基于火光辐射的射流速度测试技术研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:录用日期:基金项目:国家自然科学基金项目()山西省基础研究计划(自由探索类)()作者简介:李东炳()男硕士研究生:.通信作者:赵冬娥()女博士教授博士生导师:.:./.基于火光辐射的射流速度测试技术研究李东炳张 斌褚文博赵冬娥(中北大学 信息与通信工程学院 太原)摘要:为了满足超高速聚能射流的测速要求采用狭缝光阑与高速光电探测器构成被动探测模块探测射流的自身火光辐射 测速系统以多级光阑前后排列的方式限制探测幕面的视场与厚度 分别对两级、三级光阑 种滤光模式建立了光学模型模拟射流过靶时各级光阑的滤光性能 仿真结果表明三级光阑可以有效衰减射流自身的强辐射并且可以滤除探测幕范围之外的爆炸火光以及设备内的反射光滤光效果超过.采用三级光阑逐级滤光的方法解决了射流辐射亮度强并且伴随有杂散光导致其速度不易测试的难题 最后在外场进行射流测速试验得到的信号波形印证了仿真结果的正确性 对过靶信号进行相关性分析处理得到射流的精确过靶时间计算得到的射流速度为 /左右 将测得数据结果与高速摄影测速结果进行对比验证测速系统的不确定度低于 验证了系统的可行性关键词:速度测量聚能射流光衰减相关分析被动测速本文引用格式:李东炳张斌褚文博等.基于火光辐射的射流速度测试技术研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():./.:引言聚能射流对于坚硬目标有很好的侵彻效果 射流速度是评判射流威力的关键指标因此射流速度的精确测量尤为重要 目前国内外测试射流速度主要有电探针法、高速摄影法、光测速法等 针对射流高速自身发光的特点选用光电检测的方法研制射流测速系统电探针法分为击穿式电探针和金属丝接触式电探针等击穿式电探针法采用铜箔等作为区截测速的标记点(电探针)记录射流的通过时间点来得到区间内的射流速度测速装置结构简单设备布场较容易但由于射流产生的冲击波会提前到达探针处改变探针物理结构故电探针测速法的测速精度有一定的局限性高速摄影法可以得到不同时刻射流的清晰照片对比静态标定物最终得出射流速度等 亦可采用正交或非正交相机阵列解算出射流长度、侵彻深度等三维参数 然而高速相机设备昂贵、配置与标定复杂、防护困难现场试验使用时有不小的阻碍 光测速法是采用 光机产生 个相互平行的 光幕射流穿过 光幕产生过靶信号被 光探测器接收通过信号调理电路放大整形并滤除干扰后计算得到射流速度 光机设备较为昂贵并且为了保证 光机的正常工作需要对其电源进行电磁隔离防止爆炸产生的电磁干扰实验布设时较为复杂光电检测的方法有非接触、可重复、精度高等优点常用于弹丸、破片等高速目标的速度测试故采用光电检测方法基于射流的火光辐射对射流的速度进行测试 然而射流自身辐射强且伴随杂散光对测速系统的滤光能力要求较高故提出了一种采用三级光阑逐级滤光的被动测速方法 射流测速系统工作原理射流测速系统使用射流测速的原理使用高速光电探测器对射流辐射进行非接触式探测 图 所示为测速系统的工作原理 射流测速系统由被动探测模块、数据采集模块组成 系统探测的基本原理为 个光电探测器配合光阑形成 个统一厚度的扇形探测幕当射流依次穿过起始探测幕和终止探测幕时产生 个相位为负的模拟信号 然后通过数据采集模块采集射流的过靶信号波形传输至上位机进行处理 对两通道信号进行相关性分析计算目标通过两探测幕的时间间隔 并且准确测量两光幕之间的距离 由速度计算公式 /即可获得射流的速度图 被动测速工作原理.抗光干扰方法研究.三级光阑减光设计天幕靶一般使用镜头加光阑的组合形成探测幕面通过调整焦距以及光阑参数控制探测幕面的宽度与厚度 射流的辐射照度很强且随着射流弹爆炸同时产生大量爆炸火光镜头对射流的自身辐射以及杂散光皆有很强的汇聚能力 为了削减射流自身辐射减弱反射、散射等杂散光以及天幕背景光的影响系统采用了多级光阑滤光的方法提升系统的滤光能力在狭缝光阑后适当位置放置光电探测器即可滤除部分火光干扰并且探测到射流辐射 然而仅用一级光阑配合光电探测器远距离使用时系统的探测幕厚度太大影响测速精度 为了减小探测幕面的厚度提高系统测速精度系统以两级光阑前后排列的形式限制探测幕面的厚度与探测视场大小如图 所示当射流光线进入第 级光阑后会在一级光阑与二级光阑之间的区域内反射以及散射导致射流头部还未进入理论探测幕面时其辐射光线已经通过反射以及散射进入第二级光阑被探测器接收李东炳等:基于火光辐射的射流速度测试技术研究图 两级光阑反射示意图.