張榮文

91550部隊(duì)93分隊(duì)，遼寧大連 116023

高速相機(jī)聲學(xué)觸發(fā)裝置設(shè)計(jì)

張榮文

91550部隊(duì)93分隊(duì)，遼寧大連 116023

針對(duì)無人值守高速攝像的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種用于高速相機(jī)的聲學(xué)觸發(fā)裝置。該裝置利用聲壓傳感器獲取待觀測(cè)目標(biāo)發(fā)出的聲波信號(hào)，通過單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。當(dāng)單片機(jī)判定有目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，會(huì)向高速相機(jī)的相應(yīng)控制端口發(fā)送特定的觸發(fā)信號(hào)，從而啟動(dòng)相機(jī)開始拍攝。觸發(fā)裝置由聲壓傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)、脈沖輸出電路和電源電路組成，具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

高速攝像；觸發(fā)裝置；聲波信號(hào)；單片機(jī)

在一些特殊的應(yīng)用中，利用高速相機(jī)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行拍攝時(shí)，面臨著諸多難題，如：高速目標(biāo)進(jìn)入高速相機(jī)視場(chǎng)范圍的時(shí)間不確定；高速相機(jī)記錄時(shí)間有限；拍攝地點(diǎn)必須無人職守，且相機(jī)需自動(dòng)觸發(fā)［1-2］。目前，高速相機(jī)的觸發(fā)方式主要有人工觸發(fā)、雷達(dá)觸發(fā)和紅外觸發(fā)等［3-4］。高速目標(biāo)速度較快，在高速相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)停留時(shí)間較短，因此人工觸發(fā)可靠性很低；雷達(dá)觸發(fā)可靠性好，但造價(jià)太高；紅外觸發(fā)又很容易受外界環(huán)境干擾，造成誤觸發(fā)。為此，根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)物體的聲學(xué)特征，本文設(shè)計(jì)了一種通過分析聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)高速相機(jī)拍攝觸發(fā)的裝置。

1 觸發(fā)可行性分析

本文所采用的高速攝像機(jī)工作在中觸發(fā)觸模式，并循環(huán)記錄拍攝內(nèi)容，最長記錄周期為13 s。聲學(xué)觸發(fā)裝置一旦偵測(cè)到要拍攝的目標(biāo)，就向攝像機(jī)發(fā)送觸發(fā)脈沖，保證拍攝內(nèi)容由觸發(fā)前6．5 s和觸發(fā)后6．5 s組成，完整記錄目標(biāo)經(jīng)過的全過程。

實(shí)際使用時(shí)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度馬赫不小于1，由于目標(biāo)先于聲速到達(dá)，使用前觸發(fā)模式會(huì)導(dǎo)致先于聲速到達(dá)視場(chǎng)的目標(biāo)圖像丟失。假設(shè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度為500 m／s，攝像機(jī)最佳視場(chǎng)為100 m，則物體穿過視場(chǎng)時(shí)間為200 ms。設(shè)計(jì)采用的處理器為AT-mega16單片機(jī)［5-6］，其外接16 MHz的晶體振蕩器時(shí)，每秒至少可以執(zhí)行8 000 000條指令。由于每完成一次聲壓數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算和判決需要執(zhí)行的指令不大于100條，因此1 ms內(nèi)ATmega16單片機(jī)能夠完成40次以上是否發(fā)出觸發(fā)信號(hào)的判決，完全滿足高速攝像機(jī)對(duì)觸發(fā)速度的要求。

通過以上分析可知，高速攝像機(jī)工作在中觸發(fā)模式時(shí)，可完整記錄高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在攝像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)的圖像。

2 系統(tǒng)組成

觸發(fā)裝置由聲壓傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)、脈沖輸出電路和電源電路組成，如圖1所示。

圖1 聲壓觸發(fā)裝置原理

圖1中，聲壓傳感器將聲壓信號(hào)變換為電信號(hào)；信號(hào)調(diào)理電路起到阻抗匹配和放大濾波的作用；單片機(jī)負(fù)責(zé)模數(shù)轉(zhuǎn)換和目標(biāo)到達(dá)時(shí)刻估計(jì)；脈沖輸出電路在單片機(jī)的控制下輸出給高速相機(jī)電平合適的觸發(fā)脈沖信號(hào)。

2．1 電源電路設(shè)計(jì)

