如图9所示。