基于大面积激光光幕的弹丸速度测试技术研究

基于大面积激光光幕的弹丸速度测试技术研究 基于大面积激光光幕的弹丸速度测试技术 研究 2005年第19卷第4期 (总第54期) 测试技术学报 JOURNALOFTESTANDMEASUREMENTTECHNOLOGY Vo1.19No.42005 (SumNo.54) 文章编号:1671—7449(2005)04—0416—04 基于大面积激光光幕的弹丸速度测试技术研究 赵冬娥,周汉昌 (中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051) 摘要:针对弹道散布范围大或被测飞行物体尺寸大的测速场合,介绍了一种实现大面积有效靶区激光光 幕速度测量的方法.采用圆弧柱面反射镜及置于其两共轭点上的半导体激光二极管和大面积光敏器件形成 大面积有效光幕区.当高速飞行物体穿越激光光幕时,光通量的变化被转变为电信号并采集到计算机进行 数据处理.文中对圆弧柱面反射镜所引起的像差及有效光幕区内的光功率密度的分布进行了建模分析;利 用有效光幕区为900mm×900mm及500mm×500mm的系统分别对5.6mm弹丸穿越动物及某大口径弹 丸的速度进行了测试,并给出了试验波形及测试数据.试验明,该测速系统具有有效光幕区面积大,灵敏 度高,响应速度快,工作可靠的优点. 关键词:激光光幕;速度测量;大面积有效光幕区 中图分类号:TP212.14文献标识码:A ProjectileVelocityMeasurementTechnologyBasedon LargeEffectiveAreaLaserScreen ZHAODong—e,ZHOUHang—chang (KeyLaboratoryofInstrumentationScienceANDDynamicMeasurement(NorthUniversityofChina), MinistryofEducation,Taiyuan030051,China) Abstract:AnovelLaserscreenvelocitymeasuringmethodwithlargeeffectivescreenareaisintroduced forsomespecialvelocitymeasuringoccasionslikewidespreadingrangeOrbig—sizeflyingobjects.Th e largeeffectivescreenareaisformedbycylindricalmirrorandfixedlaserdiodeandlargeareaphoto—diode respectivelyonthetwoconjugatepoints.WhenflyingobjectswithhighsDoedpassthroughthelaser screen,changeoflightfluxistransformedintoelectronicsignalandsampledbydatasamplingcardand processedbycomputer.Thechromaticaberrationinducedbycylindricalopticsandthelightpower densitydistributioninlaserscreenaretheoreticallyanalyzed.ThespeedofO5.6mmprojectilepassing throughananimalandspeedofonesortoflargecaliberprojectilearemeasuredbythelaserscreen systemwitheffectivescreenareaof900mm×900mmand500mmX500mmrespectively.Thetypical sampledwaveformsandmeasureddataaregiven,whichindicatesthesystemhasadvantagesoflarge effectivetargetarea,highsensitivityandhighresponse. Keywords:laserscreen;velocitymeasurement;largeeffectivetargetarea; 对于飞行物体速度的测试,有多种方法,且各有特点l2_.激光光幕区截测量速度的方法因其 精度 高,响应速度快,非接触测量等特点而独具优势.