基于多脉冲激光的弹药姿态测试系统研究*

贺 翾,常 磊,任 勐,李 琳,贾养育

(中国兵器工业第203研究所,西安 710043)



基于多脉冲激光的弹药姿态测试系统研究*

贺 翾,常 磊,任 勐,李 琳,贾养育

(中国兵器工业第203研究所,西安 710043)

弹药飞行姿态和战斗部破片威力测量是武器系统研制中非常关心的问题,影像测量是一种非常直观可信的方法,然而由于火光的影响,普通高速摄影容易曝光饱和,无法得到火光中的弹丸影像;而且对于高速运动弹丸,普通高速摄像还会造成弹丸影像模糊拖尾。文中介绍了一种多脉冲激光弹药姿态测试系统,可以排除强烈自发光的干扰,获得清晰的高速弹丸影像。通过试验验证,该测量系统有效可靠,能够较好的满足武器系统威力瞬态测试需求。

多脉冲激光;正交摄影;瞬态测试;同步控制器

0 引言

在反坦克导弹、火箭弹和末敏弹药等战术武器战斗部的研制和定型试验中,最为重要的是战斗部的瞬态工作过程研究,如战斗部着靶前姿态、穿甲过程、破甲过程、弹丸爆炸过程及高速射流和破片的飞行过程。目前常用的测试研究手段是高速摄像,然而战斗部的瞬态工作过程往往具有以下特点[1]:

1)目标运动速度快,如高速动能武器速度超过1 500 m/s,爆炸破片速度可达3 000 m/s,射流速度最快可以达到10 000 m/s;

2)持续时间极短,如弹丸的穿甲过程和破甲过程通常只有数百微秒;

3)常常伴有强烈的自发光,如爆炸火光和高速碰撞火光等。

因此要求光电成像记录系统要有足够短的曝光时间、足够高的记录帧频并具有克服强烈自发光的能力,常规的高速摄影系统很难有效记录这些瞬态过程的影像变化,无法满足战斗部威力的高精度测试要求。

目前,适合自发光条件下的高速摄影系统主要有以下几种:胶片式激光超高速摄影系统、激光数字高速摄影系统、多脉冲激光姿态测试系统、X光摄影系统等。其中,X光摄影系统有很强的穿透烟雾能力和抗火光能力,但是其缺点是测量范围小,空间分辨率较低,通常不超过10 lp/mm[2],摄影频率也很低,对瞬态过程通常只能单幅拍摄,而且系统庞大结构复杂,防护困难,只适合固定爆炸场所。

激光数字高速摄影系统通常采用大能量的高频激光脉冲作为照明光源,普通高速摄像机作为图像记录设备,在高精度的同步系统控制下,使激光脉冲在高速摄影机很短的曝光时间内曝光,由于曝光时间很短,所以自发光的曝光量很小,有效的曝光量几乎全由激光决定,同时配备窄带干涉滤光片,可有效排除自发光的影响。激光脉冲时间很短,通常为十几纳秒,对于高速运动目标可以瞬间曝光冻结,从而获得高速运动目标清晰的瞬间影像,解决了普通高速摄影对高速运动目标的拖尾模糊现象。但是普通高速摄像机的摄像频率和空间分辨率成反比关系,在高速应用时空间分辨率会降低,因此,激光数字高速摄影系统有它的明显优点也有相应的不足。

多脉冲激光姿态测试系统利用激光作为照明光源,使用国际高性能高分辨率专用CCD相机作为图像记录设备,单幅成像多次曝光,既提高了摄影频率又保证了空间分辨率,使测试精度大大提高。下面对该测试系统进行详细介绍。

1 系统工作原理

多脉冲激光姿态测试系统主要用于室内固定靶道或爆炸洞场所,用于高速运动目标空间姿态的高精度测试,系统包括多脉冲激光照明光源、两台高分辨率CCD相机(正交布置)、两套姿态测试光路调节装置、正交反射屏、同步控制器以及触发启动靶等。

多脉冲激光姿态测试系统原理如图1所示,当运动物体经过触发启动靶时,产生一个触发信号,启动同步控制器中的时序控制电路并给出3路延时输出脉冲:第一路延时输出脉冲串控制激光器的多次闪光(两次或3次);第二路延时输出脉冲控制一个方向的CCD相机曝光时序(对应激光器多次闪光,即单幅成像多次曝光);第三路延时输出控制另一个方向的CCD相机曝光时序(对应激光器多次闪光,即单幅成像多次曝光)。同步控制器向激光器发出第一路脉冲串触发信号后,激光器经过固有延时,产生相应激光脉冲串,激光经过五五分光后,再由两根导光光纤束将两束激光分别导入两个发散镜,照明运动物体。两路CCD相机在各自的触发输入作用下,在激光光源发出每一个激光脉冲之前,CCD相机开启电子快门,激光脉冲过后立即关闭电子快门,激光脉冲串结束后,一幅图像完成,那么在同一个图像中就可以获得对应激光脉冲数目的目标影像。照相结束后,两个正交CCD相机获得的运动物体阴影图像经计算机进一步处理,可以得到运动物体的运动姿态、速度等参数。

