CN113049635A - 一种密集连发爆炸时刻的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种密集连发爆炸时刻的测量装置及测量方法，所述测量装置包括镜头、主机以及设置在所述主机内部的控制单元和传感器；其中，所述控制单元包括放大滤波电路、转换电路、控制器和授时终端；所述转换电路和授时终端分别与所述控制器连接，所述转换电路还与所述放大滤波电路连接，所述放大滤波电路还与所述传感器连接，所述传感器的检测面位于所述镜头的汇聚线路上；其有益效果是：该方案集采集、快速存储和分析连续爆炸火光强度信息于一体，进而实现连发弹丸爆炸时刻精确测量的设备，为客观分析弹药毁伤能力提供支撑。
Description
技术领域
本发明涉及弹药爆炸测时技术领域，具体涉及一种密集连发爆炸时刻的测量装置及测量方法。
背景技术
炸药在爆炸过程中向外界发射紫外(波长小于0.38μm)、可见光(波长为0.38～0.78μm)和红外(波长大于0.78μm)波段组成的辐射能流，可见光区域内的辐射能流即形成爆炸火光现象。炸药爆炸火光具有持续时间短、强度大等特点，在爆炸参数中最难测量。
爆炸火光强度可以通过爆炸产物的各种状态方程来计算，常用的状态方程主要有两类，一类从基本假设出发推导得到的状态方程，不依赖于炸药性能试验数据；另一类依赖于炸药性能试验数据的经验或半经验状态方程。通过理论准确计算爆炸光强的方法可靠性有待进一步探讨，因而主要通过试验的方法对炸药的爆炸光强进行实际测量。
早期爆炸火光光强是通过高速摄影仪来测定的，光强越高，信号越强，底片黑度越大，通过对底片的处理，确定光强，这种方法既麻烦，误差又大，且对信号的光谱特性毫无了解。
后来，利用热辐射检测技术对炸药，特别是液体炸药的爆炸温度进行了实验测量，该方法基于爆炸产物处于热平衡状态的假设，测量爆炸波面热辐射，根据热辐射的维恩定律确定爆炸温度，其测量值主要取决于爆炸波面的发射率。
现在国内外对爆炸火光测试主要使用光电检测方法，中北大学、南京理工大学、北京理工大学对爆炸火光的研究较多。在研究中通过试验从红外光谱中观测到炸弹爆炸时点火爆炸和二次燃烧两次热脉冲；通过试验测量4种炸药爆炸时在0.4～1.1μm光谱区域内的发光强度，光强度时程曲线的两个波峰分别与爆炸阶段和二次燃烧阶段相对应。炸药的这两个发光阶段所呈现出的试验现象的差异与其火光形成机制不同有关。中北大学刘吉等同志通过检测爆炸火光光谱来测试爆炸场参数；北京理工大学将光电综合测试系统应用于水下爆炸测试实验；中北大学刘秀等同志使用爆炸火光作为触发，配合激光光幕采集建立爆炸测试系统等。
现有的方法能够对单发炮弹爆炸光相对光强进行有效测量，但无法测量多发炮弹连续爆炸光相对光强和炮弹精准的爆炸时刻，多发连续爆炸炮弹的测量对测量系统的反应速度、精度以及噪声抑制能力等多方面性能都有较高要求。
发明内容
本发明的发明目的在于：提供了一种密集连发爆炸时刻的测量装置及测量方法，以克服现有技术中弹药靶场试验时，连发密集落弹条件爆炸时刻的精确测量问题。
第一方面：一种密集连发爆炸时刻的测量装置，所述测量装置包括镜头、主机以及设置在所述主机内部的控制单元和传感器；其中，所述控制单元包括放大滤波电路、转换电路、控制器和授时终端；
所述转换电路和授时终端分别与所述控制器连接，所述转换电路还与所述放大滤波电路连接，所述放大滤波电路还与所述传感器连接，所述传感器的检测面位于所述镜头的汇聚线路上。
作为本申请一种可选的实施方式，所述镜头采用光学镜头；所述传感器采用光电传感器。
作为本申请一种可选的实施方式，所述光电传感器包含有雪崩光电二极管阵列。
作为本申请一种可选的实施方式，所述授时终端采用北斗授时终端。
第二方面：一种密集连发爆炸时刻的测量方法，应用于第一方面所述的一种密集连发爆炸时刻的测量装置，所述方法包括：
