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(中國人民解放軍 91851部隊(duì),遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

空中靶標(biāo)在導(dǎo)彈或火炮攻擊下的信息獲取是評判防空武器性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于評定硬殺傷武器的解算瞄準(zhǔn)精度[1]，改進(jìn)設(shè)計解算模型，具有重要意義。傳統(tǒng)的中靶檢測方案主要有光學(xué)交會和震動分析法等[2]，其中，光學(xué)交會法通過高速攝像機(jī)拍攝空中靶標(biāo)跟炮彈或?qū)椊粫闆r進(jìn)行中靶判別[2]，由于距離遠(yuǎn)，光學(xué)分辯率不高，許多情況下目標(biāo)成像不清晰，無法進(jìn)行有效辯別；振動分析法通過在彈體上加裝振動傳感器，利用空中靶標(biāo)被命中后的沖擊頻譜變化情況進(jìn)行中靶分析，該方法由于飛行過程中彈體本身震動等原因，難以對靶標(biāo)命中后的震動譜進(jìn)行有效分析識別。本文提出一種光纖網(wǎng)格的空中靶標(biāo)中靶檢測系統(tǒng)，能較好獲取空中靶標(biāo)的中靶信息。

1 基本原理

基于光纖網(wǎng)格的空中靶標(biāo)中靶檢測系統(tǒng)，采用在靶標(biāo)表面沿經(jīng)緯方向交錯布設(shè)傳感光纖，通過探測傳感光纖中光信號的有無狀態(tài)來判斷光纖的斷裂狀態(tài)，根據(jù)傳感光纖的斷裂數(shù)量及位置來判斷防空武器的毀傷區(qū)域。其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

當(dāng)靶標(biāo)受到外部撞擊后，由最早撞擊接觸點(diǎn)開始擴(kuò)散形成損傷區(qū)域，位于該區(qū)域的光纖網(wǎng)格傳感器將會損壞，信息采集處理電路通過探測每一路傳感光纖的光信號從有到無的變化，確定對應(yīng)傳感光纖的通斷狀態(tài)[3]。上位機(jī)利用經(jīng)緯光纖交錯區(qū)域唯一的特性，結(jié)合光纖網(wǎng)格傳感器與靶目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系解析獲得撞擊后形成的彈孔區(qū)域坐標(biāo)[4]，并根據(jù)穩(wěn)態(tài)下彈孔數(shù)量給出最終毀傷區(qū)域。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

中靶檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括光纖傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、信息采集處理設(shè)備設(shè)計。

2.1 光纖傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計直接關(guān)系到中靶檢測系統(tǒng)的檢測精度，其主要包括光纖的網(wǎng)格設(shè)計及光纖的布局設(shè)計[5]。本方案綜合考慮靶標(biāo)尺寸及探測精度的需求，在不影響檢測精度的前提下，采用了光纖串接方案，對光纖網(wǎng)進(jìn)行了設(shè)計。

2.1.1 光纖網(wǎng)格設(shè)計方案

1)網(wǎng)格纏繞方案：光纖網(wǎng)采用了一種“回字形”的光纖網(wǎng)格設(shè)計方案。將光纖網(wǎng)格傳感系統(tǒng)中的三條直線傳感光纖串連合并為一路進(jìn)行探測，采用這種方案網(wǎng)格復(fù)雜度較單根光纖大幅降低。

2)網(wǎng)格密度：假設(shè)攻擊靶標(biāo)的破壞或炮彈尺寸為Φ，在光纖布設(shè)過程中需要保證炮彈可以擊中光纖，考慮到炮彈或彈片擊中靶標(biāo)后的碎片云效應(yīng)，實(shí)際彈孔孔徑約為炮彈或彈片尺寸的1.2倍。因此綜合考慮測量精度與系統(tǒng)復(fù)雜度的要求，設(shè)定光纖網(wǎng)格間距為d=1.2 Φ。

