B571光学靶射击密集度参数测量系统改造设计*

马时亮，曾祥伟，王　凡，倪晋平，李　海

(1.西安工业大学 陕西省光电测试与仪器技术重点实验室，西安 710021；2.黑龙江北方工具有限公司，牡丹江 157000)



B571光学靶射击密集度参数测量系统改造设计*

马时亮1，曾祥伟2，王凡1，倪晋平1，李海1

(1.西安工业大学 陕西省光电测试与仪器技术重点实验室，西安 710021；2.黑龙江北方工具有限公司，牡丹江 157000)

针对进口设备B571光学靶测试系统后端信号采集与处理部分故障后无法工作的问题，设计了一种采用数据采集装置的技术升级方案.方案包括硬件、软件和结构参数识别算法，硬件包括四通道数据采集装置和信号隔离仪，通过软件实现弹丸过幕信号的数据采集与处理，采用识别算法获取光学靶光幕探测传感器阵列结构参数.改造后的硬件和软件配合B571光学靶光幕探测传感器阵列，实现小口径弹丸射击密集度参数测量.实弹射击对比结果表明：射击密集度参数的测试误差小于1 mm，满足实际靶场试验要求.文中研究的方法可以用于一类四光幕阵列光学靶的技术改造或升级.

射击密集度;B571光学靶;数据采集;参数识别

在常规轻武器研制和生产的外弹道参数测量领域，经常需要检测枪械和弹丸的射击密集度参数.针对该参数的测量，国内通常采用纸板靶[1]、声学立靶[2]、CCD立靶[3-5]和光幕阵列立靶[6-9]等方法.纸板靶法直观，测量简单，但劳动强度大，人工作图计算容易引入人工测量误差；密集度参数自动测试系统[2-9]，设备精密，测量精度高，能快速获取测量结果.2000年以前，国内还没有出现自行研制的密集度参数自动测试系统，主要依赖进口.当时，国内靶场使用较多的是奥地利AVL公司的B571光学靶.B571光学靶是一种测量飞行弹丸着靶坐标的光电测试仪器，用于测量轻武器的射击密集度参数，亦称精度靶.

近年来，国内许多研究人员对密集度参数测试技术进行了广泛研究.文献[1]研究了四光幕交汇立靶坐标测量原理，使用测时仪记录弹丸穿过四个光幕的时刻，推导了校准公式；文献[2]研究了平面双等边三角形声传感器阵列测量原理，通过解三角形求得弹着点的坐标测量公式，但测量误差较大；文献[3]利用两台CCD相机构建了密集度参数测量模型，提出了一种新的数学模型，研究了图像分析算法，测量精度高，可以连发测试；文献[4]提出了一种单线阵CCD相机配合两个一字线激光器组成的双目标同时着靶测量方案，研究了测量原理及测量公式，分析了测量精度，能实现两发弹丸同时着靶的参数测量；文献[5]采用光电二极管和线阵CCD图像传感器构建了一体化四组合光幕阵列，推导了测量公式；文献[6]研究了射击密集度光电立靶测试系统的测量原理和计算公式，实现了密集度参数的自动测量，但射击时必须垂直入射.

某单位于2002年引进B571光学靶后，一直作为射击密集度参数测试的骨干设备.经过十多年使用，该设备由于器件老化、后端信号处理部分故障，已无法正常工作.经检查操作计算机与前端传感器通讯线路故障，导致测试系统无法工作，但前端四光幕传感器部分工作正常，弹丸穿过后能正常输出模拟信号.由于缺乏技术资料，且返厂维修成本高.针对以上问题，本文提出了一种对后端数据采集与处理部分进行改造升级的方案，利用高速数据采集卡设计了一种信号采集与处理系统，研究了精度靶结构参数识别算法，配合B571光学靶的前端部分，实现了B571光学靶的功能恢复.

