CN108362905B - 一种激光光幕弹丸或破片过靶光信号模拟产生系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光光幕弹丸或破片过靶光信号的模拟产生系统及其方法,系统包括激光器、声光晶体盒、声光调制器驱动源、硬件信号发生器、虚拟信号发生器、双透镜；先将激光器、声光晶体盒、两个透镜的中心调节至同一水平线上并固定,使声光调制器工作于布拉格衍射条件下；在虚拟过靶信号发生器中根据实际过靶波形产生原理，理论分析计算弹丸或破片在穿过光幕时的挡光量变化过程,进行编程产生理想模拟过靶信号,并控制射频、速度、时间间隔等，驱动硬件信号发生器产生模拟过靶电信号；模拟过靶电信号作为调制信号与射频信号结合作用于声光介质，经声光晶体盒后发出经强调制的激光,产生模拟弹丸或破片过靶光信号,满足激光光幕测试系统实验和测试。
Description
技术领域
本发明属于光电测试领域，具体涉及一种激光光幕弹丸或破片过靶光信号的模拟产生系统及其方法。
背景技术
目前，对于枪炮、战斗部等武器的弹丸与破片等高速目标的速度测试中，激光光幕测试系统因具有测量精度高、灵敏度高、测试范围大、抗干扰能力强等诸多优点而被广泛使用。然而，使用激光光幕测试系统性能参数的实验、验证与测试只能通过实弹射击或实弹爆炸等靶场实验来进行，不仅试验成本高、风险大、周期长，而且重复性差，对激光光幕测速系统中弹丸过靶时刻的判定方法的精度无法研究与测试。因此，需要在实验室内建立一种可模拟产生不同尺寸、不同速度等的弹丸或破片飞行穿过激光光幕时引起的光通量的变化，即模拟过靶光信号，利用它实现对激光光幕测试系统性能参数的实验室内的实验验证与测试。
发明内容
本发明的目的旨在对现有的弹丸速度和战斗部爆炸产生破片飞行速度的测试技术进行完善和补充，提供一种利用虚拟过靶信号发生器模拟产生弹丸或破片过靶信号，通过驱动硬件信号发生器产生模拟过靶电信号，再通过声光调制技术实现其对激光光强的调制，以及可以方便快捷的模拟真实靶场环境中激光光幕测速系统工作时飞行弹丸与破片的过靶光信号，满足激光光幕测速系统的实验和测试需求的模拟产生系统及其方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种激光光幕弹丸或破片过靶光信号的模拟产生系统，包括激光器1、声光晶体盒2、声光调制器驱动源3、硬件信号发生器4、虚拟过靶信号发生器5、透镜6、7；外部供电电源与所述的声光调制器驱动源及激光器1连接，向声光调制器驱动源提供24V电源并驱动激光器产生激光；其特征在于：所述的透镜的中心置于激光器与声光晶体盒的中心连线上，且透镜置于透镜出射高斯光束的束腰处；同时所述的声光调制器驱动源通过射频输出接口(RF)与声光晶体盒连接，以及通过调制信号接口(0-5V/AD)与硬件信号发生器连接；所述的虚拟信号发生器与硬件信号发生器相连；其中：
所述的虚拟信号发生器是基于计算机的虚拟仪器开发工具，通过编程可产生试验或测试所需的弹丸或破片过靶信号；
所述的透镜6、7组成双透镜聚焦系统，减小输入声光晶体盒的激光腰斑直径，提升声光调制速度，以适应弹丸或破片过靶信号宽频带需求；
所述的硬件信号发生器将虚拟信号发生器产生的弹丸或破片过靶信号作为输出电信号，输入给声光调制器驱动源；