通过镜头将爆炸时产生的火光汇聚于传感器的检测面上；
传感器将采集到的光强信号转变为电信号；
通过转换电路将处理后的所述电信号转换为数字信号；
通过控制器对采集的信号进行分析，将信号中的环境背景光滤除；
授时终端接收GPS/BD卫星信号，并产生授时信号传送给所述控制器；
所述控制器结合所接收的光强信号和授时信息，生成光强-时间信息并存储到其内部存储中；其中，所述光强-时间信息生成有光强-时间曲线；再通过对所述光强-时间曲线进行分析提取以得到连发爆炸时的起爆时刻。
作为本申请一种可选的实施方式，所述将信号中的环境背景光滤除具体包括：
构建相互连接的放大器和积分器，使其形成闭环负反馈；
将所述电信号传送至所述放大器，使得若所述放大器的输出成份中包含接近直流的极低频背景光信号，则由所述积分器输出端就会将该背景光信号放大后加载至所述放大器的负端输入上，以实现对所述电信号中因环境光、反射光所产生的极低频背景光信号得到抑制。
作为本申请一种可选的实施方式，所述起爆时刻包括单发起爆时刻和连发起爆时刻，所述单发起爆时刻通过如下步骤获取：
设置基准值；其中，所述基准值通过所述控制器对在预设时间内采集的环境光电压进行均值处理所得；
在采集到的值大于所述基准值时，对当前时刻进行标记并进行计数；
若计数次数超过阈值时，则将所标记的时刻作为准确的起爆时刻。
作为本申请一种可选的实施方式，所述连发起爆时刻的生成步骤如下：
提取所述光强-时间曲线；
获取密集连发爆炸时，首发炮弹的爆炸时刻和辐射光强的第一极大时刻；其中，所述第一极大时刻为通过对爆炸光强曲线拟合所得；所述首发炮弹的爆炸时刻通过执行获取所述单发起爆时刻的步骤生成所得；
再将两时刻所对应的时间差记为起爆修正时间；
最后通过获取剩余每发炮弹爆炸光强曲线所对应的第一极大时刻，再减去所述起爆修正时间，即可获得各发炮弹的起爆时刻，将其作为所述连发起爆时刻。
采用上述技术方案，具有以下优点：本发明提出的一种密集连发爆炸时刻的测量装置及测量方法，该方案集采集、快速存储和分析连续爆炸火光强度信息于一体，进而实现连发弹丸爆炸时刻精确测量的设备，为客观分析弹药毁伤能力提供支撑，并具有以下效果：
(1)能够高精度、高速度的采集连续爆炸光强信号；
(2)通过设有的放大滤波电路，实现爆炸火光的分离，有效抑制环境光变化对采集的光强数据的影响；
(3)通过运用控制器的分析处理，实现了连发爆炸时刻的精确测量。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的一种密集连发爆炸时刻的测量装置的连接示意图；
图2是本发明实施例中放大滤波电路的结构示意图；
图3是本发明实施例所提供的一种密集连发爆炸时刻的测量方法的流程图；
图4是本发明实施例所提供的一种单发战斗部爆炸时光强变化曲线图；
图5是本发明实施例所提供的一种连发战斗部爆炸时光强变化曲线图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
参考图1所示，一种密集连发爆炸时刻的测量装置，所述测量装置包括镜头、主机以及设置在所述主机内部的控制单元和传感器；其中，所述控制单元包括放大滤波电路、转换电路、控制器和授时终端；
所述转换电路和授时终端分别与所述控制器连接，所述转换电路还与所述放大滤波电路连接，所述放大滤波电路还与所述传感器连接，所述传感器的检测面位于所述镜头的汇聚线路上。
具体地，所述镜头采用光学镜头；所述传感器采用光电传感器；
弹丸爆炸或弹箭尾焰火光通过光学镜头将光源汇聚到光电传感器感光面上后，依据光电转换效应，光电传感器首先将光源能量变成电流信号，进而将电流信号转换成电压信号，经多级信号放大，形成可采集的0-5V范围内的电压信号，其电压幅值表征光源强度。
