武威興, 趙冬娥, 張 斌, 褚文博, 孟凡軍

(1.中北大學 信息與通信工程學院,山西 太原 030000; 2.中國兵器工業(yè)集團第五十五研究所，吉林 長春 130000)

0 引 言

因此，確定彈體在空間爆炸的三維坐標是靶場測試和彈藥性能測試的重要內(nèi)容[1，2]。目前傳統(tǒng)的炸點位置空間三維坐標的測量方法有聲學測量法[3]、雙電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)交匯測量法[4～7]、光電測量法[8～11]等。但針對在密閉環(huán)境測量炸點位置空間三維坐標，傳統(tǒng)的聲學測量法其聲探測器檢測到的信號為目標爆炸聲波經(jīng)墻壁吸收、反射的疊加，必然會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，直接導致對炸點的定位不都準確[12];雙CCD交匯測量法需要兩臺面陣CCD高速相機，響應(yīng)速度在微秒(μs)級別，并且價格昂貴，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，當彈體在艙室內(nèi)爆炸，產(chǎn)生的火光第一時間經(jīng)光學鏡頭傳送至光敏管陣列上，其陣列的部分傳感器對爆炸的火光信號產(chǎn)生響應(yīng)，經(jīng)由信號調(diào)理電路將其放大并整形，由光信號轉(zhuǎn)變成電信號經(jīng)由現(xiàn)場采集存儲裝置采集并傳輸至上位機，根據(jù)兩個光敏管陣列中響應(yīng)的光敏管的坐標，經(jīng)過數(shù)學建模后，可計算出炸點在空間內(nèi)的三維坐標。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包括炸點位置光敏管陣列探測模塊、信號調(diào)理電路、現(xiàn)場可編程門陣列(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。炸點位置利用兩個光敏管陣列模塊交匯構(gòu)成三維空間定位測量。其中，光敏管陣列探測模塊包含廣角鏡頭與光電二極管陣列構(gòu)成；信號調(diào)理電路包含電壓放大電路、閾值判斷電路、FPGA程序設(shè)計模塊包含信號采集與串口通信。

圖1 系統(tǒng)組成

2 炸點位置測量原理

利用兩臺光敏管陣列模塊來測量炸點的三維空間位置。當彈體在空間內(nèi)爆炸時，產(chǎn)生的火光信號經(jīng)由鏡頭匯聚至光敏管陣列上，其陣列的部分傳感器對爆炸的火光信號產(chǎn)生響應(yīng)，經(jīng)由信號調(diào)理電路將其放大并整形，由光信號轉(zhuǎn)變成電信號經(jīng)由FPGA采集并傳輸至上位機。根據(jù)兩臺光電傳感器陣列中響應(yīng)的光電傳感器的坐標，可以得到炸點在空間內(nèi)的三維坐標.其數(shù)學模型如圖2所示。兩個光敏管陣列探測模塊對稱分布，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 炸點位置測量原理

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

(1)

式中α1，α2分別為炸點對探測點S1，S2的方位角；β1，β2分別為炸點對探測點S1，S2的高低角。由式(1)可知，測得基線長度S后，根據(jù)α1，α2，β1，β2即可求出炸點坐標。因此，求解坐標的關(guān)鍵是坐標系之間的角度對應(yīng)關(guān)系。如圖3所示為系統(tǒng)光敏管陣列的坐標系與實際炸點的坐標系之間的關(guān)系。

圖3 測量角度原理

其中，z1，y1為炸點在光敏管陣列上的坐標，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)，即可求得炸點坐標。

3 光敏管陣列設(shè)計

焦距越短視場角越大，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為探測器距離平面ABC的垂直距離。

圖4 光敏管陣列尺寸計算

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，a2黑色縱向編組并聯(lián)光敏組產(chǎn)生信號，那么圖5中所標記的便是光敏管陣列中的一處坐標點。

圖5 光敏管陣列設(shè)計

4 FPGA程序設(shè)計

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)生的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路傳輸?shù)紽PGA的IO口， IO口有觸發(fā)時，采集此時所有IO接口對應(yīng)的數(shù)值，由RS—485接口接收上位機指令。經(jīng)對接收到的指令信息進行解析，F(xiàn)PGA接收到數(shù)據(jù)后，將其存儲至FLASH中。當FPGA接收到指令時，讀取FLASH中的數(shù)據(jù)，同時通過RS—485接口上傳至上位機進行顯示及處理[15]。

圖6 FPGA設(shè)計框圖

5 實驗結(jié)果與分析

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

圖7 實驗驗證裝置

上位機接收數(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)對應(yīng)同左邊光敏管陣列一致。將數(shù)據(jù)對應(yīng)至光敏管陣列，由圖8可得左邊光敏管陣列坐標為(5，5)mm，右邊光敏管陣列坐標為(-5，-5)mm,已知αm1=αm2=βm1=βm2=45°，基線長度S=3 m,焦距f=20 mm代入式(1)、式(2)求得炸點坐標為(1.43,2.26,0.52)m。炸點位置如圖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)過交匯測量原理解決空間炸點位置坐標測量，系統(tǒng)光敏管陣列設(shè)計節(jié)省了電路數(shù)據(jù)接收路數(shù)，數(shù)據(jù)處理速度更快，延時更低。相較于傳統(tǒng)聲學測量方法具有抗干擾能力強的特點，相較于雙CCD交匯測量方法具有響應(yīng)時間快，價格便宜等特點。