姿态角计算如图2所示。

X轴为沿弹丸飞行方向的水平方向,正方向为弹丸飞行方向;Y轴为垂直方向,朝上为正。Z轴为水平方向,水平向右为正。α为弹丸在垂直面即XOY面的投影与X轴的夹角,即弹丸俯仰角;β为弹丸在水平面即XOZ面的投影与X轴的夹角,即弹丸偏航角。(X1,Y1)、(X2,Y2)为弹丸特征点在CCD相机(侧)所成阴影图像在XOY平面内坐标;(X1,Z1)、(X2,Z2)为弹丸特征点在CCD相机(上)所成阴影图像在XOZ平面内坐标。

图1 多脉冲激光姿态测试系统原理图

图2 姿态角计算模型

由正交方式下两CCD相机所得图像上,可直接读出弹丸对应特征点像素坐标(x1,y1)、(x2,y2)、(x1,z1)、(x1,z1)。考虑到XOY平面,像素坐标x轴方向与空间坐标X轴方向一致,像素坐标y轴方向与空间坐标Y方向正好相反,Y方向像素总数为4 408个;而在XOZ平面,像素坐标x轴、z轴方向与空间坐标X轴、Z轴方向都一致,故:

在XOY平面,有:

X=αx,Y=α(4 408-y)

(1)

在XOZ平面有:

X=αx,Z=αz

(2)

式中,X、Y、Z为弹丸图像特征点坐标,x、y、z为弹丸图像特征点像素坐标。a为像素尺寸,本系统相机中,a=0.005 5 mm。

由空间几何关系可知,弹丸俯仰角α为:

(3)

弹丸偏航角β根据以下公式计算:

(4)

弹丸特征点像素坐标(x1,y1)、(x2,y2)、(x1,z1)、(x2,z2),可通过图像直接读出。由式(3)、式(4)可计算出弹丸俯仰角α及偏航角β。

多脉冲激光姿态测试系统的突出特点是:多次曝光、单幅成像、正交摄影,可以在一幅图像上快速获取同一目标的两个或3个曝光时刻的高速运动目标阴影像,实现对高速和超高速飞行弹丸的弹道特性、空间飞行姿态、速度等参数的测试,CCD相机镜头加激光滤光片,曝光时间短,抗自发光干扰能力强,系统的空间分辨率高达2 900万像素,测试精度高。

主要性能指标:

摄影视场范围:不小于1 m×1.5 m;

激光脉宽:<20 ns;

激光光源工作波长:532 nm;

相机分辨率:2 900万像素。

2 系统组成及功能

2.1 多脉冲激光照明光源

多脉冲激光照明光源由多脉冲激光头、激光电源、封闭式水冷却系统、高速电光调Q驱动等组成。封闭式水冷却系统和高速电光调Q驱动放置在激光头壳体中,激光输出通过激光头前端的法兰与光纤耦合器相连,通过光纤传输为CCD相机提供照明光源[3]。激光电源单独一个箱体。

多脉冲激光照明光源的工作原理如图3所示,多脉冲激光头用于产生1 064 nm的激光,激光电源为激光器出光提供驱动能源,封闭式水冷却系统为氙灯降温,高速电光调Q产生所需要的激光脉冲宽度。倍频晶体将1.064 μm的激光倍频为532 nm的绿光。

图3 多脉冲激光照明光源原理框图

激光电源给氙灯放电提供电能,氙灯的强光辐射被YAG晶体吸收。YAG晶体吸收光辐射后,使其产生粒子数反转,将能量以激活粒子的形式存储在工作物质的高能态上,经过一定延时,当其达到最大值时将Q开关打开,腔内将很快建立起极强的激光振荡,使激光上能级的能量转变为腔内的光能量,形成调Q巨脉冲激光输出[4]。激光头光路图如图4所示。

图4 激光头光路图

YAG激光晶体产生的光波长为1 064 nm,为不可见光,为提高照相感光度,将1 064 nm的激光进行倍频,将其倍频为感光度较高的532 nm绿光。

2.2 姿态测试光路调节装置

姿态测试光路调节装置用于将CCD相机视场和激光发射视场通过一45°放置的半透半反平面镜耦合一致,从而使激光对目标的投射阴影像和相机对目标的投影像合二为一。

姿态测试光路调节装置如图5所示。

图5 姿态测试光路调节装置

半透半反镜两个光学面在可见光范围内一面镀增透膜,另一面镀半反半透分光膜(零件45°放置如图5),半透半反镜完成激光视场和CCD相机视场的合成。

发散镜用于将导光光纤传送的激光束发散输出,激光经半透半反镜反射照亮摄影视场。发散镜采用3块负透镜组合将导光光纤送来的激光束发散,镜筒内连接导光光纤。

发散镜结构如图6所示。

图6 发散镜结构

CCD相机选用6 600像素×4 400像素高分辨率,如图7所示。其最小曝光时间远远低于同类产品,在减小枪炮口烟焰方面有无可比拟的优势。

图7 高分辨率CCD相机

主要特性参数为:

像素尺寸:5.5 μm×5.5 μm

像素数:2 900万

曝光时间:最小6 μs

工作模式:自由运转,外触发(可选)。

2.3 同步控制器

同步控制器用来协调多脉冲激光光源和两台CCD相机同步工作,保证每个激光脉冲分别落在各CCD相机的短快门曝光之内。同步控制器工作时接收一路同步触发信号,在同步触发信号作用后分别产生多路不同延时的脉冲串信号,这些多路脉冲信号按照预定的时序分别控制多脉冲激光光源和CCD相机工作。同步控制器是整个系统的重要分系统之一,要求10 ns的同步精度。因此,在设计中利用FPGA技术进行开发,因为FPGA支持工作频率高(可以达到百兆赫兹),适用于逻辑时序的控制,设计也灵活简单[5]。

同步控制器主要由FPGA、单片机、信号调理电路、键盘和液晶显示屏组成,如图8所示。摄影前,手动通过键盘设定各种参数,并将参数显示在液晶屏幕上,设定完成后,单片机将参数发送给FPGA,FPGA进入等待状态,一旦FPGA接收到外部触发信号,将产生控制激光器和CCD相机的各种预定脉冲信号,从而使整个摄影系统协调工作。

图8 同步脉冲控制器组成框图

3 试验测试效果

多脉冲激光姿态测试系统在弹道姿态测试和战斗部爆炸破片速度测试方面有较好的应用价值,并获得多次试验验证。

图9给出的是多脉冲激光姿态测试系统获取某穿甲弹两次曝光的试验图片,图10给出的是多脉冲激光姿态测试系统获取某穿甲弹3次曝光的试验图片。经图像分析计算软件进一步处理可得到弹丸俯仰角、偏航角及飞行速度。

图9 某穿甲弹两次曝光的试验图片

图10 某穿甲弹三次曝光的试验图片

4 结束语

多脉冲激光姿态测试系统在武器系统威力瞬态测试方面有广阔的应用前景,尤其在枪炮弹丸姿态测试方面有无比的优越性。因其空间分辨率高达2 900万像素,所以拍摄图像清晰可见,测试精度大大提高。本测试系统使用绿色激光作为照明光源,不受自然光的影响,可白天使用也可夜晚使用,可以排除强烈自发光的干扰,获得清晰的高速弹丸影像。试验证明,该测量系统有效可靠,能够较好地满足武器系统威力瞬态测试需求。

[1] 孙卫平, 张西京, 乔明军, 等. 战斗部爆炸瞬态测试系统研究 [C]∥第十三届全国战斗部与毁伤技术学术交流会论文集, 2013: 1300-1305.

[2] 孙卫平, 贾养育, 乔明军, 等. 激光数字高速摄影测试系统研究 [C]∥第十五届全国战斗部与毁伤技术学术交流会论文集, 2015: 1332-1336.

[3] 王瑞, 孙卫平, 李红兵. 基于面阵CCD的激光高速摄影技术在弹道测试中的应用 [J]. 弹箭与制导学报, 2009, 29(5): 271-272.

[4] 李相银, 姚敏玉, 李卓, 等. 激光原理技术及应用 [M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2004: 254-262.

[5] 潘松, 黄继业. EDA技术与VHDL [M]. 3版. 北京: 清华大学出版社, 2009: 156-161.

Research on the Attitude Measure System for Ammunition Based on Multiple-pulse Laser

HE Xuan,CHANG Lei,REN Meng,LI Lin,JIA Yangyu

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710043, China)

Ammunition flight attitude and warhead fragment power measurement are problems that need to be carefully considered in the process of weapon system trituration. The image measurement is very intuitive and credible. However, because of the influence of the flame, ordinary high speed photography is easy to achieve exposure saturation, that it cannot get the projectile’s image in the flame. And for high speed moving projectile, ordinary high speed camera will also cause blur and trailing of the projectile’s image. In this paper, it presents a multiple pulse laser test system, which can eliminate the interference of strong self-illumination, in order to get a clear image of high speed projectile. Through the test, this measurement system is effective and reliable, and it can better meet the demand of weapon system power transient test.

multiple-pulse laser; orthogonal photography; transient test; synchronization controller

贺翾(1986-),男,湖北当阳人,硕士研究生,研究方向:武器系统与运用工程。

TJ06

A

2015-12-23