崔旭超,閆振綱,王憲濤,姚強(qiáng)強(qiáng),宋英民,孫衛(wèi)平

(1.長春理工大學(xué), 長春 130022; 2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065)

0 引言

伴隨著航天活動(dòng)的不斷增加,空間垃圾不斷增多,空間碎片對人類的航天活動(dòng)存在著巨大的危險(xiǎn)隱患[1]。航天器防護(hù)板的設(shè)計(jì)和空間碎片撞擊仿真模擬的系統(tǒng)完善,則需要大量且準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)支撐。其中碎片的飛行速度,飛行軌跡和碎片的形貌特征(包括尺寸、形狀、飛行姿態(tài)等)是重要的測試內(nèi)容,針對以上參數(shù)的精確測量,對航天器防護(hù)工作是極其重要的,通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)積累,從而對防護(hù)板的設(shè)計(jì)和仿真系統(tǒng)建立提供量化的數(shù)據(jù)支撐。

空間碎片測試方法分為空基和地基。因?yàn)榭栈鶞y試方法不容易實(shí)現(xiàn),而且經(jīng)濟(jì)成本太高,所以地基模擬空間碎片飛行試驗(yàn)就成了經(jīng)濟(jì)有效的測試手段[2]。地基模擬碎片飛行裝置對碎片的形狀、尺寸、材質(zhì)、重量有著較大的使用范圍,并且發(fā)射速度有著良好的重復(fù)性。目前對于毫米級飛行碎片的測試方法包括通斷靶法、激光遮斷法、磁感應(yīng)法以及高速攝影等。賈俊清[3]應(yīng)用通斷靶測速系統(tǒng)對碎片的穿透性能進(jìn)行了研究。鄧云飛等[4]研制了一種用于二級輕氣炮的遮擋式激光測速系統(tǒng),并且可以通過過靶波形粗略估計(jì)彈丸尺寸。李士彥等[5]采用雙測速電磁感應(yīng)線圈區(qū)截測時(shí)方法對超高速彈丸炮口初速進(jìn)行了測試與研究。趙奇峰等[6]利用高速攝影圖像模板匹配技術(shù)對二級輕氣炮毫米級彈丸飛行速度進(jìn)行測試。

在針對空間碎片飛行參數(shù)的測試方法中,攝影測試技術(shù)作為一種可視化、非接觸、高精度、可靠性高的測試技術(shù),被廣泛應(yīng)用于各種試驗(yàn)研究中[7-10]。對于超高速飛行的空間碎片,需要超高記錄頻率和高分辨率才能對其進(jìn)行直觀有效測試,但是高速攝影設(shè)備的超高拍攝頻率不能兼顧相機(jī)的分辨率,不利于對毫米級碎片的測試工作,并且高速攝影機(jī)價(jià)格昂貴,對于超高速碎片測試任務(wù)來說成本很大。本文提出了一種基于普通高分辨率CCD攝影的測試方法,通過CCD相機(jī)和高頻激光光源的協(xié)調(diào)工作,在不降低相機(jī)分辨率的情況下,在一幅圖像中多重曝光,獲得2個(gè)甚至多個(gè)碎片的瞬間運(yùn)動(dòng)影像,通過碎片影像計(jì)算其運(yùn)動(dòng)參數(shù),測試系統(tǒng)也可通過增加CCD的數(shù)量獲得大范圍、長時(shí)間的碎片飛行過程。

1 地基模擬空間碎片測試技術(shù)綜述

1.1 通斷靶測試方法

通斷靶法通過高精度計(jì)時(shí)儀器記錄碎片飛過通靶和斷靶的飛行時(shí)間,通過測算穿靶位置,從而計(jì)算碎片的飛行速度和飛行軌跡[11]。測試原理圖如圖1所示。

通斷靶測試方法簡單,易操作,通過穿靶位置準(zhǔn)確測量碎片飛行距離,從而獲得精確的飛行參數(shù),對碎片的飛行軌跡進(jìn)行描述。由于通斷靶作為接觸式測試方法,撞擊誤差和靶面形變會導(dǎo)致測試結(jié)果存在較大誤差。

圖1 通斷靶測試方法原理圖

1.2 激光遮斷法

激光遮斷法的測試原理類似于激光光幕靶測速原理,當(dāng)破片飛過光束時(shí)則會遮擋光束,造成激光探測器的輸出停止,產(chǎn)生的脈沖信號發(fā)送給計(jì)時(shí)儀,從而記錄破片飛過光束的時(shí)間[12-13]。測試原理圖如圖2所示。

圖2 激光遮斷法測試原理圖

激光遮斷測速法在對采用火炮和加壓氫氣為驅(qū)動(dòng)的測試設(shè)備時(shí),容易受到強(qiáng)光和煙霧的干擾,且破片飛行方向不確定的情況,容易偏離有效激光光幕,當(dāng)破片較小時(shí),信號容易被噪聲湮滅。