但对于弹道散布范围大或被测飞行物体尺寸 大的测速 场合,目前已有的激光测速靶及国际上一些公司开发的光幕靶,如OehlerResearch,Inc公司的 LED光 幕靶,奥地利AVL公司的激光测速靶BI450等,均因有效靶区面积不是足够大而无法满足测 速要求. 如奥地利AVL公司的激光测速靶BL450,欲获得1mx1m的有效靶区,需5套靶拼接才能完 成]. 收稿日期:2004—1O一13 作者简介:赵冬娥(1970一),女.副教授,博士生.主要从事光电检测技术研究 (总第54期)基于大面积激光光幕的弹丸速度测试技术研究(赵冬娥等)417 而本文中所描述的激光光幕测速系统采用圆弧柱面反射镜及置于其两共轭点上的半导体 发光二极管和大 面积光敏器件,形成大面积有效光幕区.当高速飞行物体穿越激光光幕时,光通量的变化被转 变为电信 号并采集到计算机进行波形显示及数据处理.具有有效靶区面积大(可达1m×1m),灵敏度高, 响应速 度快等优点. 1系统结构及原理概述 激光光幕测速通过测量高速飞行物体穿过两激光光幕间的时间间隔及两光幕间的距离S 而获得 其速度.系统结构如图1所示.为了提高测试可靠性,激光光幕速度测量系统由两套区截光幕 组成, 即Q与T,Q与丁分别形成一区截,Q与Q,T与丁间的距离确定,且相等.弹丸飞行穿过各光幕 区 时,分别阻挡部分光线,光电探测器将变QQ2 化的光通量转化成电流信号,经光电放大 器放大到3V,5V,成为弹丸过靶信号, 由4通道数据采集卡采集到计算机,精确 测得Q与丁,Q.与丁.间靶距与., 专用数据处理软件即可根据过靶信号波 形的特点合理选择计时时刻,根据采样速 率计算出被测物体飞行穿越Q与丁,Q 与丁l间的时间间隔Atl,At2,从而获得两圉1系统结构示意图 个速度值口1,口2.由于两启动光幕间与两Fig.1Diagramofthesystemconfiguration 停止光幕间距离相等,由两套区截系统获得的实际上是同一中心点的平均速度值,系统可据Vl与z的一 致性进行自比对,来确保测试数据的可靠.同时,两套区截装置同时工作,可避免某一光幕由于未知原 因而未捕获到数据时导致的测试失败,尤其适用于试验成本高的测速场合. 系统中选用半导体激光二极管作光源,具有体积小,效率高,成本低,无需高压电源,寿命长等优 点;选用大面积PIN光敏二极管作为光电检测器件,以确保在实现大面积有效光幕区的同时,会聚光斑 的全部接收.光电放大器主要由电流电压转换放大电路及主放大器组成,在电路设计及器件的选择上确 保低噪声,高响应速度和灵敏度. 2大面积有效光幕区的形成原理 采用共轭光学系统形成大面积有效靶区,如图2所示.DC为圆弧柱面反射镜,F点与E点相共轭, 位于E处的半导体激光器LD在其驱动电路的驱动下发射激光,准 直后经柱面透镜扩束成扇形光幕,垂直于圆弧柱面反射镜的母线入 射圆弧柱面反射镜,反射后汇聚于位于F处的光敏二极管PD上. 当飞行物体通过光幕区时,光敏二极管PD探测该光通量的变化,而 形成过靶波形.为避免在弹道散布大等场合有可能对系统结构及光 学件部分造成损伤,设计时,将有效光幕区确保在系统结构框架的中 心区域,如图2中阴影区域所示.对此结构进行数学建模计算,可根 据所需要的有效靶区尺寸设计确定圆弧柱面反射镜半径,LD和PD 放置位置等.如实现300mm×300mm有效靶区,靶框ABCD的 尺寸为600mm×600mm.所需圆弧柱面反射镜半径R一683mm; 半导体激光器放置在距靶框左端A点的水平距离AE=200mm处, 圆弧柱面反射镜 光电检测器件放置距靶框右端B的水平距离BF=200mm处.图2大面积有效光幕区的形成 严格讲,图2中由置于E处的点光源射到圆弧反射镜的各条Fig?2Formoflargee?ctive—ee 光线中,只有入射到D点,O点,C点的光线能准确汇聚到F点,其他各点的反射光线都会偏离F点而 形成像差.像差的大小直观地反映在汇聚光斑的直径大小上,而汇聚光斑的大小必须与光敏探测器件的 418测试技术学报2005年第4期 光敏面积相适应,若光斑大于光敏面面积,则有效靶区内的有些光线未被光敏探测器收集,当破片穿过 这些区域时,变化的光通量将无法通过光敏探测器转换成电信号,导致测试失败.经数学建模分析,当 保证300mmx300mm有效靶区时,程序运行结果为0.584mm.因此,即使考虑到实际使用的半导体 激光器具有一定的光斑直径,只要合理选用大面积光敏二极管(如~10mm×10mm),完全可以 克服由 圆弧柱面反射镜所造成的像差[6]. 3有效光幕区功率密度分布及信号灵敏度分析 激光测速靶工作时,飞行物体穿过激光光幕时阻挡部分光线后引起的光通量变化主要取决于两个因 素:光功率密度和挡光面积.