電源模塊選擇LM2596系列降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器［7］。當(dāng)輸入電壓在9～40 V時(shí)，LM2596固定輸出5 V電壓?；诼晧簜鞲衅鞯母咚傧鄼C(jī)觸發(fā)裝置使用12 V蓄電池供電，滿足LM2596的輸入電壓要求。LM2596開關(guān)穩(wěn)壓器最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)3 A，具有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力。LM2596內(nèi)含一個(gè)獨(dú)立的頻率振蕩器和頻率補(bǔ)償電路，需要很少的外圍元件，如圖2所示。圖2中的J5是電源接入插座，DJ3為IN5406，起到極性保護(hù)作用。

圖2 電源電路

2．2 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)

基于聲壓傳感器的高速相機(jī)觸發(fā)裝置選用ATMEL公司的8位單片機(jī)ATmega16。該款單片機(jī)采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，常用指令均為單時(shí)鐘周期指令，且片上集成8路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有極高的性價(jià)比。由ATmega16構(gòu)成的最小系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 ATmega16最小系統(tǒng)

將ATmega16單片機(jī)的PA0配置成模擬信號(hào)輸入，用于采集聲壓傳感器輸出的環(huán)境噪聲信號(hào)；C5、C6和L1構(gòu)成模擬部分電源濾波電路；A／D變換的參考電壓使用電路板供電電壓VCC；R1和C4構(gòu)成單片機(jī)的復(fù)位電路；時(shí)鐘使用16 MHz外部晶體振蕩器。將ATmega16單片機(jī)的PC0、PC1配置成輸出引腳，用于輸出脈沖觸發(fā)高速相機(jī)進(jìn)行拍攝。根據(jù)所選用高速相機(jī)的觸發(fā)協(xié)議，在需要進(jìn)行拍攝時(shí)，單片機(jī)控制PC0輸出連續(xù)5個(gè)200 ms的高電平脈沖，PC1輸出連續(xù)5個(gè)200 ms的低電平脈沖，作為高速相機(jī)的觸發(fā)信號(hào)。

2．3信號(hào)調(diào)理電路

實(shí)際待測(cè)目標(biāo)的聲源級(jí)很高，在距聲壓傳感器10m處，聲壓級(jí)不小于140 dB。聲壓傳感器采用B＆K公司產(chǎn)品，靈敏度級(jí)為－60 dB（V／Pa），因此采用圖4所示電荷放大電路結(jié)構(gòu)［8］，就可以保證模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)幅度在0．5～2．5 V，滿足采樣要求。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

3 軟件設(shè)計(jì)

程序采用C語音編寫，編譯后可執(zhí)行代碼存入ATmega16單片機(jī)內(nèi)部的FLASH存儲(chǔ)器中［9］。程序執(zhí)行流程如圖5所示。

裝置上電后，單片機(jī)連續(xù)采集聲壓數(shù)據(jù)，采集頻率為10 kHz。在單片機(jī)內(nèi)部分配1 KB的數(shù)據(jù)空間作為聲功率數(shù)據(jù)的記錄區(qū)，對(duì)應(yīng)的時(shí)長與目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)聲信號(hào)寬度相當(dāng)。程序每0．1 ms采集一組數(shù)據(jù)，進(jìn)行一次目標(biāo)是否出現(xiàn)的判斷。判斷的步驟如下：

1）計(jì)算信號(hào)功率。信號(hào)功率數(shù)據(jù)記錄區(qū)存儲(chǔ)著采樣信號(hào)X的平方值P。如圖6所示，單片機(jī)每采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)X并作平方操作得到最新值，以循環(huán)尋址方式移除最老值，存入最新值。因此，只需用當(dāng)前信號(hào)功率減去存儲(chǔ)的最老值，加上最新值就可計(jì)算出更新后的信號(hào)功率S。

圖5 主程序流程圖

2）計(jì)算背景噪聲功率。背景噪聲功率N的計(jì)算方法與上述計(jì)算信號(hào)功率的方法相似，但不是每個(gè)采樣點(diǎn)都更新最終的計(jì)算結(jié)果。如圖6所示，背景噪聲數(shù)據(jù)記錄區(qū)存儲(chǔ)著100 ms間隔的信號(hào)功率S。單片機(jī)每100 ms以循環(huán)尋址方式移除最老值，存入最新值。因此，也只需用當(dāng)前背景噪聲功率減去存儲(chǔ)的最老值，加上最新值就可計(jì)算出更新后的背景噪聲功率值。為簡化運(yùn)算，圖6中I通常取2的整數(shù)次冪，因此J＝lb I。