1　B571光学靶工作原理及技术升级方案

1.1B571光学靶工作原理

B571光学靶测试系统包括四光幕探测传感器和信号采集与处理两部分，四光幕探测传感器构成测试系统的前端部分，如图1所示.信号采集与处理部分构成测试系统的后端部分，如图2所示，包括B571-TR时间记录仪、计算机和处理软件.光幕探测传感器由发光二极管阵列和光电二极管阵列组成[8]，实现对穿过其探测区域飞行弹丸的探测.图1中，四个光幕传感器按一定阵型组成阵列，其中平面AOBC组成启动光幕，平面AOFG组成X光幕，平面DOBG组成Y光幕，平面DEFG组成停止光幕.O1O2是预定弹道，启动光幕和停止光幕相互平行，并与预定弹道垂直，启动光幕和停止光幕间的距离为S.X光幕与启动光幕的夹角∠GAC=α，Y光幕与停止光幕的夹角∠BGF=β.当飞行弹丸沿 O1O2方向垂直穿过启动光幕和停止光幕，同时也穿过X光幕和Y光幕，其虚拟的弹孔位置依次为T1,T2,T3和T4.

时间记录仪记录弹丸穿过四个光幕的时刻t1,t2,t3和t4，上述数值经过RS485通讯线缆送入后端的处理计算机.

图1　B571光学靶探测传感器组成

图2　B571光学靶信号采集与处理组成示意图

假设t1=0，则理想的四光幕精度靶坐标测量模型的数学公式[10]表达式为

(1)

(2)

式中：S为启动光幕和停止光幕之间的距离；α为启动光幕与X光幕之间的夹角；β为停止光幕与Y光幕之间的夹角.处理软件根据一组测量得到的弹丸着靶坐标，计算得到密集度参数，并同时对结果保存、显示.

从式(1)～(2)可以看出，弹丸着靶坐标与精度靶结构参数S,α和β以及弹丸过幕时刻t2,t3和t4有关.反之，若已知弹丸的着靶坐标x，y,t2,t3,t4和S，则精度靶的结构参数α和β即可精确求出.

1.2故障分析与升级方案设计

检查B571光学靶，上电后实弹射击，用示波器采集四个光幕输出的信号，发现模拟信号(AC)和数字信号(PULSE)均正常，而与之配套的数据采集与处理部分不工作；操作软件运行正常.检查电路发现，计算机与时间测量仪通讯故障，数据无法传输.由于厂家未提供详尽技术资料，无法修复.针对上述情况，采用B571光学靶前端传感器阵列部分，更换后端的信号采集与处理部分，直接采集光幕阵列输出的模拟信号或者数字信号.改造后的后端数据采集与处理部分包括硬件和软件，硬件由信号转接盒、信号隔离仪、数据采集卡和计算机组成[10]，系统组成如图3所示.信号转接盒接收B571光学靶输出的四路信号，并将整合处理后的信号通过多芯屏蔽线缆送入信号隔离仪[11]；信号隔离仪将光幕传感器输出的电信号与后端处理部分隔离，并经电平适配后送给数据采集卡.采集卡为凌华公司的PCI 9812四通道高速数据采集卡，该采集卡具有单通道最高20 MHz的采样率和12位分辨率，每个通道具有独立的A/D转换器，四个通道同步采集，设计采样率为1 MHz.

图3　改造后的B571光学靶测试系统组成示意图

软件使用Visual Basic 2005语言编程设计，包括数据采集、数据处理、测量参数计算和数据管理等模块，实现过靶信号的数据采集、弹形信号识别、过幕时刻计算以及弹丸信号波形显示，并根据B571光学靶的结构参数，计算弹丸着靶坐标与飞行速度.

由于B571光学靶的部分结构参数未知，还需要研究结构参数识别算法，根据实弹射击数据解算结构参数，方可构成完整的测试系统，实现密集度参数的测量.

升级后的硬件直接采集光幕信号，提取的弹丸穿过各光幕的时间比原先的时间记录仪精度高，存贮的记录波形可以复现，能够分析异常弹丸.计算机采用最新操作系统和硬件配置，并可根据产品试验要求针对性地编制试验流程与报表软件.

2　数据采集与处理软件设计

2.1数据采集

数据采集卡按照一定的采样频率采集传感器输出的弹丸模拟信号，根据弹丸速度和启动光幕与停止光幕间的距离，可以确定采集卡的最小采样点数.由采样定理可知，采样频率必须大于模拟信号中最高频率的2倍，采集的数字信号才完整保留了原始模拟信号的信息.从理论上讲，系统测量精度随着采集频率的增加而提高，但当采样频率达到某一临界值后，再提高采样频率，系统测量精度提高不明显.在工程实际应用中，针对常规制式弹，采样频率一般设置为1 MHz；对弹速较低、长度较长的弹丸，还可以设置更低的采样频率，以减少后续的数据处理量.此外，还需要设置采集卡的触发通道和触发电平，当指定的触发通道达到预先设定的触发电平时，采集卡开始工作.