所述的声光调制器驱动源用以接收硬件信号发生器输出的模拟过靶电信号作为调制电信号并施加于声光晶体盒所述的激光穿过声光晶体盒会发生布拉格衍射，使入射激光得以充分利用；
由所述的声光晶体盒发出经光强调制的激光，即为产生模拟弹丸或破片过靶光信号。
一种激光光幕弹丸或破片过靶光信号的模拟产生方法，其特征在于：采用由激光器、声光晶体盒、声光调制器驱动源、硬件信号发生器、虚拟信号发生器、搭建激光光幕弹丸或破片过靶光信号模拟产生系统，首先，将激光器、声光晶体盒、两个透镜的中心调节至同一水平线上并固定，进行微调声光晶体盒的转向可以改变声光晶体盒的光束入射角，使声光调制器工作于布拉格衍射条件下；其次，在虚拟过靶信号发生器中进行编程产生理想模拟过靶信号，驱动硬件信号发生器产生模拟过靶电信号；然后，打开供电电源，使激光器和声光晶体盒、声光调制器驱动源开始工作，模拟过靶电信号作为调制信号与射频信号结合作用于声光介质，经过声光晶体盒后发出经光强调制的激光，发出所产生模拟弹丸或破片过靶光信号。具体步骤包括如下：
1)、在虚拟过靶信号发生器中产生理想的弹丸或破片模拟过靶信号；
2)、基于Labview或Labwindows虚拟仪器开发平台编制弹丸或破片虚拟过靶信号发生器的软件；通过虚拟过靶信号发生器的软件实现控制射击发数、射击频率、以及其飞越Ⅰ靶、Ⅱ靶的时间间隔的弹丸或破片过靶信号发生器；
3)、虚拟过靶信号发生器产生弹丸或破片的理想模拟过靶信号后，通过软件驱动硬件信号发生器将理想模拟信号输出为模拟过靶电信号；硬件信号发生器的选取要求其允许输出模拟信号的最大频率与过靶信号的带宽相匹配，确保其输出的过靶电信号失真较小。
4)、两个透镜组成双透镜聚焦系统，减小输入声光晶体盒的激光腰斑直径，提升声光调制速度，以适应弹丸或破片过靶信号宽频带需求；
所述的在虚拟过靶信号发生器中产生理想的弹丸或破片模拟过靶信号为：
根据弹丸或破片过靶波形产生原理，来计算弹丸或破片在穿过光幕时的挡光量变化过程，弹丸或破片在穿过光幕各位置时的挡光量使用弹丸或破片遮挡光幕横截面的面积A(x)表示；若光幕在宽度方向上的光强分布函数用h(x)表示(h(x)常用高斯分布或均匀分布函数)，弹丸或破片在垂直光幕平面上的投影轮廓曲线用f(x)表示，则弹丸(破片)光幕过程中的挡光面积A与位移x的关系，可通过f(x)与h(x)作卷积获得，即
A(x)＝f(x)*h(x)
由自变量x与弹丸或破片的飞行速度v与时间t的关系为x＝vt，这样得到理想模拟过靶信号A(t)；在上述分析计算理想模拟过靶信号过程中：
若弹丸或破片在垂直光幕平面上的投影轮廓关于x轴对称，则只取其正半部分曲线作为f(x)，与h(x)卷积计算结果乘以2，即获得A(x)的最终结果；
若弹丸或破片在垂直光幕平面上的投影轮廓关于x轴不对称，则将其正半部分曲线作为f(x)，与h(x)卷积计算结果记为A1(x)，将其负半部分曲线翻转到正半轴后作为f(x)，与h(x)卷积计算结果记为A2(x)，最终结果A(x)＝A1(x)+A2(x)。
所述的在虚拟过靶信号发生器软件的流程：
1)、程序初始化；设置弹丸或破片过靶参数，如频率、射击发数；为了更真实模拟实际靶场情况，可对噪声设置进行选择，至此完成Ⅰ靶弹丸或破片过靶信号设置；
2)、若需对弹丸(破片)过靶速度等参数进行测量，需获取其通过Ⅰ、Ⅱ两个靶道的波形数据，对经过Ⅰ、Ⅱ靶道的时间间隔进行设置即可得到弹丸或破片在Ⅰ、Ⅱ靶道的波形数据；
