大量程高射頻火炮自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)試系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)

李世偉，劉　吉，張　斌，霍　晗，劉小彥

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原　030051)

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大量程高射頻火炮自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)試系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)

李世偉，劉吉，張斌，霍晗，劉小彥

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

針對(duì)需滿(mǎn)足當(dāng)前大量程、高射頻火炮自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的測(cè)試要求，基于相關(guān)研究并在總結(jié)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種大量程高射頻自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)試方法。利用一字線形激光器作為測(cè)試光源，經(jīng)柱面平凸透鏡一維擴(kuò)束后照射到自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所粘貼的原向反射屏上，原向反射屏隨自動(dòng)機(jī)同步運(yùn)動(dòng)。通過(guò)高速相機(jī)采集原向反射屏運(yùn)動(dòng)的圖像序列，經(jīng)圖像處理獲得自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。根據(jù)實(shí)際測(cè)試指標(biāo)分析方法所涉及到的光學(xué)參數(shù)，對(duì)曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)一維運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明：在滿(mǎn)足某型號(hào)火炮自動(dòng)機(jī)行程為700 mm，理論運(yùn)動(dòng)最大速度為10 m/s的試驗(yàn)條件下，系統(tǒng)所測(cè)的位移和速度誤差分別為0.57%和0.99%，該光路設(shè)計(jì)方案可行。

自動(dòng)機(jī)；運(yùn)動(dòng)規(guī)律；原向反射屏；高速相機(jī)

自動(dòng)武器是一種高壓、高速、高熱的熱力型動(dòng)力機(jī)械[1]，自動(dòng)機(jī)作為各種自動(dòng)武器的最關(guān)鍵組成部分，是完成武器各種動(dòng)作的一整套機(jī)構(gòu)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的測(cè)試在自動(dòng)武器的試驗(yàn)研究中占有重要地位。目前常用的測(cè)試方法可分為接觸式方法與非接觸式方法。接觸式中的轉(zhuǎn)鼓法[2]原理簡(jiǎn)單、成本低，但測(cè)試誤差比較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率也比較低，并且接觸式的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)嚴(yán)重影響測(cè)試的真實(shí)性[3]。磁電法相比轉(zhuǎn)鼓法而言，確有不少改進(jìn)，但仍存在很多缺點(diǎn)，尤其是難以適應(yīng)高射頻武器測(cè)試的需要。中北大學(xué)測(cè)試技術(shù)研究所提出了一種采用光電位置傳感器作為測(cè)試系統(tǒng)核心器件的方法[4]，該方法具有響應(yīng)速度快、靈敏度好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但光電位置傳感器件是非線性的，越接近邊緣，其位置檢測(cè)誤差越大[5]，存在測(cè)量范圍有限的缺點(diǎn)，尤其是在進(jìn)行大行程的自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)試時(shí)精確度較差。另外，該方法克服不了振動(dòng)環(huán)境對(duì)目標(biāo)測(cè)試所帶來(lái)的影響。因此，筆者在總結(jié)當(dāng)前自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，提出一種大量程高射頻自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)試方法，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

1　具體方案描述

測(cè)試系統(tǒng)由待測(cè)目標(biāo)、高速相機(jī)、采集卡、原向反射屏、柱面平凸透鏡、一字線形激光器以及相應(yīng)處理軟件組成，其測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。激光器安裝在鏡頭的正上方，出射激光通過(guò)柱面平凸透鏡投射到武器自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)平面上，并覆蓋其整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程；自動(dòng)機(jī)上安裝原向反射屏，會(huì)隨著自動(dòng)機(jī)做同步往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用于將投射來(lái)的激光原向反射；整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程由高速相機(jī)實(shí)時(shí)捕捉，圖像采集數(shù)據(jù)通過(guò)CamLink接口數(shù)據(jù)線傳送至計(jì)算機(jī)[6-7]，經(jīng)圖像處理獲得位移-時(shí)間曲線，從而獲得自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

測(cè)試系統(tǒng)中高速相機(jī)的成像原理如圖2所示，

成像系統(tǒng)主要包括透鏡系統(tǒng)和成像平面兩部分。其中，該系統(tǒng)所選用高速相機(jī)的成像平面為CMOS圖像傳感器。設(shè)所拍攝圖像A的實(shí)際長(zhǎng)度為S，在CMOS圖像傳感器平面成像為A′，由于CMOS圖像傳感器是以像素為基本單位保存圖像的，實(shí)際所拍攝圖像A′的長(zhǎng)度可用所占的像素個(gè)數(shù)n1表示，n1與圖像中物體A的成像長(zhǎng)度S′ 以及A的實(shí)際長(zhǎng)度S均近似成線性關(guān)系，且可通過(guò)一個(gè)標(biāo)定系數(shù)k來(lái)確定n1與S的關(guān)系為