假设某型号枪弹速度为300 m·s-1，启动光幕和停止光幕间的距离为0.72 m.根据测量公式ΔT=s/v，并结合工程实际经验，采集卡参数设置如下：采样率为1 MHz，采样点数为45 000个，触发通道选择启动光幕对应的采集卡的第一个通道，触发电平为1.5 V.

数据采集系统开始采集数据前，首先设置采集卡工作参数.参数正确配置后，启动采集卡采集数据，并同时等待启动光幕的触发信号.当启动光幕传感器输出的弹丸信号幅值达到采集卡触发电平V0时，采集卡记录负延时采样点数M，并继续采集数据.当采集到预先设定的采样点数(M+N)后(N为触发信号到达后的采样点数)，采集卡将采集数据传入计算机，数据采集结束.

2.2弹形信号识别与过幕时刻计算

2.2.1数据预处理与弹形信号识别

数据处理模块接收到数据采集卡传入的弹丸波形数据后，首先对数据进行平均滑动滤波预处理，滤除由激波和冲击波带来的干扰信号.然后，软件结合弹形信号特征，设置弹丸信号识别电平阈值V′以及弹丸过幕的最短时间宽度TL和最长时间宽度TH，判断信号幅值是否大于阈值V′，满足条件后再判断该信号的过幕时间是否在(TL,TH)范围内，同时满足这两个条件的信号即被识别为弹形信号.最后，再依次判断该通道其他信号是否为弹形信号.判断完毕，信号识别结束.

2.2.2过幕时刻计算

由于电路特性和弹丸飞行姿态的影响，弹丸穿过光幕传感器产生的弹形信号不完全一致，通过弹尖触发、弹底触发或峰值触发的方式计算得到的过幕时刻存在误差.在数据处理模块，通过对弹丸过幕时刻的计算引入相关分析算法[12]，降低了由于信号不一致带来的时间测量误差，提高了时间测量精度.

四个通道的弹形信号被全部准确识别后，以第一通道的弹形信号作为基准，即令弹丸穿过启动光幕的时刻t1=0，通过相关分析算法精确计算弹丸穿过其他三个光幕的时刻值；再结合光幕阵列结构参数，通过式(1)～(2)即可计算弹丸着靶坐标.

3　结构参数识别算法

B571光学靶的结构参数包括两类：① 启动光幕和停止光幕间的距离S；② 光幕间的夹角α和β.S通过钢板尺直接测量得到，光幕夹角α和β则需要间接测量实弹射击结果，通过反推求解得到.

直接测量纸靶弹孔坐标，得到射击弹丸的实际弹孔坐标记为(xz(i),yz(i))；通过数据采集系统获取的弹丸过幕时刻值为T1,T2和T3，其中T1为弹丸穿过启动光幕的时刻，T2为弹丸穿过X光幕的时刻，T3为弹丸穿过Y光幕的时刻，T4为弹丸穿过停止光幕的时刻.设弹丸穿过测量坐标系的坐标位置[9]记为(xc(i),yc(i))，则有

(3)

(4)式中：t2(i)=T2(i)-T1(i)；t3(i)=T3(i)-T1(i)；t4(i)=T4(i)-T1(i)；i为射击弹丸的序号.

纸靶坐标系与测量坐标系不一定严格平行，且可能存在一定的旋转角度，但两发弹着点间的距离不变，所以可采用两点间的距离识别测试系统的结构参数.当弹丸垂直入射时，任意两发弹的着靶位置之间的距离在不同的坐标系中相等，即

(5)

其中i和j为弹丸的射击序号.

从一组射击弹丸中任意选择两发弹丸的纸靶坐标代入式(5)，可得如下方程：

(6)

4　实弹试验及结果分析

试验1：在某试验靶场靶道，沿弹道线方向布放一套B571光学靶，并准备连接好数据采集装置.在B571光学靶的后面50mm处竖立一块与之平行的纸板靶，纸板靶上贴有坐标纸.射击时保证弹丸垂直入射光学靶的启动光幕和纸板靶.用钢板尺手工测量光学靶的启动光幕和停止光幕间的距离S=0.72×103mm.