对于确定的被测物体,光电放大器的输出正比于光通量的变化,光通量的 变化又正比于光幕的光功率密度.因此,对有效光幕区光功率密度分布的理论分析,对光电放大电路的 设计及灵敏度估算有重要的意义. 为简化分析,作合理假设:?单位长度方向上的光功率分布均匀;?光幕厚度均匀;?圆弧柱面反 射镜的反射率为100%. 如图3所示,在利用圆弧柱面反射镜光学系统实现靶框中心正方形有效光幕区域的模型中,以D为 坐标原点,建立坐标系x—D—y,设靶框边长为2W,在扇形光幕区中作任一直线,令.1I—Y, UV:L’对光幕区域1,2,3中分别建立光幕水平方向长度L与z,Y的数学表达式,进而确立功率密度 的数学表达式.在此数学模型中,有El=L=2一,即光幕水平方向长度L仅是Y的函数,与z无 关.假设扩束的激光光幕在水平方向上的总功率为P,在前述假设前提下,长度L上的光功率分布密度 D 应为P一—,由此,可推导出各区域光功率密度分布的数学表达式为: 1)在ADA0(区域1)中,各处光功率密度为 P P一’ 01o 式中:o号,寺寺. 2)在ADO1C(区域2)中,因为AEDC~AFDC,由光的叠加原理可知,该光照区域中既有入射光线 又有反射光线,功率密度为其他区域的二倍,则各处光功率密度为 2P Pz一’ 0’)o 式中:o昔,寺z2一寺. 3)在/xCO1A.(区域3)中,各处光功率密度为 P Ps一’ 0o1 式中:o号,2W一寺2一寺. 为了更加形象,直观地表示光幕区域的光功率密度分布规律,运用MATLAB语言对各光功率密度 分布表达式进行编程仿真.其中各参数设置为:一1,P一3mw,一300mm,单位长度上的采样点数 N一100.程序运行结果如图4所示. 从图4中可以看出,有效光幕区内的光功率密度随着Y坐标的增加而增加,在区域1,区域2和区 域3的交点处光功率密度达到最大.区域2的光功率密度显然大于区域1和区域3,并且区域与区域的 交汇处光功率密度发生跃变.由此可知,激光光幕测速系统工作时,被测物体穿越光幕位置不同,光电 放大器输出过靶信号的幅值不同,意味着系统灵敏度也将不同,根据上面分析,系统灵敏度将随着Y坐 标的增加而增加,在区域2和区域3的交点(z一600mm,.y—O)处最小,在区域1,区域2和区域3的 交点处达到最大.因此,在系统设计时,应综合考虑有效光幕区内光功率密度的分布及光电放大器的放 大倍数,确保在整个有效光幕区域内都有足够的探测灵敏度及信噪比. (总第54期)基于大面积激光光幕的弹丸速度测试技术研究(赵冬娥等)419 DJC . )一//一 / \V2W/3EW/3olF 一一 2】一 —?r— ‘‘】, 图3光功率密度分布的建模分析 Fig.3Modelforanalyzinglightpowerdensity 功率密度分布1功率分布密度2 图4有效靶区光功率密度分布图 Fig.4Laserpowerdensitydistributionintheeffectivescreenarea 4试验结果及结论 利用有效光幕区为900mm×900mm和500mii1×500mm的激光光幕测速装置,分别对5.6mm 制式弹丸穿越实验动物前后的速度和直径为130mm带尾翼的某大口径弹丸的速度进行了实测.这是两 种典型需要大面积有效光幕的速度测试场合,前者常用于创伤弹道研究中,弹丸经过动物后散布范围很 大;后者被测物体尺寸大,尤其是测试过程中,需考虑尾翼的张开尺寸.测试波形及速度如图5和图6 所示.图5中,和.分别为弹丸穿越实验动物前后的速度;图6中,.和.为两套光幕所测同一中心 点的平均速度. 图55,6mm弹丸穿越动物的试验波形图6某大口径弹丸的试验波形 Fig5Waveformof中5.6mmproiectilepassingFig,6Measuredwaveformofalargecaliberproiectile throughananimal 试验证明,该激光光幕测速系统具有有效靶区面积大,灵敏度高,响应速度快的特点,能实现 弹道散布范 围大或被测飞行物体尺寸大的场合下对较大尺寸范围的飞行物体速度的可靠测试.并利用 软件显示波形,处 理数据及存储,具有方便,快捷,准确的优点,波形的直接显示有利于测试人员对实验过程进 行具体分析. 参考文献: [1]白兴满.炮用激光测速系统的设计[D].太原:中北大学硕士论文,2003. [23ZhaoDE,ZhouHC,WangG.Laserscreenmeasuringsystemforgunvelocity[,J].ISTM5,2003,352O一3522. 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