3)、将数据写入输出缓存中，进行数模转换(D/A)后传输至硬件信号发生器驱动程序中实现过靶波形的模拟输出。
发明具有突出地实质性特点和显著地有益效果：
用虚拟信号发生器软件设计行之有效的信号模拟系统来得到弹丸或破片过靶的理论模拟信号，其射击发数、射击频率、以及飞越Ⅰ靶、Ⅱ靶的时间间隔等相关参数，既容易实现，又可进行相关参数调节，可为激光光幕测试系统评估和测试提供更丰富、可调的弹丸与破片过靶仿真信号；所述激光光幕弹丸或破片过靶信号发生器可以控制的调节更为方便。
通过将透镜7置于透镜6出射高斯光束的束腰处来减小激光光源在声光介质内的腰部直径，从而提高系统的调制速度。
通过模拟过靶电信号调制激光光强实现激光光幕弹丸或破片过靶光信号的模拟产生，有效解决了实际激光光幕测试系统性能参数的验证调试均用实弹射击与爆破带来的成本高和风险大等问题。
附图说明
图1为激光光幕弹丸或破片过靶光信号模拟产生方法的整体结构示意图；
图2为激光光幕弹丸或破片过靶光信号模拟产生方法的实施例中双透镜聚焦系统结构示意图；
图3为激光光幕弹丸或破片过靶光信号模拟产生方法的系统框图；
图4为激光光幕弹丸或破片过靶光信号模拟产生方法的实施例中一种弹丸过靶信号数学模型；
图5为激光光幕弹丸或破片过靶光信号模拟产生方法的实施例中弹丸(破片)过靶波形仿真程序流程图。
其中，激光器1，声光晶体盒2，声光调制器驱动源3，硬件信号发生器4，虚拟过靶信号发生器5，透镜6，透镜7。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
一、激光光幕弹丸或破片过靶光信号的模拟产生系统
如图1所示，一种激光光幕弹丸或破片过靶光信号的模拟产生系统，该系统包括激光器1，声光晶体盒2，声光调制器驱动源3，硬件信号发生器4，虚拟过靶信号发生器5，透镜6，透镜7。供电电源与声光调制器驱动源3及激光器1连接，向声光调制器驱动源提供24V电源并驱动激光器产生激光；透镜6、7的中心置于激光器1与声光晶体盒2的中心连线上，且透镜7置于透镜6出射高斯光束的束腰处；同时，声光调制器驱动源3通过射频输出(RF)接口与声光晶体盒2连接，以及通过调制信号(0-5V/AD)接口与硬件信号发生器4连接；虚拟信号发生器5与硬件信号发生器4相连。由声光晶体盒发出经光强调制的激光，产生模拟弹丸(破片)过靶光信号。由此，构成组建了激光光幕弹丸或破片过靶光信号的模拟产生系统。其中：由透镜6与透镜7组合，由成为双透镜聚焦光学系统；由声光晶体盒2和声光调制器驱动源3组合，又称为声光调制器。
优选的，激光器1可选用He-Ne激光器，产生一定功率的高斯光束输出。
由于弹丸或破片运动速度高，过靶时产生的信号带宽大，因此要求声光调制器的调制速度尽可能高。而声光调制器的调制速度一般用上升时间tr来表示，取决于声光介质内激光光束的腰斑半径d0和声光介质内超声波速度v，有关系式：
为此，如图2所示，本发明中双透镜聚焦光学系统，对激光器1输出的激光光束进行整形，通过将透镜7置于透镜6出射高斯光束的束腰处来减小激光光源在声光介质内的腰部直径，从而提高系统的调制速度。
声光晶体盒2是集声光介质、电声换能器、吸声(或反射)装置、耦合介质于一体的声光器件，激光穿过声光晶体盒会发生布拉格衍射，使入射激光得以充分利用。