射击前，启动数据采集系统，专用软件记录各发射击弹丸的过幕时刻.试验以10发弹丸作为一组，纸靶坐标系和测量坐标系均以第一发弹着点作为坐标原点.假设：第1发弹丸的坐标为原点，水平向右为X轴正向，竖直向上为Y轴正向.根据坐标纸上射击弹丸的弹孔位置，依次测量其余弹丸相对原点的坐标，并分别记为(xz(i),yz(i)).一组10发射击弹丸的试验测试数据及纸靶测量结果见表1.

表1　试验测试数据及纸靶测量结果Tab.1　Test data and measurement results of paper target

实验结果表明，根据纸靶坐标以及与之对应的测量时间，利用结构参数识别算法求得结构参数α=19.6°,β=19.5 °.

试验2：试验布放和要求同试验1，将识别得到的结构角度参数α,β和手工测量的距离参数S输入数据采集系统的软件，通过一组10发射击弹丸的试验结果，计算纸靶坐标和测量坐标的差值及其组平均值.表2为纸靶坐标、测量坐标及对比结果.

表2　试验数据及对比结果Tab.2　Test data and comparison results

实验结果表明，从表2的测量坐标与纸靶坐标的对比数据可知，测量坐标与纸靶坐标的平均差值不超过1 mm，经过辨识得到的光学靶结构参数满足密集度参数测量的国军标要求.

5　结 论

本文针对某单位进口的B571光学靶测试系统故障后无法使用的情况，提出了一种对后续信号采集与处理部分的技术升级改造方案，设计了数据采集系统的硬件，研究了结构参数识别算法，编制了专用处理软件.利用B571光学靶的前端探测部分，实现了弹丸射击密集度参数的精确测试.技术升级后的设备经实弹射击验证，运转正常，能够测试该单位现有的制式弹丸，密集度参数测试误差不超过1 mm.本文提出的技术升级方案，不仅能恢复B571光学靶后端信号采集与处理部分的功能，而且提高了弹丸过幕时刻值的测量精度，对国内同类设备的研制和技术升级具有较高的参考价值.

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ZHI Xiaojun,NI Jinping,TIAN Hui,et al.Application of Cross-correlation Analysis Techniques in Velocity Measurement of Light Screen[J].Journal of Detection & Control,2005,27(1):44.(in Chinese)

(责任编辑、校对潘秋岑)

Design of Firing Dispersion Parameter Measurement System of B571 Optical Target

MAShiliang1,ZENGXiangwei2,WANGFan1,NIJinping1,LIHai1

(1.Shaanxi Province Key Lab of Photoelectric Measurement and Instrument Technology,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China;2.Heilongjiang North Tool Co.,Ltd.,Mudanjiang 157000,China)

While the signal processing of B571 optical target measurement system of an imported device failed to work normally,an technology upgrading program based on the data acquisition equipment is designed.The solution includes the hardware,the software and the algorithm of identifying the structure parameters.The hardware includes the data acquisition equipment and the signal isolation instrument for four channels.The special software is used to acquire and process the projectile signals.The identifying algorithm identifies the structure parameters of the B571 optical target.With the detecting array of B571 optical target light-screen,the improved system achieves the measurement of firing dispersion parameters of small caliber projectiles.The result of field firing shows:Compared with the paper target,the errors of the firing dispersion parameters of the upgraded system are less than 1mm.The solution can be used for technical transformation or upgrading of a kind of four-light-screen array optical target.

firing dispersion;B571 optical target;data acquisition;parameter identification

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.08.002

2016-02-25

国家自然科学基金(61471289)；陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(14JS035)；西安工业大学校长基金(XAGDXJJ1001)；西安工业大学“兵器光电测试技术及仪器”科研创新团队建设计划

马时亮(1979-)，男，西安工业大学讲师，西安理工大学博士研究生，主要研究方向为靶场光电测试技术和自动化测试技术.E-mail:mashiliang@126.com.

1;TJ012.3+6

A

1673-9965(2016)08-0612-06