王 磊,趙冬娥,劉 吉,王占選,劉媛媛
(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)
體積估算是靶場測試中一項(xiàng)重要的測試指標(biāo),精確地體積估算結(jié)果為分析被測物體動能提供了重要的數(shù)據(jù)支撐[1]。
在過去的國內(nèi)靶場測試中對運(yùn)動物體進(jìn)行體積估算的研究并不多[2-3],目前,最新提出的一種體積估算方法是:根據(jù)不同測量物體(長方體、柱體、球體)的形狀利用其體積計(jì)算公式進(jìn)行體積估算[1]。這種體積估算方法涉及的參數(shù)多,估算過程較繁瑣。本文針對運(yùn)動物體體積估算提出一種基于積分的體積估算方法。
光敏管陣列激光靶測試系統(tǒng)由起始靶和停止靶兩部分組成,兩靶平行且相距固定靶距,如圖1 所示。起始靶和停止靶的硬件構(gòu)成完全相同,圖2為靶面的詳細(xì)結(jié)構(gòu),左下角的O 作為坐標(biāo)平面的原點(diǎn),水平方向?yàn)閄 軸,垂直方向?yàn)閅 軸。在X 軸和Y 軸上各有一組平行激光光幕,兩組平行激光光幕交匯后到達(dá)對面與其平行的光敏管陣列,光敏二極管之間無間隙緊密排列。測試過程中,平行激光光幕開啟并保持穩(wěn)定,光敏管陣列都處于工作狀態(tài)。沒有物體經(jīng)過時(shí),每個(gè)光敏管都能接收到對面發(fā)射的激光,當(dāng)有物體經(jīng)過光幕交匯區(qū)時(shí),遮擋部分光,被遮擋的光無法被X 軸和Y 軸方向上的光敏二極管探測到,使得電平轉(zhuǎn)換電路的輸出電平發(fā)生跳變,采集的數(shù)字信號也隨之變化。
圖1 測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test system
圖2 平行光幕區(qū)Fig.2 Parallel screen area
最新提出的一種體積估算方法通過對柱體、雙椎體、球體進(jìn)行體積公式的推導(dǎo)對物體進(jìn)行體積估算。這種體積估算方法存在以下缺陷:1)估算方法涉及的參數(shù)多,估算過程較繁瑣;2)對運(yùn)動物體規(guī)格要求較高,物體必須是柱體、雙椎體、球體等非常規(guī)則的形狀才能進(jìn)行體積估算;3)當(dāng)物體不是垂直入射時(shí),該體積估算方法會產(chǎn)生較大誤差。
對于入射的規(guī)則形狀物體,利用公式構(gòu)造數(shù)學(xué)模型涉及參數(shù)較多且過程繁瑣,通過在三維空間對每個(gè)采樣時(shí)刻運(yùn)動物體橫截面進(jìn)行積分可實(shí)現(xiàn)對物體體積的估算。
如圖3所示,物體斜入射經(jīng)過二維激光光幕時(shí)會在X 軸和Y 軸方向遮擋到達(dá)光敏管陣列探測器的光(以長方體為例),采集系統(tǒng)將每個(gè)采樣時(shí)刻X軸和Y 軸上被擋光的光敏管的數(shù)量采集下來,根據(jù)遮擋的光敏管個(gè)數(shù)信息可得出物體遮擋激光光幕的橫截面的直角邊的長度(圖3中加粗的直線),經(jīng)計(jì)算可得該采樣時(shí)刻下?lián)豕饨孛娴拿娣e。
圖3 斜入射情況下物體與激光光幕相對位置圖Fig.3 The relative positions of the objects with Laserscreen in the case of oblique incidence
在某一采樣時(shí)刻,物體經(jīng)過光幕時(shí)橫截面在X軸(Y 軸)的最大值l計(jì)算公式為:
其中n為被遮擋光敏管個(gè)數(shù),l′為光敏管寬度。
如圖4所示,運(yùn)動物體經(jīng)過光幕時(shí)在X 軸方向遮擋4個(gè)光敏管的光,在Y 軸方向遮擋3個(gè)光敏管的光,每個(gè)光敏管寬度為4mm,則物體X 軸長度為16mm,Y 軸長度為12mm。
圖4 物體遮擋X、Y 軸示意圖Fig.4 Schematic diagram of object obstructing the X,Yaxis schematic
依據(jù)物體的X、Y 軸方向的尺寸,可以計(jì)算出該采樣時(shí)刻橫截面為橢圓(包括圓)和長方體(包括正方體)的面積S,以物體在相鄰采樣間隔的間隔位移dL 作為積分元對所有采樣時(shí)刻物體橫截面積進(jìn)行積分運(yùn)算可計(jì)算得到物體體積V:
其中t0為物體進(jìn)入激光光幕的時(shí)刻,t為物體離開激光光幕的時(shí)刻,dL 計(jì)算公式為:
其中v-為物體運(yùn)動經(jīng)過激光光幕時(shí)的平均速度,fs為采樣頻率。圖5 為采樣面積積分示意圖,如圖所示相鄰兩個(gè)采樣橫截面間的距離為物體的間隔位移dL。
圖5 采樣面積積分示意圖Fig.5 Schematic diagram of the sampling area integration