声光调制器驱动源3用以接收硬件信号发生器4输出的模拟过靶电信号作为调制电信号并施加于声光晶体盒2，实现对激光强度的模拟调制，产生模拟弹丸(破片)过靶光信号。
优选的，硬件信号发生器4将虚拟过靶信号发生器产生的模拟过靶信号通过软件编程的方式输出为模拟过靶电信号，可选用美国国家仪器(NI)公司的信号发生器或具有模拟输出的多功能输入/输出(I/O)设备。
优选的，虚拟过靶信号发生器5是基于计算机的虚拟仪器开发工具，通过编程可模拟产生试验或测试所需的弹丸(破片)过靶信号，可选用美国国家仪器(NI)公司的基于图形化编程语言的软件LabVIEW或基于文本式编程语言的软件LaWindows/CVI。
二、激光光幕弹丸或破片过靶光信号的模拟产生方法
如图3所示，激光光幕弹丸或破片过靶光信号模拟产生的系统框图；一种激光光幕弹丸或破片过靶光信号的模拟产生方法，根据图1搭建激光光幕弹丸或破片过靶光信号模拟产生装置，将激光器1、声光晶体盒2、两个透镜6、7的中心调节至同一水平线上并固定，微调声光晶体盒2的转向可以改变声光晶体盒的光束入射角，使声光调制器工作于布拉格衍射条件下；在虚拟过靶信号发生器5中进行编程产生理想模拟过靶信号，驱动硬件信号发生器4产生模拟过靶电信号；然后，打开供电电源，使激光器1和声光晶体盒2、声光调制器驱动源3开始工作，模拟过靶电信号作为调制信号与射频信号结合作用于声光介质，经过声光晶体盒后发出经光强调制的激光，产生模拟弹丸(破片)过靶光信号。
具体步骤如下：
(1)在上位机虚拟过靶信号发生器中产生理想的弹丸或破片模拟过靶信号。具体为：如图4所示，根据弹丸或破片过靶波形产生原理建立弹丸或破片飞行穿过激光光幕时的过靶信号的数学模型，来计算弹丸(破片)在穿过光幕时的挡光量变化过程，弹丸(破片)在穿过光幕各位置时的挡光量可用弹丸(破片)遮挡光幕横截面的面积(即挡光面积)A(x)表示。若光幕在宽度方向上的光强分布函数用h(x)表示(h(x)常用高斯分布或均匀分布函数)，弹丸(破片)在垂直光幕平面上的投影轮廓曲线用f(x)表示，则弹丸(破片)光幕过程中的挡光面积A与位移x的关系，可通过f(x)与h(x)作卷积获得，即
A(x)＝f(x)*h(x)
而自变量x与弹丸(破片)的飞行速度v与时间t的关系为x＝vt，这样可得到理想模拟过靶信号A(t)。
在上述分析计算理想模拟过靶信号过程中，若弹丸(破片)在垂直光幕平面上的投影轮廓关于x轴对称，则只取其正半部分曲线作为f(x)，与h(x)卷积计算结果乘以2，即获得A(x)的最终结果。若弹丸(破片)在垂直光幕平面上的投影轮廓关于x轴不对称，则将其正半部分曲线作为f(x)，与h(x)卷积计算结果记为A1(x)，将其负半部分曲线翻转到正半轴后作为f(x)，与h(x)卷积计算结果记为A2(x)，最终结果A(x)＝A1(x)+A2(x)。
(2)编制基于Labview或Labwindows等虚拟仪器开发平台的弹丸(破片)虚拟过靶信号发生器软件，实现能够控制射击发数、射击频率、以及其飞越Ⅰ靶、Ⅱ靶的时间间隔的弹丸或破片过靶信号发生器。
如图5所示，设计流程图。在虚拟过靶信号发生器软件中创建任务并设置驱动硬件信号发生的任务通道，进行程序初始化；设置弹丸(破片)过靶参数，如频率、射击发数等，为了更真实模拟实际靶场情况，可对噪声设置进行选择，至此完成Ⅰ靶弹丸(破片)过靶信号设置；若需对弹丸(破片)过靶速度等参数进行测量，需获取其通过Ⅰ、Ⅱ两个靶道的波形数据，对经过Ⅰ、Ⅱ靶道的时间间隔进行设置即可得到弹丸(破片)在Ⅰ、Ⅱ靶道的波形数据，将数据写入输出缓存中，进行数模转换(D/A)后传输至硬件信号发生器驱动程序中实现过靶波形的模拟输出。