2.1.2 光纖布設(shè)方案

光纖布設(shè)方式如圖2所示，將光纖沿經(jīng)緯方向嵌入到靶標(biāo)內(nèi)壁隔熱層中，考慮到靶標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的情況，實(shí)行分區(qū)布纖的方式，不同區(qū)域之間的各路傳感光纖通過光纖連接器實(shí)現(xiàn)連通。

圖2 光纖布設(shè)示意圖

各個艙段的傳感光纖實(shí)行單獨(dú)布設(shè)的原則。不同艙段間的傳感光纖通過多芯光纖連接器進(jìn)行續(xù)接。多芯光纖連接器可以實(shí)現(xiàn)多路光纖的集成連接，有利于系統(tǒng)小型化的需求。

2.1.3 檢測誤差分析

對于光纖網(wǎng)格傳感系統(tǒng)而言，撞擊光纖網(wǎng)格的位置主要分為兩種：1)撞擊部位在經(jīng)緯方向兩根光纖的交叉范圍內(nèi)，如圖3(a)所示；2)撞擊部位在經(jīng)度(緯度)方向相鄰兩根光纖之間，如圖3(b)所示。下面對這兩種情況下的檢測精度分別進(jìn)行分析。

圖3 撞擊部位示意圖

2.2 信息采集處理系統(tǒng)設(shè)計

信息采集處理系統(tǒng)示意圖如圖4所示，主要包含光源、二次電源、1×N光分路器、光電探測器、信息采集處理電路。二次電源作用是系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備提供相應(yīng)的供電，光分路器作用是將光源發(fā)出的連續(xù)光分成N路，分別與各路傳感光纖相連接。光電探測器通過探測光纖中光信號并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，信息采集處理電路可將光電探測器發(fā)送的電信號進(jìn)行判決與處理。其中，光源、二次電源和光電探測器均可采用市場成品部件[7]。

圖4 信息采集處理設(shè)備示意圖

2.2.1 1×N光分路器

選用二氧化硅波導(dǎo)作為MMI功分器的材料，可有效降低光功率損耗，且該類光功分器生產(chǎn)技術(shù)成熟。通過設(shè)定合適的參數(shù)，可確定MMI功分器折射率模型中的有效折射率nc為1.44854，波導(dǎo)中心間距為19 μm，MMI區(qū)的寬度為19×16=304 μm，干涉區(qū)長度L為5397.9 μm，上述參數(shù)確定后，在BPM仿真軟件中進(jìn)行計算，優(yōu)化參數(shù)得到最佳的輸出結(jié)果[8]。圖5是在optiwaveBPM軟件中輸入的器件模型。

圖5 MMI功分器器件模型

2.2.2 光電探測器電路設(shè)計

光電探測器電路用于對光電轉(zhuǎn)換器件輸出的微弱電壓或電流信號進(jìn)行放大、處理和整形輸出。為應(yīng)對數(shù)據(jù)采集的高速與準(zhǔn)確需求，提出將 APD 與前置放大器電路配合使用的方法。利用光電轉(zhuǎn)換信噪比數(shù)學(xué)模型，確定選擇與 APD 匹配的電路器件，給出了前置放大器采用低噪聲的分體器件與集成運(yùn)算放大器相組合的設(shè)計方法。其電路圖設(shè)計如圖6所示。

圖6 光電探測器設(shè)計電路圖

2.2.3 信息采集處理電路設(shè)計

靶標(biāo)中靶是一個瞬態(tài)過程，由光電探測器陣列采集的光信號轉(zhuǎn)換成電信號后，傳輸至高速數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)進(jìn)行高速判決、編碼、組幀、封幀、發(fā)送等工作[9]。該分系統(tǒng)劃分為高速判決電路和信息處理電路。