光电传感器采集弹丸爆炸或弹箭尾焰火光并提供触发信号，爆炸火焰其光谱主要分布于近红外谱段(500nm-1000nm)，针对该谱段范围，采用日本滨松公司的S3590近红外传感器。
所述光电传感器包含有雪崩光电二极管阵列；通过采用雪崩光电二极管(APD)阵列作为光电传感器，雪崩光电二极管利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，获得光电流的增益。它能承受更高的偏置电压，产生足够强的结电场，加速光生载流子从而使得光电流倍增，是目前微弱光信号检测中应用最为广泛的高灵敏光电探测器。
所述授时终端采用北斗授时终端；
其具体工作原理是，光源信号通过光学镜头，进入光电传感器，光电传感器将光信号变成电流信号，进而I/V电流电压转换，经过信号放大滤波处理，再经过模拟到数字AD转换采集(即所述转换电路)，最后再利用核心的控制器对信号进行识别处理并存储；其中，所述控制器采用FPGA。
具体地，通过控制器对信号进行采集与处理分析，同时具有原始信号存储能力；
利用FPGA对每次采集的数据做对比分析，并通过采集授时终端时间，可以确定爆炸准确时刻。
应用时，考虑到外界环境光的干扰，爆炸试验中的近红外光主要由弹丸爆炸或发射产生的火光、背景物体反射的太阳光和直射太阳光中红外部分，APD检测到的信号为三者的叠加。其中，爆炸火光的频率大于1kHz，由太阳光产生的干扰几乎接近直流，于是可以利用直流和交流的差异性利用积分器对信号进行滤波，所述放大滤波电路由两个放大器构成，其中一个作为放大器，另一个构成积分器，具体电路设计如图2所示。如果放大器A1的输出成份中包含接近直流的极低频背景光信号，那么由A2构成的积分器输出端就会将此背景光信号放大然后加到放大器A2的负端输入上，这样放大器A1的极低频背景光信号就会被抑制，这样就形成了一个低频段的闭环负反馈，使得背景光信号的输出接近为0，从而实现自适应环境光滤波与爆炸火光分离。
通过上述方案，集采集、快速存储和分析连续爆炸火光强度信息于一体，进而实现连发弹丸爆炸时刻精确测量的设备，为客观分析弹药毁伤能力提供支撑，并具有以下效果：
(1)能够高精度、高速度的采集连续爆炸光强信号；
(2)通过设有的放大滤波电路，实现爆炸火光的分离，有效抑制环境光变化对采集的光强数据的影响；
(3)通过运用控制器的分析处理，实现了连发爆炸时刻的精确测量。
参照图3所示，基于上述相同的发明构思，一种密集连发爆炸时刻的测量方法，应用于前文所述的一种密集连发爆炸时刻的测量装置，所述方法包括：
S101，通过镜头将爆炸时产生的火光汇聚于传感器的检测面上。
具体地，所述镜头采用日本KOWA公司的KOWA-LM50HC-SW，从而通过设有的光学镜头将光源汇聚到传感器感光面上。
S102，传感器将采集到的光强信号转变为电信号。
具体地，光电传感器首先将光源能量变成电流信号，进而将电流信号转换成电压信号，经多级信号放大，形成可采集的0-5V范围内的电压信号，其电压幅值表征光源强度。
S103，通过转换电路将处理后的所述电信号转换为数字信号。
具体地，通过AD转换芯片进行转换处理，例如，可采用AD7274芯片所构成的外围电路进行处理。
S104，通过控制器对采集的信号进行分析，将信号中的环境背景光滤除。
其中，所述将信号中的环境背景光滤除具体包括：
构建相互连接的放大器和积分器，使其形成闭环负反馈；
将所述电信号传送至所述放大器，使得若所述放大器的输出成份中包含接近直流的极低频背景光信号，则由所述积分器输出端就会将该背景光信号放大后加载至所述放大器的负端输入上，以实现对所述电信号中因环境光、反射光所产生的极低频背景光信号得到抑制。
S105，授时终端接收GPS/BD卫星信号，并产生授时信号传送给所述控制器。