S=nlk

(1)

鏡頭焦距f為

(2)

2　關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1光照度分析

測(cè)試系統(tǒng)首先采用主動(dòng)激光光幕照明及原向反射技術(shù)，該技術(shù)能夠使系統(tǒng)在低照度環(huán)境下使用，具體分析如下。

系統(tǒng)采用波長(zhǎng)為650nm，最大光功率為50mW，扇角為10°，線寬為2mm的功率可調(diào)半導(dǎo)體一字線形激光器，調(diào)整光源出瞳功率為最大光功率的60%，經(jīng)計(jì)算，激光線長(zhǎng)在5m處為870mm，可實(shí)現(xiàn)該型號(hào)火炮自動(dòng)機(jī)行程的全覆蓋。設(shè)半導(dǎo)體激光器的出射光通量與輻射通量分別為φv、φε，發(fā)光效率為v(λ)，Km為最大光譜光視效能常數(shù)，則半導(dǎo)體激光器的出射光通量為

φv=Kmv(λ)φε=2.049lm

(3)

設(shè)激光投射到自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)平面處的光照度為Ev，橫截面積為A，光照度與出射光通量、橫截面積的關(guān)系有

(4)

原向反射屏處于自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)平面，作為角反射器充當(dāng)協(xié)作目標(biāo)，若使用逆反射系數(shù)RA=50cd/(lx·m2)的原向反射屏，可得原向反射屏的亮度

Lv=RAEv=58 879.3cd/m2

(5)

已知MC1362高速相機(jī)的CMOS靶面尺寸為17.92mm×14.34mm，系統(tǒng)工作距離為5～10m，相應(yīng)鏡頭焦距為128～256mm。相機(jī)焦距f、CMOS最大尺寸L和相機(jī)視場(chǎng)角α關(guān)系為

(6)

可得α的取值范圍為[0.4°,8.0°]。

設(shè)τ為光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率，取值為80%，由像面光照度

(7)

已知相機(jī)在波長(zhǎng)550nm處的頻率響應(yīng)為1 000bit/(lx·s)，根據(jù)圖像傳感器在單色工作模式下量子效率-頻率之間的關(guān)系曲線可以估算相機(jī)在波長(zhǎng)為650nm處的頻率響應(yīng)為750bit/(lx·s)[6]。為滿(mǎn)足測(cè)試要求，相機(jī)的拍攝幅率設(shè)置為50 000幅/s，則圖像序列的時(shí)間間隔為20μs，即每幀圖像的最大曝光時(shí)間20μs。設(shè)圖像傳感器成像所需像面照度為Er，由其參數(shù)可知要想獲取清晰圖像，像元的數(shù)據(jù)量最小為6bit[8]，則由

Er×750bit/(lx·s)×20×10-6=6bit

(8)

2.2激光光源一維擴(kuò)束

所使用一字線形激光器出瞳激光線寬度僅為3mm，考慮火炮發(fā)射振動(dòng)或自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)并非嚴(yán)格按照一維方向運(yùn)動(dòng)等情形，為保證激光器的出射光覆蓋自動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程，選用柱面平凸透鏡將一字線形激光器出射光擴(kuò)束為二維光幕，以克服振動(dòng)環(huán)境對(duì)測(cè)試所帶來(lái)的影響，其光源擴(kuò)束系統(tǒng)原理圖如圖3(a)所示。柱面平凸透鏡置于激光器出光孔的正前方，設(shè)半導(dǎo)體激光器與自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)平面的垂直距離為S，激光器經(jīng)柱面平凸透鏡擴(kuò)束后投射到自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)平面的光幕橫截面的水平方向的長(zhǎng)度為Sx，垂直方向的長(zhǎng)度為Sy。如圖3(b)所示，半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光的線寬為w，經(jīng)焦距為f的柱面平凸透鏡的擴(kuò)束后寬度為Sy，其各個(gè)參數(shù)的幾何關(guān)系式為

(9)

根據(jù)實(shí)際測(cè)試條件，測(cè)試系統(tǒng)與自動(dòng)機(jī)平面的距離為7m，半導(dǎo)體激光器的線寬為3mm，經(jīng)過(guò)透鏡擴(kuò)束后7m遠(yuǎn)處的線寬需達(dá)到100mm，則應(yīng)選用焦距約為200mm的柱面平凸透鏡。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析