根據(jù)基于橫截面的體積估算原理設(shè)計(jì)了基于LabVIEW 的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),通過仿真驗(yàn)證創(chuàng)新點(diǎn)。利用LabVIEW 虛擬儀器軟件編程生成一組驗(yàn)證性數(shù)據(jù),驗(yàn)證性數(shù)據(jù)是模擬長方體斜入射通過光敏管陣列激光靶的情形設(shè)定的,通過將經(jīng)過“體積估算”程序處理后的結(jié)果與預(yù)定結(jié)果進(jìn)行比對,可以檢驗(yàn)“體積估算”程序的正確與否[4-6]。
設(shè)長方體的長、寬、高分別為48mm、16mm、16 mm。如圖3所示,長方體以一定角度入射,經(jīng)過起始靶在X 軸首先遮擋第4(以原點(diǎn)為坐標(biāo)0點(diǎn))路光敏管,接著遮擋第4、5 兩路光敏管,繼而第4、5、6路,最終遮擋了第4到7路光敏管,保持遮擋4、5、6、7路光敏管一定時(shí)間后又依次停止了對4、5、6、7路光敏管的遮擋,脫離起始靶;在Y 軸上,整個(gè)過程都遮擋了41、42、43、44路光敏管。與經(jīng)過起始靶的過程相同,經(jīng)過停止靶時(shí),遮擋的X 軸光敏管路數(shù)依次為24、25、26、27;遮擋Y 軸情況與起始靶相同。系統(tǒng)的采樣頻率為2MHz,靶距為1m,光敏管的長度為4mm。
由驗(yàn)證數(shù)據(jù)計(jì)算得到坐標(biāo)結(jié)果為:
則物體經(jīng)過起始靶的坐標(biāo)為(20,168),經(jīng)過停止靶的坐標(biāo)為(28,168)。
物體斜入射的入射角
物體體積
利用LabVIEW 虛擬儀器對生成的驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到對高速運(yùn)動物體進(jìn)行靶距修正和體積估算的結(jié)果,并利用修正后的靶距計(jì)算物體的運(yùn)動速度、入射角度偏移量等測量參數(shù)。數(shù)據(jù)處理結(jié)果在LabVIEW 前面板的顯示如圖6所示。
從圖6的兩個(gè)坐標(biāo)靶可以看出物體在起始靶的坐標(biāo)為(20,168),在停止靶的坐標(biāo)為(100,168)。經(jīng)過LabVIEW 數(shù)據(jù)處理后的坐標(biāo)與由驗(yàn)證數(shù)據(jù)計(jì)算得到坐標(biāo)相吻合。角度偏移量為4.57°,與由驗(yàn)證數(shù)據(jù)得到的入射角相等。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對體積估算結(jié)果為12 263.1mm3,驗(yàn)證性數(shù)據(jù)得到的物體體積為12 288mm3,誤差約為0.2%。
通過和LabVIEW 生成的驗(yàn)證數(shù)據(jù)相比較可以看出,基于LabVIEW 的針對物體斜入射體積估算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對物體體積的精確估算,測試結(jié)果精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位,滿足一般測試的要求。很明顯,對于斜入射物體的靶距、速度、入射角、體積估算等數(shù)據(jù)處理上,新方法具有很大的優(yōu)勢。
圖6 LabVIEW 軟件的數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.6 Data processed by LabVIEW software
本文提出了光敏管陣列激光靶基于橫截面積分的體積估算方法。該方法通過計(jì)算每個(gè)采樣時(shí)刻物體遮擋X、Y 軸的尺寸得到物體在該時(shí)刻的橫截面積,再以物體在相鄰采樣時(shí)刻內(nèi)運(yùn)動的間隔位移為積分元對所有采樣時(shí)刻物體的橫截面積進(jìn)行積分完成對物體的體積估算。仿真表明基于橫截面積分的體積估算方法誤精確度較高,該體積估算方法對于提高靶場測試的效率、測試范圍和精確度具有重要作用。
[1]魯倩.飛行破片動能光幕測試技術(shù)[D].西安:西安工業(yè)大學(xué),2012.
[2]趙冬娥,周漢昌.基于大面積激光光幕的彈丸速度測試技術(shù)研究[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào),2005(3):416-419.
[3]黃智,趙冬娥.虛擬儀器和PCI總線在光彈測速中的應(yīng)用[J].探測與控制學(xué)報(bào),2010(32):68-71.
[4]侯鷹.虛擬儀器技術(shù)在常規(guī)靶場動態(tài)參數(shù)測試中的應(yīng)用研究[D].南京:南京理工大學(xué),2001.
[5]陳 樹 學(xué) .LabVIEW 寶 典[M].北 京:電 子 工 業(yè) 出 版社,2011.
[6]高聰杰,李松巖,徐赫.基于LabVIEW 的信號輸出與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008(721):135-136.