S106，所述控制器结合所接收的光强信号和授时信息，生成光强-时间信息并存储到其内部存储中；其中，所述光强-时间信息生成有光强-时间曲线；再通过对所述光强-时间曲线进行分析提取以得到连发爆炸时的起爆时刻。
具体地，所述起爆时刻包括单发起爆时刻和连发起爆时刻，所述单发起爆时刻通过如下步骤获取：
设置基准值；其中，所述基准值通过所述控制器对在预设时间内采集的环境光电压进行均值处理所得；
在采集到的值大于所述基准值时，对当前时刻进行标记并进行计数；
若计数次数超过阈值时，则将所标记的时刻作为准确的起爆时刻。
通过举例对上述单发起爆时刻的获取步骤进行说明，首先，FPGA对开始的两个值做一次均值，作为初始零电平的值Average，即为上述所述的基准值；假设t时刻采集的值为Data(t)，当其满足：Date(t)-Average>gate(门限值)，则认为这是由火光信号引起的信号变化，但也可能是由突发干扰引起的尖峰，所以暂时标记此次变化产生的时间，并将计数器n的值加4，n的初始值为0。
当信号相对于零电平变化量小于阈值时，将计数器n减1，若此信号由突发干扰引起，其持续时间一般小于火光信号的持续时间，无法持续地触发计数器的值增加，因此计数器会因为后续差值过小而被减至0。
若此信号由火光信号引起，则当触发次数超过4次时，可以确定这是有效信号，立即存储在n＝0时暂时标记的时间点为准确起爆时刻。
对应的，所述连发起爆时刻的生成步骤如下：
提取所述光强-时间曲线；其中，所述光强-时间曲线由根据密集连发爆炸时，所采集存储的光强-时间信息生成；
获取密集连发爆炸时，首发炮弹的爆炸时刻和辐射光强的第一极大时刻；其中，所述第一极大时刻为通过对爆炸光强曲线拟合所得；所述首发炮弹的爆炸时刻通过执行获取所述单发起爆时刻的步骤生成所得；
再将两时刻所对应的时间差记为起爆修正时间；
最后通过获取剩余每发炮弹爆炸光强曲线所对应的第一极大时刻，再减去所述起爆修正时间，即可获得各发炮弹的起爆时刻，将其作为所述连发起爆时刻。
实际应用时，在对连发射击中第一发以后爆炸的弹丸进行光强探测时，会受到前面爆炸产生的烟尘和残留火光的影响，常常无法从光强变化曲线中探测精确起爆时刻。因此，提出了采用时间修正的方法，实现连发弹丸爆炸时刻的提取。
不同当量爆炸光辐射强度随时间变化均呈现双脉冲波形。发明人在实际测试采集到的火箭杀爆弹单发战斗部爆炸时光强变化曲线见图4，连发战斗部爆炸光强变化曲线见图5。
从图4中可以看出，爆炸光光强变化有4个显著的拐点。其中A点对应起爆时刻TA，B点对应辐射光强第1极大时刻TB，C点对应辐射光强第1极小时刻TC，D点对应辐射光强第2极大时刻TD。连发弹丸爆炸的光强变化曲线中，第一发之后的弹丸所对应的起爆时刻A点常常难以探测，但光强较大的B点、D点可被探测。这是因为B点、D点可被探测是由于辐射光强足够大，透射光以及反射光从烟尘包裹中泄露出来。对于爆炸当量、试验环境等均一致的连发火箭弹，每发爆炸光强变化特征点的时间间隔是基本一致的。因而可以通过探测B、D点的精确时刻，通过对时刻进行修正，推算精确爆炸时刻A。
由于烟尘遮挡、采集误差、噪声等的存在，B点、D点的光强变化虽可被探测，但探测精度是不同的。B点前后光强变化显著，其对应时刻测量精度较高，适合用于时间修正。连发制导火箭弹第一发爆炸时，光强探测设备不受烟尘干扰，可以采集到比较理想的光强变化曲线，能够解算出A点、B点对应的起爆绝对时刻，时间精度与采样间隔相关。将A点与B点对应的时间差记为起爆修正时间△t。之后的火箭弹，通过探测每发火箭弹爆炸光强曲线B点对应的时刻，再减去起爆修正时间△t，即可获得该发弹的起爆时刻。
对于首发弹丸A点对应时刻的提取，可以采用前述单发弹丸爆炸时刻提取方法进行提取；对于B点(即所述第一极大时刻)的提取，采取曲线拟合求取极值的方法，经过对比，利用复合高斯曲线进行迭代拟合的效果较好，可以完成B点对应时刻的精确提取。