(3)虚拟过靶信号发生器产生弹丸或破片的理想模拟过靶信号后，通过软件驱动硬件信号发生器4将理想模拟信号输出为模拟过靶电信号。硬件信号发生器4的选取要求其允许输出模拟信号的最大频率与过靶信号的带宽相匹配，确保其输出的过靶电信号失真较小。
(4)搭建声光调制系统。
采用He-Ne激光器等激光光源产生高斯激光光束，因弹丸、破片等高速目标的过靶信号带宽很宽，要求声光调制器具备高调制速度，为此，根据其上升时间tr取决于声光介质内激光光束的腰斑半径d0和声光介质内超声波速度v，即：
可采用双透镜聚焦光学系统对He-Ne激光器等激光光源产生的激光光束进行整形。
如图2所示，采用的双透镜聚焦系统，透镜7置于透镜6出射高斯光束的束腰w'01处，理论依据为薄透镜变换公式(1)、公式(2)：
其中，z代表物距，z'代表像距，w0为入射光束腰斑半径，w'0为出射光束腰斑半径,f为透镜焦距，λ为激光波长。
根据激光器产生高斯光束的腰斑半径，依据薄透镜变换公式(1)、公式(2)，选择设计合适的双透镜聚焦光学透镜，减小光束入射声光晶体盒的腰斑半径，使声光调制速度达到最佳效果。
经光束整形后的光束入射声光晶体盒，微调声光晶体盒的转向来改变声光晶体盒的光束入射角，使声光调制器工作于布拉格衍射条件下。将虚拟过靶信号发生器5驱动硬件信号发生器4产生的弹丸(破片)模拟过靶电信号输出至声光调制器驱动源的调制信号输入端，与射频信号一起作用于声光晶体盒，从而，实现模拟弹丸(破片)过靶电信号对激光光强的模拟调制，由声光晶体盒发出模拟弹丸(破片)过靶光信号。
Claims (4)
1.一种激光光幕弹丸或破片过靶光信号的模拟产生系统，包括激光器(1)、声光晶体盒(2)、声光调制器驱动源(3)、硬件信号发生器(4)、虚拟过靶信号发生器(5)、透镜(6)、(7)；外部供电电源与所述的声光调制器驱动源及激光器(1)连接，向声光调制器驱动源提供24V电源并驱动激光器产生激光；其特征在于：所述的透镜的中心置于激光器与声光晶体盒的中心连线上，且透镜置于透镜出射高斯光束的束腰处；同时所述的声光调制器驱动源通过射频输出接口与声光晶体盒连接，以及通过调制信号接口与硬件信号发生器连接；所述的虚拟信号发生器与硬件信号发生器相连；其中：
所述的虚拟信号发生器是基于计算机的虚拟仪器开发工具，通过编程可产生试验或测试所需的弹丸或破片过靶信号；
所述的硬件信号发生器将虚拟信号发生器产生的弹丸或破片过靶信号作为输出电信号，输入给声光调制器驱动源；
所述的透镜(6)、(7)组成双透镜聚焦系统，减小输入声光晶体盒的激光腰斑直径，提升声光调制速度，以适应弹丸或破片过靶信号宽频带需求；
所述的声光调制器驱动源用以接收硬件信号发生器输出的模拟过靶电信号作为调制电信号并施加于声光晶体盒所述的激光穿过声光晶体盒会发生布拉格衍射，使入射激光得以充分利用；
由所述的声光晶体盒发出经光强调制的激光，即为产生模拟弹丸或破片过靶光信号。