1.3 磁感應(yīng)法

磁感應(yīng)法測試原理為碎片通過連續(xù)多個(gè)電磁感應(yīng)線圈,產(chǎn)生的電信號發(fā)送給高精度計(jì)時(shí)儀器,從而記錄碎片的飛行時(shí)間[14]。測試原理圖如圖3所示。

圖3 磁感應(yīng)法測試原理圖

磁感應(yīng)測速法要求碎片材質(zhì)為導(dǎo)體,無法對碎片形貌特征進(jìn)行測量,而且在應(yīng)用于大口徑輕氣炮測速任務(wù)中,磁環(huán)在高壓氣體作用下容易損壞,成本較大。

1.4 高速攝影法

高速攝影法測試原理為通過超高的拍攝頻率記錄碎片的運(yùn)動(dòng)過程[15]。測試原理圖如圖4所示。

圖4 高速攝影法測試原理圖

超高的拍攝頻率會犧牲掉相機(jī)的分辨率,對于毫米級碎片測試任務(wù)來說測試難度較大,而且在測試環(huán)境照度低的情況下,高速攝影設(shè)備快門打開時(shí)間短,碎片尺寸小且速度很快,會帶來曝光量不足和碎片影像拖影等問題,不利于后期的判斷處理,同時(shí)碎片撞擊防護(hù)板瞬間產(chǎn)生的火光容易導(dǎo)致曝光飽和,無法獲得有效的影像。

2 超高速空間碎片高分辨率測試原理

針對地基模擬空間碎片飛行試驗(yàn)的特殊應(yīng)用需求,本文提出一種毫米級超高速空間碎片高分辨率測試新方法。該方法通過多路脈沖同步控制器高精度同步控制高分辨率CCD相機(jī)和大能量高頻激光脈沖,實(shí)現(xiàn)毫米級超高速空間碎片的多次成像測試。

超高速空間碎片測試方法工作原理為:CCD相機(jī)采用投影式拍攝碎片飛行過程瞬間影像,使用高頻均勻激光作為照明光源在快門打開時(shí)間內(nèi)多次照亮視場內(nèi)的激光反射屏,并將碎片的陰影像投射到反射屏上,將CCD相機(jī)聚焦于反射屏,記錄碎片多個(gè)運(yùn)動(dòng)瞬間的陰影像。在同步控制器的控制下,保證每一個(gè)激光脈沖都會落在CCD相機(jī)對應(yīng)的快門打開時(shí)間內(nèi)。同時(shí)相機(jī)配備了激光波長的窄帶濾光片,激光的曝光量遠(yuǎn)大于自發(fā)光或者碰撞火光的曝光量,從而抑制了雜光的影響。而且由于真實(shí)曝光時(shí)間取決于激光脈沖的脈寬(一般只有10 ns),不會影像拖尾情況。毫米級碎片測試方法原理圖如圖5所示。

當(dāng)碎片穿過啟動(dòng)靶時(shí),輸出一個(gè)電信號,用于啟動(dòng)多脈沖同步控制器時(shí)序控制電路,同步控制器輸出多路延時(shí)信號,同步控制器的延時(shí)設(shè)置在測試前通過工控機(jī)設(shè)置并確認(rèn),多路延時(shí)信號分別控制激光器和高分辨率CCD相機(jī)按照預(yù)定的延時(shí)和時(shí)序進(jìn)行工作。在相機(jī)快門打開后,激光器輸出多個(gè)脈沖激光用來照亮激光反射屏,等相機(jī)快門關(guān)閉后,就可以在一幅圖像中獲得多個(gè)碎片運(yùn)動(dòng)瞬間影像。

圖5 毫米級碎片測試方法原理圖

實(shí)驗(yàn)前期,通過設(shè)置基準(zhǔn)得到單位長度與像素之間的比例尺s(m/pix),那么通過2個(gè)時(shí)刻的碎片像素坐標(biāo)點(diǎn)(X1,Y1)和(X2,Y2)就可以得到空間碎片的飛行速度,即:

(1)

式中,t為激光脈沖時(shí)間間隔。

空間碎片的實(shí)際徑向尺寸可以通過圖像中碎片徑向所占的像素?cái)?shù)和比例尺獲得,實(shí)際徑向尺寸L計(jì)算公式為:

L=m·s

(2)

式中,m為圖像中碎片徑向所占像素個(gè)數(shù)。

空間碎片的飛行軌跡方程通過一張圖像里所獲得所有碎片位置像素坐標(biāo)點(diǎn)來獲得。假設(shè)獲得坐標(biāo)個(gè)數(shù)等于2,那么可以采用2點(diǎn)式直線方程來表征,假設(shè)獲得坐標(biāo)個(gè)數(shù)大于2,那么可以采用曲線擬合方法對軌跡方程進(jìn)行描述。