1)高速判決電路：高速判決電路用于對光路通斷進(jìn)行判定，高速判決電路采用一個高速比較器實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)時間在ns量級。靶標(biāo)中靶后，相應(yīng)撞擊點(diǎn)的經(jīng)緯度光纖會斷裂。光纖原來是通光狀態(tài)(為“1”)，斷裂瞬間變?yōu)椴煌ü?為“0”)。在不通光的這個瞬間需要光電探測器對其通斷狀態(tài)進(jìn)行檢測，經(jīng)后端放大電路處理后由高速比較器進(jìn)行判決。判決依據(jù)取決于后端判決電路的門限，而門限的值將根據(jù)無光狀態(tài)和通光狀態(tài)下對應(yīng)的電壓值來設(shè)定。

2)信息采集處理電路：信息采集處理電路是以單片機(jī)為核心的信號采集單元，通過單片機(jī)模塊，負(fù)責(zé)光電探測器輸出電信號的判斷處理，電信號經(jīng)過電壓比較器LM339N的比較，將高低電平處理成‘0’‘1’信號，傳入單片機(jī)芯片89C52進(jìn)行處理。該電路板主要功能是實(shí)現(xiàn)對信息采集處理設(shè)備工作狀態(tài)的采集和光纖傳感網(wǎng)格中光纖通斷信息的采集、編碼、組幀、封幀及發(fā)送等工作。

3 軟件設(shè)計及仿真

3.1 軟件開發(fā)平臺

根據(jù)系統(tǒng)仿真要求，利用VC++軟件平臺的MFC功能，建立基于VC++平臺的仿真軟件可視化系統(tǒng)，可以更為直觀的反映仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。創(chuàng)建軟件界面如圖7所示。

圖7 仿真軟件界面

3.2 仿真系統(tǒng)軟件使用步驟

3.2.1 串口數(shù)據(jù)顯示界面及功能語句

1)串口數(shù)據(jù)經(jīng)過USB轉(zhuǎn)串口傳入后臺，供后臺程序處理。

2)顯示界面包括串口設(shè)置、通訊狀態(tài)、故障情況定位界面。其中，在故障定位界面，設(shè)置了8行8列顯示串口，行列交叉節(jié)點(diǎn)顯示該通路的情況。故障情況用三個符號表示，行和列正常工作時，所有節(jié)點(diǎn)全部顯示‘√’；某一路有故障時，該路經(jīng)過的所有節(jié)點(diǎn)顯示‘×’；行和列同時故障時在交叉節(jié)點(diǎn)顯示‘▲’；

3.2.2 使用步驟及界面顯示效果

選擇相應(yīng)串口、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位，點(diǎn)擊“打開串口”程序即可運(yùn)行。其步驟。

1)選擇相應(yīng)串口(這里選擇的是COM5)。

2)選擇波特率(本設(shè)計默認(rèn)9600)。

3)數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位都為默認(rèn)，不需選擇。

4)點(diǎn)擊 ‘打開串口’程序即可運(yùn)行。

3.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)所設(shè)計搭建的16光纖網(wǎng)信息高速采集系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真，通過激光器，16路分光器，光纖探測網(wǎng)，光電探測器，數(shù)據(jù)采集和處理模塊的集中連接，實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖8-11所示。在信息處理仿真平臺中，選擇相應(yīng)串口，9600波特率后，點(diǎn)擊 ‘打開串口’，數(shù)據(jù)效果會在下圖的界面顯示。串口數(shù)據(jù)包括兩部分，行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)，對行列數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)三種效果顯示。當(dāng)行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)都為1，即兩光纖通路是正常的，我們在交叉節(jié)點(diǎn)用‘√’顯示；當(dāng)行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)都為0，即兩光纖通路全斷，在交叉節(jié)點(diǎn)用‘▲’顯示；當(dāng)行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)有且只有一個為0，另一個為1，即有一路光纖是斷路的，把這路所有交叉點(diǎn)用‘×’顯示。

為仿真光纖傳感網(wǎng)絡(luò)受沖擊后的損傷情況，通過斷開某幾路經(jīng)緯布置的光纖來進(jìn)行模擬。將軟件顯示的光纖網(wǎng)格受損位置與實(shí)際結(jié)果相對比，可發(fā)現(xiàn)由采集數(shù)據(jù)推演的中靶點(diǎn)位置與實(shí)際位置一致，因此可通過該系統(tǒng)分析出彈丸對空中靶標(biāo)的撞擊位置坐標(biāo)。