在两级光阑的基础上多加 级光阑使系统内部有 个区域如图 所示第 个较大的区域抑制反射以及散射从而使进入第 级光阑的杂散光线已经大幅减少 经过第 级光阑的滤光后只有射流进入探测幕面后其辐射光线才可以被探测器接收图 三级光阑反射示意.射流测速系统采用三级光阑 高速光电探测器产生 个 距离确定的探测幕共同构成 套包含启动靶探测幕和停止靶探测幕的区截测速装置两级光阑即可固定探测幕厚度与探测视场大小 聚能战斗部产生的射流方向各异与预定的弹道线有不同程度偏移所以系统需要较大的探测视场探测视场的大小与每级光阑狭缝长度的关系为 ()()()()图 为三级光阑形成的探测视场光路图其中 为根据第 级与第 级光阑计算得出的探测视场大小为根据第 级与第 级光阑计算得出的探测视场大小 为设备距离弹道线的距离为第 级光阑与第 级光阑的距离为第 级光阑与第 级光阑的距离、分别为第、级光阑形成的狭缝长度:、探测器紧贴第 级光阑且探测器长度为 当 为 时 则系统的探测视场为 图 探测视场光路图.图 为三级光阑形成的探测幕厚度光路图为根据第 级与第 级光阑计算得出的探测幕厚度、分别为第、级光阑的间距探测器紧贴第 级光阑且探测器宽度大于第 级光阑的间距探测幕面的厚度与每级光阑所形成的狭缝宽度的关系为 ()()()()其中:为根据第 级与第 级光阑计算得出的探测幕厚度假设、分别为、.、.当 时.则系统的探测幕厚度为.设备距离弹道线的垂直距离 过大会使探测幕面的宽度增大为了提高设备的测速精度 不宜过大 考虑设备防护以及爆炸火光的干扰使用距离 在 内为宜图 测速设备光路示意.三级光阑逐级光衰减仿真在 中模拟射流过靶时三级光阑的滤光情况实体模型如图 所示 改变光源坐标模拟射流过靶时的位置信息的变化在设备的三级光阑后分别放置 个探测器接收光能量 在 的测试距离下第 级光阑处的探测器探测范围很大无法兵 器 装 备 工 程 学 报:/./测速 在 的范围内探测器接收的光功率变化不大约为 图 射流过靶仿真.图 为系统第 级光阑处探测器接收的光功率的变化可以看出在 的范围内探测器接收光功率在 然而根据第 级光阑与第 级光阑的狭缝参数计算得出的探测幕厚度.探测视场大小 在.的探测幕之外仍可以接收到光辐射说明在射流未进入探测幕面时其爆炸火光、反射光等已经进入第 级光阑被探测器接收图 第 级光阑处探测器接收光功率曲面图.由图 可知第 级光阑的探测范围与理论计算得到的.探测幕大小一致 第 级光阑处探测器接收光功率在 相较于第 级光阑处的探测器接收光功率滤光效果超过.三级光阑滤光法有效衰减了射流的自身强辐射并且限制了探测幕之外的背景光、爆炸火光以及腔体内的反射光达到了系统要求本系统选用高速 型硅光电探测器相关参数如表 所示在理论探测幕范围内探测器接收的最小光功率为 探测器产生最小光电流为.超过暗电流 个 数量级此探测器的灵敏度满足系统要求图 第 级光阑处探测器接收光功率曲面图.表 光电探测器相关特性参数 参数数值灵敏度/().暗电流/结电容/峰值波长/光谱响应范围/试验验证.外场试验为了检验系统设计的可行性除仿真分析与计算外还进行了相关外场试验 试验现场布置如图 所示将射流弹放置于.高的支架上确保设备与高速摄影的光轴垂直于射流弹道线 弹道线的另一侧布置高速摄影相机拍摄射流运动状态图 试验现场布置示意图.李东炳等:基于火光辐射的射流速度测试技术研究 由于爆炸火光与射流自身的强辐射高速摄影的镜头使用最小光圈并且加装减光片曝光时间设置为最短防止图像过饱和聚能射流战斗部爆炸时产生的射流方向各异为了提升高速摄影测速精度与设备测速精度试验时在每一发射流着靶后对实际的弹道线进行标定校准着靶点与预设着靶点的偏移量得到其实际位移距离与设备的实际靶距通过对高速摄影的标定可以得到射流的精确位移 高速摄影的帧频为定值所以可以极大地保证高速摄影的测时精度 射流速度为 /左右在高速摄影画面中射流经过测速设备用时大约.帧故在射流途经测速设备时选择相邻的 帧图像进行处理 在设备附近所取的 帧图像中射流位移为.