2.一种激光光幕弹丸或破片过靶光信号的模拟产生方法，其特征在于：采用由激光器、声光晶体盒、声光调制器驱动源、硬件信号发生器、虚拟信号发生器、两个透镜搭建激光光幕弹丸或破片过靶光信号模拟产生系统，首先，将激光器、声光晶体盒、两个透镜的中心调节至同一水平线上并固定，进行微调声光晶体盒的转向可以改变声光晶体盒的光束入射角，使声光调制器工作于布拉格衍射条件下；其次，在虚拟过靶信号发生器中进行编程产生理想模拟过靶信号，驱动硬件信号发生器产生模拟过靶电信号；然后，打开供电电源，使激光器和声光晶体盒、声光调制器驱动源开始工作，模拟过靶电信号作为调制信号与射频信号结合作用于声光介质，经过声光晶体盒后发出经光强调制的激光，发出所产生模拟弹丸或破片过靶光信号；具体步骤包括如下：
1)、在虚拟过靶信号发生器中产生理想的弹丸或破片模拟过靶信号；
2)、基于Labview或Labwindows虚拟仪器开发平台编制弹丸或破片虚拟过靶信号发生器的软件；通过虚拟过靶信号发生器的软件实现控制射击发数、射击频率、以及其飞越Ⅰ靶、Ⅱ靶的时间间隔的弹丸或破片过靶信号发生器；
3)、虚拟过靶信号发生器产生弹丸或破片的理想模拟过靶信号后，通过软件驱动硬件信号发生器将理想模拟信号输出为模拟过靶电信号；硬件信号发生器的选取要求其允许输出模拟信号的最大频率与过靶信号的带宽相匹配，确保其输出的过靶电信号失真较小；
4)两个透镜组成双透镜聚焦系统，减小输入声光晶体盒的激光腰斑直径，提升声光调制速度，以适应弹丸或破片过靶信号宽频带需求。
3.根据权利要求2所述的一种激光光幕弹丸或破片过靶光信号的模拟产生方法，其特征在于：所述的在虚拟过靶信号发生器中产生理想的弹丸或破片模拟过靶信号为：
根据弹丸或破片过靶波形产生原理，来计算弹丸或破片在穿过光幕时的挡光量变化过程，弹丸或破片在穿过光幕各位置时的挡光量使用弹丸或破片遮挡光幕横截面的面积A(x)表示；若光幕在宽度方向上的光强分布函数用h(x)表示，弹丸或破片在垂直光幕平面上的投影轮廓曲线用f(x)表示，则弹丸或破片光幕过程中的挡光面积A与位移x的关系，可通过f(x)与h(x)作卷积获得，即
A(x)＝f(x)*h(x)
由自变量x与弹丸或破片的飞行速度v与时间t的关系为x＝vt，这样得到理想模拟过靶信号A(t)；在上述分析计算理想模拟过靶信号过程中：
若弹丸或破片在垂直光幕平面上的投影轮廓关于x轴对称，则只取其正半部分曲线作为f(x)，与h(x)卷积计算结果乘以2，即获得A(x)的最终结果；
若弹丸或破片在垂直光幕平面上的投影轮廓关于x轴不对称，则将其正半部分曲线作为f(x)，与h(x)卷积计算结果记为A1(x)，将其负半部分曲线翻转到正半轴后作为f(x)，与h(x)卷积计算结果记为A2(x)，最终结果A(x)＝A1(x)+A2(x)。
4.根据权利要求2所述的一种激光光幕弹丸或破片过靶光信号的模拟产生方法，其特征在于：所述的在虚拟过靶信号发生器软件的流程：
1)、程序初始化；设置弹丸或破片过靶参数，频率、射击发数；为了更真实模拟实际靶场情况，可对噪声设置进行选择，至此完成Ⅰ靶弹丸或破片过靶信号设置；
2)、若需对弹丸或破片过靶速度等参数进行测量，需获取其通过Ⅰ、Ⅱ两个靶道的波形数据，对经过Ⅰ、Ⅱ靶道的时间间隔进行设置即可得到弹丸或破片在Ⅰ、Ⅱ靶道的波形数据；
3)、将数据写入输出缓存中，进行数模转换D/A后传输至硬件信号发生器驱动程序中实现过靶波形的模拟输出。
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