圖8 監(jiān)測區(qū)域正常

根據(jù)實(shí)際情況的狀態(tài)分析，我們模擬實(shí)驗(yàn)性的仿真了以下四種情況，分別為：所探測的區(qū)域狀態(tài)完好，這時16路光路信號顯示正常，如圖8所示，此時串口顯示圖均為正確符號√；第二種情況為所探測的區(qū)域完全損毀，相應(yīng)的16路光信號全部中斷，如9所示，此時，串口數(shù)據(jù)顯示圖均為符號▲；第三種情況為所探測的區(qū)域由于某種原因，只有一路光纖信號發(fā)生了損壞，此時，相應(yīng)的16路光信號中剩余的15路信號正常，此時，如圖10所示，只有某一行信號顯示為×，其余的信號顯示均為√；第四種情況即為本檢測系統(tǒng)所主要檢測的狀態(tài)，即當(dāng)某一小特定范圍內(nèi)發(fā)生損壞，損壞點(diǎn)對應(yīng)的某一行和相應(yīng)的某一列的光路信號發(fā)生中斷，16路信號中其余14路信號正常，此時，應(yīng)為如圖11所示，實(shí)驗(yàn)仿真第四行和第三列對應(yīng)的區(qū)域損毀，此時第四行和第三列除交叉點(diǎn)之外，其他的狀態(tài)符號為×，交叉點(diǎn)狀態(tài)為▲，我們根據(jù)如圖所示的狀態(tài)，從而可以反向判斷第四行和第三列對應(yīng)的區(qū)域發(fā)生損毀。

圖9 監(jiān)測區(qū)域全部損毀

圖10 監(jiān)測網(wǎng)某一路損毀

圖11 監(jiān)測網(wǎng)特定區(qū)域損毀

根據(jù)以上16路光纖網(wǎng)信息高速采集系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，我們模擬了16路情況下的特定區(qū)域的檢測系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明，仿真系統(tǒng)可以及時，精確地完成預(yù)定的檢測任務(wù)，同時將結(jié)果反饋給監(jiān)控端，從而完成了系統(tǒng)的檢測，此外，根據(jù)我們此前設(shè)計的各個分系統(tǒng)架構(gòu)，此仿真檢測系統(tǒng)可以輕易的從16路檢測系統(tǒng)擴(kuò)展到200路檢測系統(tǒng)，乃至更多，從而完成我們所需要的檢測計劃和任務(wù)。

綜上所述，通過對光纖網(wǎng)格損傷信息的及時準(zhǔn)確判定，可識別高速彈丸破壞光纖網(wǎng)格的次序，即可探測傳感光纖斷裂的時間先后，可用于確定首次撞擊部位以及損傷過程，且撞擊精度較高，由傳感光纖網(wǎng)格密度決定，目前可達(dá)厘米級。

4 結(jié)束語

本文通過空中靶標(biāo)中靶檢測的應(yīng)用需求，提出了利用“光纖傳感網(wǎng)格”的檢測方案，以獲取炮彈或?qū)棌椘瑩糁邪袠?biāo)后對靶目標(biāo)造成的穿孔、形變、中靶位置等信息。給出了光纖中靶檢測系統(tǒng)的設(shè)計方法，并根據(jù)方案設(shè)計了實(shí)物模型。通過對實(shí)物模型的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了光纖中靶檢測系統(tǒng)能夠快速有效的判別靶標(biāo)的中靶情況。本系統(tǒng)不僅能夠滿足防空武器試驗(yàn)鑒定的需要，豐富靶試信息獲取途徑，提高命中判別的可信度，為后續(xù)空中靶標(biāo)供靶任務(wù)提供重要的試驗(yàn)參數(shù)，而且對防空武器性能考核結(jié)論具有重要參考作用。

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