圖6 計(jì)算流程

3）信號(hào)功率右移4位的結(jié)果與前一個(gè)100 ms獲得的背景噪聲功率比較大小。當(dāng)信號(hào)功率是背景噪聲功率的16倍時(shí)，認(rèn)為待觀測(cè)的目標(biāo)出現(xiàn)。這里利用右移操作代替除法運(yùn)算，目的是節(jié)省指令周期數(shù)。

表1給出了完成1次判斷的指令周期數(shù)統(tǒng)計(jì)。本設(shè)計(jì)所采用的算法所需要的總指令周期數(shù)非常少，在一次數(shù)據(jù)采集間隔，即0．1 ms內(nèi)，單片機(jī)完全可以執(zhí)行完這些指令。

表1 完成1次判斷所需時(shí)鐘周期數(shù)統(tǒng)計(jì)

當(dāng)判定目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，單片機(jī)控制2個(gè)I／O接口輸出控制脈沖，2路脈沖的差分結(jié)果為周期200 ms的方波信號(hào)。該方波信號(hào)持續(xù)5個(gè)周期以上就可以啟動(dòng)高速相機(jī)進(jìn)行拍攝。

4 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)

為了證明算法的正確性，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。設(shè)定信號(hào)功率數(shù)據(jù)記錄區(qū)存儲(chǔ)深度為1 000，背景噪聲數(shù)據(jù)記錄區(qū)存儲(chǔ)深度為32，即圖6中K＝1 000，I＝32；背景噪聲功率較目標(biāo)信號(hào)功率低20 dB；信號(hào)出現(xiàn)在第2 s，持續(xù)時(shí)間100ms。

圖7 S和N隨時(shí)間的變化

圖8 S-N與16倍功率比門限的比較

圖7給出了當(dāng)目標(biāo)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，S和N對(duì)應(yīng)歸一化功率級(jí)隨時(shí)間的變化情況。圖8給出S-N與16倍功率比門限的比較，注意這里的N取較當(dāng)前S提前100 ms的值。從圖可以看出，當(dāng)設(shè)此門限時(shí)，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行正確檢測(cè)。

5 結(jié)束語

在記錄時(shí)間長度有限的情況下，拍攝運(yùn)行時(shí)伴有聲波輻射的目標(biāo)，可采用聲學(xué)觸發(fā)裝置輔助高速相機(jī)工作，以完整捕捉目標(biāo)通過相機(jī)前后規(guī)定時(shí)間段內(nèi)的全部影像。本文設(shè)計(jì)的聲學(xué)觸發(fā)裝置采用了以單片機(jī)為核心處理芯片的方案，具有尺寸小、功耗低、算法運(yùn)算量小、目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)刻判斷準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)此方案研制的聲觸發(fā)裝置經(jīng)過2年的實(shí)際使用，參與的高速拍攝任務(wù)超過140次，沒有發(fā)生誤觸發(fā)和漏觸發(fā)現(xiàn)象。因此，本方案可作為類似設(shè)計(jì)的參考。

［1］李玉廣，張志．基于圖像的高速攝像自動(dòng)觸發(fā)方法研究［J］．火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2010（4）：24-27．

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Design of the acoustic trigger device for a high-speed camera

ZHANG Rongwen
Unit No．93，Troop 91550，Dalian 116023，China

The design of an acoustic trigger device is proposed for a high-speed camera in this paper．The device u-ses sound pressure sensor to observe the acoustic signal from the targets and complete real-time analysis of the input signal by themicrocontroller．When themicrocontroller judges a targetappears，itwill send a specific trigger signal to the corresponding control port of high-speed camera to make the camera work．The trigger device consists of a-coustic pressure sensors，signal conditioning circuits，microcontrollers，pulse output circuit and power supply cir-cuit，with the characteristics of small size，low power consumption，and good stability．

high-speed camera；trigger device；acoustic wave signal；microcontroller

TN911．7

A

1009-671X（2015）03-026-04

10．3969／j．issn．1009-671X．201408008

2014-09-17．

日期：2015-04-22．作者簡介：張榮文（1979-），男，工程師．

張榮文，E-mail：．zhang00258＠tom．com．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20150422．1546．002．html