后期图像处理时可以将射流头部信息精确到 像素比例尺为 /故高速摄影测速误差为/.信号相关法解算速度图 与图 为数据采集模块采集到的射流过靶信号图 二级光阑滤光法测得射流过靶信号.图 三级光阑滤光法测得射流过靶信号.通过分析波形可以得出以下结论:)信号质量:相比二级光阑法三级光阑法测得的信号更加平滑信噪比高 二级光阑测得信号噪声约为 三级光阑测得的信号噪声约为 信噪比提升了 倍左右)根据波形中波谷的宽度可以看出二级光阑滤光法测得的信号宽度更宽说明在射流还未进入探测幕面时探测器已经有响应印证了仿真结果的正确性影响测速结果的精度综上所述三级滤光法更占优势印证了 仿真计算的结果为了精确得到射流过靶时间对两信号进行相关性分析 对于 个能量有限信号()和()其相关函数定义为()()()()()()因射流过靶信号的幅值受放大电路、光阑参数的影响会有不同程度的差别故先将两信号的幅值归一化 ()()在数据处理时射流过靶信号是一系列离散数列式()、式()中 为各个离散点的信号幅值对两信号归一化之后得到()和()对于离散数列()和()其相关函数可以表示为()()()()()()利用相关算法确定相关函数的绝对值取得最大值时对应的采样间隔点数 本系统采集模块的采样率为 即每个采样点数间隔.设系统测速误差在 以下则测速目标过靶时间间隔需大于.测速系统的靶距为 在 的不确定度下系统可测目标速度范围最大为 /射流过靶时间 为采样点数 与采样点数间隔.的乘积:.()射流速度 为实际靶距 与射流过靶时间 的比值:/()表 为射流速度的处理结果相关系数的值均大于.两信号的相关性较高 高速摄影测速误差为.由于无法得知射流的精确速度作为参照将测速系统与高速摄影测速结果进行对比验证本方法的可行性 由表 得知测速系统与高速摄影的测速结果误差最大为.则证明本测速系统的最大测速不确定度为.()兵 器 装 备 工 程 学 报:/./表 测速结果对比 序号采样间隔点数 过靶时间/相关系数标定后实际靶距/测速设备/()高速摄影/()速度差/()百分比误差/.结论基于射流的火光辐射进行光电检测采用三级光阑滤光的形式削弱射流的自身火光辐射并且有效滤除爆炸火光、背景光、腔体内的反射光)三级光阑形成的狭缝长度分别为、三级光阑形成的狭缝宽度分别为、.、.根据光阑参数理论计算得到探测视场为 探测幕厚度为.)使用 对系统光路进行仿真二级光阑法无法滤除理论探测幕之外的爆炸火光、反射光三级光阑法可以完全滤除理论探测幕之外的光干扰 第 级光阑相较第 级光阑滤光效果达到.第 极光阑相较第 级光阑减光超过.)进行外场验证实验试验测得的信号波形印证了仿真的正确性三级光阑滤光法测得信号波形比较理想 将得到的射流过靶信号进行相关性分析得到的射流速度为 /左右测速系统的不确定度低于.验证了测速系统的可行性参考文献:.:():.贾梦晔高永宏周鹏飞等.药型罩材料与结构的研究进展.兵器装备工程学报():.():.:.曹鹏张国伟乔通通等.杆式射流侵彻移动靶数值模拟.兵器装备工程学报():.():.():.李素云吴国东李庆鑫等.射流剩余速度在冲击起爆判定中的应用.兵器装备工程学报():.():.王蓉何碧韩勇等.电探针法测量射流速度/四李东炳等:基于火光辐射的射流速度测试技术研究川省电子学会传感技术第九届学术年会论文集.四川电子学会传感技术专业委员会中国工程物理研究院总体工程研究所:./.:.敬怡东薛标唐成等.一种测量射流头部速度的方法/航空装备服务保障与维修技术论坛暨中国航空工业技术装备工程协会年会论文集.中国航空工业集团有限公司防务生产与保障部中国航空工业技术装备工程协会:./.:.周彤顾金良夏言等.一种 光幕枪炮口初速测量装置.电子测量技术():.():.():.():.王荣秀王波.基于压电迟滞对称性的线性微位移控制作动器.重庆工商大学学报(自然科学版)():.()():.():.王虎陈钦芳马占鹏等.杂散光抑制与评估技术发展与展望(特邀).光子学报():.().():.张燕.杜瓦中冷光阑的杂散光抑制研究.红外():.():.().():.刘吉赵冬娥.弹丸过靶时间提取的算法研究.微计算机信息():.():.陶小亮.利用相关算法实现舵机系统相移分析.弹箭与制导学报():.():.科学编辑 韩翔 博士(国防科技大学 副教授)责任编辑 徐佳忆兵 器 装 备 工 程 学 报:/./