以曲柄導(dǎo)桿裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，裝置如圖4所示，原向反射屏貼在滑塊處。曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律屬于平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的范疇，與火炮自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律有著相似性。由曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)導(dǎo)桿末端的滑塊在一維水平方向上做有規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其位移、速度的大小和方向也在不斷變化，且滑塊的位移-時(shí)間、速度-時(shí)間曲線可通過(guò)光柵角位移傳感器獲得。

某型號(hào)火炮自動(dòng)機(jī)行程S為700mm，自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)理論最大速度vmax為10m/s，最高發(fā)射率為150 發(fā)/min，位移精度為1mm，需要相機(jī)拍攝理論拍攝幅率≥10 000 幅/s，因此相機(jī)拍攝幅率設(shè)置為50 000幅/s時(shí)，不論在最大速度方面還是發(fā)射率方面都能夠滿(mǎn)足該型號(hào)火炮自動(dòng)機(jī)的測(cè)試需求。

基于以上測(cè)試條件進(jìn)行曲柄導(dǎo)桿裝置運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)與曲柄導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)平面的距離為7m，相機(jī)分辨率1 280×64像素，拍攝幅率50 000幅/s，自動(dòng)曝光時(shí)間10μs，相機(jī)工作于外觸發(fā)方式且采用通斷觸發(fā)模塊。測(cè)試前采用基于游標(biāo)卡尺的圖像標(biāo)定方法獲取測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)定系數(shù)K=1.312 7，即每個(gè)像素橫向間距所代表的光斑實(shí)際位移為1.312 7mm。所采集的滑塊處原向反射屏反射光斑的圖像序列如圖5所示。

通過(guò)裝置自身的光柵角位移傳感器測(cè)得的滑塊運(yùn)動(dòng)正向最大位移為135.14mm，反向最大位移為8.69mm，因此位移的理論峰峰值為143.84mm，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的理論正向和反向的最大速度分別為0.340m/s和0.736m/s，具體運(yùn)動(dòng)規(guī)律標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)如圖6所示。而通過(guò)對(duì)實(shí)際采集的滑塊所在處原向反射屏反射光斑的圖像序列做處理，測(cè)得其運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線如圖7所示，光斑運(yùn)動(dòng)位移的峰峰值為143.02mm，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中正向和反向的最大速度分別為0.330 8m/s和0.734 5m/s。經(jīng)分析，系統(tǒng)所測(cè)的位移和速度誤差分別為0.99%和0.57%。數(shù)據(jù)表明，該測(cè)試系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)方案可行。

4　結(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行槍械以及火炮的自動(dòng)機(jī)測(cè)試中，可能會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)火光乃至煙霧的干擾情形，嚴(yán)重時(shí)可能干擾到原向反射屏反射光斑的成像，應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾光、抗干擾措施，提高系統(tǒng)測(cè)試性能。另外，還有不少實(shí)際測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的不確定性因素，有待今后作進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)和探討。

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Optical Design of Large Range and High Frequency Artillery’s Automatic Machine Movement Rules Test System

LI Shiwei, LIU Ji, ZHANG Bin, HUO Han, LIU Xiaoyan

(National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan030051, Shanxi, China)

For the problem of the test requirement of the current long-range, high frequency artillery’s automatic machine, based on sunmming the current research and the automatic mechanism movement characteristics, a test method of large range and high frequency automatic movement was proposed. This method uses a linear shape semiconductor laser as the test light source which exposure to the retroreflective screen through one-dimensional beam expander by cylindrical lens pasted on the automatic mechanism plane of movement and the retroreflective screen will move simultaneously with automatic mechanism. High-speed camera is used to capture images sequence of reflected spot is used to get automatic mechanism movement rules by image processing.The optical parameters and the system trigger be analyzed, error of displacement and velocity was 0.57% and 0.99%, the feasibility of optical design is verified under the experimental conditions with the range of 700 mm and the theoretical maximum speed is 10 m/s ,which is satisfy a certain type of artillery’s automatic machine.

automatic machine; movement rules; retroreflective screen; high-speed camera

2015-06-17

教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(No.211027)；電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(9140C12040515X)；山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新項(xiàng)目(No.20143080)

李世偉(1989—)，男，碩士研究生，主要從事光電探測(cè)技術(shù)、光電儀器及新型傳感技術(shù)的研究。E-mail：lswmouse@xbmu.edu.cn

TN247

A

1673-6524(2016)01-0069-05