通过上述方案，具有以下优点：
能够高精度、高速度的采集连续爆炸光强信号；
设计了自适应环境光滤波处理方案，实现爆炸火光的分离，有效抑制环境光变化对采集的光强数据的影响；
建立了烟尘遮蔽条件下连发爆炸时刻提取方法，实现了连发爆炸时刻的精确测量。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (8)
1.一种密集连发爆炸时刻的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括镜头、主机以及设置在所述主机内部的控制单元和传感器；其中，所述控制单元包括放大滤波电路、转换电路、控制器和授时终端；
所述转换电路和授时终端分别与所述控制器连接，所述转换电路还与所述放大滤波电路连接，所述放大滤波电路还与所述传感器连接，所述传感器的检测面位于所述镜头的汇聚线路上。
2.根据权利要求1所述的一种密集连发爆炸时刻的测量装置，其特征在于，所述镜头采用光学镜头；所述传感器采用光电传感器。
3.根据权利要求2所述的一种密集连发爆炸时刻的测量装置，其特征在于，所述光电传感器包含有雪崩光电二极管阵列。
4.根据权利要求1所述的一种密集连发爆炸时刻的测量装置，其特征在于，所述授时终端采用北斗授时终端。
5.一种密集连发爆炸时刻的测量方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的一种密集连发爆炸时刻的测量装置，所述方法包括：
通过镜头将爆炸时产生的火光汇聚于传感器的检测面上；
传感器将采集到的光强信号转变为电信号；
通过转换电路将处理后的所述电信号转换为数字信号；
通过控制器对采集的信号进行分析，将信号中的环境背景光滤除；
授时终端接收GPS/BD卫星信号，并产生授时信号传送给所述控制器；
所述控制器结合所接收的光强信号和授时信息，生成光强-时间信息并存储到其内部存储中；其中，所述光强-时间信息生成有光强-时间曲线；再通过对所述光强-时间曲线进行分析提取以得到连发爆炸时的起爆时刻。
6.根据权利要求5所述的一种密集连发爆炸时刻的测量方法，其特征在于，所述将信号中的环境背景光滤除具体包括：
构建相互连接的放大器和积分器，使其形成闭环负反馈；
将所述电信号传送至所述放大器，使得若所述放大器的输出成份中包含接近直流的极低频背景光信号，则由所述积分器输出端就会将该背景光信号放大后加载至所述放大器的负端输入上，以实现对所述电信号中因环境光、反射光所产生的极低频背景光信号得到抑制。
7.根据权利要求5所述的一种密集连发爆炸时刻的测量方法，其特征在于，所述起爆时刻包括单发起爆时刻和连发起爆时刻，所述单发起爆时刻通过如下步骤获取：
设置基准值；其中，所述基准值通过所述控制器对在预设时间内采集的环境光电压进行均值处理所得；
在采集到的值大于所述基准值时，对当前时刻进行标记并进行计数；
若计数次数超过阈值时，则将所标记的时刻作为准确的起爆时刻。
8.根据权利要求7所述的一种密集连发爆炸时刻的测量方法，其特征在于，所述连发起爆时刻的生成步骤如下：
提取所述光强-时间曲线；
获取密集连发爆炸时，首发炮弹的爆炸时刻和辐射光强的第一极大时刻；其中，所述第一极大时刻为通过对爆炸光强曲线拟合所得；所述首发炮弹的爆炸时刻通过执行获取所述单发起爆时刻的步骤生成所得；
再将两时刻所对应的时间差记为起爆修正时间；
最后通过获取剩余每发炮弹爆炸光强曲线所对应的第一极大时刻，再减去所述起爆修正时间，即可获得各发炮弹的起爆时刻，将其作为所述连发起爆时刻。
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