該測試方法的特點(diǎn)是通過碎片瞬間運(yùn)動(dòng)影像來計(jì)算碎片的飛行參數(shù),測試精度高,激光作為拍攝光源,激光亮度高,可以彌補(bǔ)靶倉內(nèi)照度低,曝光量不足的問題,搭配窄帶濾光片可以有效避免自發(fā)光和碰撞火光的影響,激光脈沖的脈寬很短,解決了因?yàn)樗槠俣冗^高而引起的影像拖尾現(xiàn)象。

3 測試系統(tǒng)組成及功能

3.1 高分辨率CCD相機(jī)

CCD相機(jī)作為記錄毫米級飛行碎片影像的設(shè)備,要求較高的分辨率,該CCD相機(jī)選用6 600×4 400高分辨率,且工作模式可以滿足外觸發(fā),高分辨率CCD相機(jī)如圖6所示。

其主要參數(shù)如下:像素?cái)?shù)2 900萬;最小曝光時(shí)間6 μs,可自由設(shè)置;工作模式,自由運(yùn)轉(zhuǎn),外觸發(fā)可選。

通過該相機(jī)的光量子反應(yīng)效率曲線,發(fā)現(xiàn)該相機(jī)對綠光的光電轉(zhuǎn)換效率最高,所以激光照明光源采用532 nm綠光光源,在相機(jī)的前端加載了532 nm窄帶濾光片,可以有效抑制碎片的自發(fā)光以及碰撞火光帶來的影響。

3.2 大能量高頻均勻激光光源

選擇相機(jī)敏感度高的綠光激光器作為照明光源。激光器選擇YAG作為工作物質(zhì),通過電光調(diào)Q方式輸出1 064 nm序列脈沖激光,通過倍頻輸出532 nm綠光,然后經(jīng)過光纖耦合輸出均勻激光照亮視場。

由于地基模擬空間碎片飛行裝置需要抽真空模擬太空環(huán)境,因此可以用來拍攝的測試窗口比較小。希望激光光源的體積盡可能小,但是不能影響激光器輸出脈沖的能量。本文采用半導(dǎo)體泵浦固體激光器作為相機(jī)的光源,在減小激光器的體積下,有效保證激光脈沖的輸出能量。

要對超高速飛行碎片進(jìn)行有效捕獲,要求區(qū)域照明,并且要求激光照明光源不僅要脈沖能量大,而且工作頻率高,同時(shí)還要保證一定的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)入相機(jī)快門打開時(shí)間內(nèi)。為了解決上述問題,本文采用了激光偏振合成光路的方法,將2路激光光源輸出光路進(jìn)行合成輸出,這樣就增加了1倍的脈沖個(gè)數(shù),圖7為2路激光偏振合成輸出光路示意圖。

圖7 偏振合成光路示意圖

大能量高頻均勻激光光源主要參數(shù)如下:激光波長532 nm;脈沖能量≥50 mJ;激光脈寬≤12 ns;最小脈沖間隔,通過同步控制系統(tǒng)自由設(shè)置。

3.3 多脈沖同步控制系統(tǒng)

空間碎片測試方法的核心要求就是快門信號和激光脈沖同步,即每個(gè)激光脈沖落入每個(gè)對應(yīng)的快門中,單個(gè)激光脈沖和快門工作時(shí)序工作示意圖如圖8所示。

圖8 單次激光脈沖脈沖與快門工作時(shí)序示意圖

圖8中,ti是從照射目標(biāo)回射激光到達(dá)成像傳感器的起始時(shí)間,ti+1是回射激光到達(dá)傳感器的結(jié)束時(shí)間,tp是激光脈沖的半峰寬,tn攝像機(jī)快門打開的時(shí)間,tn+1攝像機(jī)快門關(guān)閉的時(shí)間,tz是攝像機(jī)的快門打開時(shí)間。同步表達(dá)式為:

(3)

當(dāng)碎片接觸到同步啟動(dòng)靶時(shí),整個(gè)系統(tǒng)開始工作,同步啟動(dòng)系統(tǒng)給出啟動(dòng)信號到多路脈沖同步控制器,經(jīng)過延時(shí)處理,輸出多路脈沖信號,協(xié)調(diào)控制激光光源和超高速攝像機(jī)的同步工作,從而有效捕獲超高速目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)圖像。整個(gè)測速系統(tǒng)的工作時(shí)序圖如圖9所示。

圖9 測試系統(tǒng)工作時(shí)序圖

為了提高多脈沖同步控制器的精度,保證CCD相機(jī)可以有效捕獲每個(gè)激光脈沖,本文采用10 ns同步精度的FPGA技術(shù)開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

試驗(yàn)采用地基模擬空間碎片發(fā)射裝置對毫米級碎片進(jìn)行加壓發(fā)射,碎片標(biāo)定速度4 000 m/s左右,碎片采用直徑為2 mm的鋁球模擬。同時(shí),在靶倉內(nèi)布設(shè)激光遮斷測速設(shè)備作為該測試方法的啟動(dòng)和校對設(shè)備。圖10為地基模擬空間碎片發(fā)射裝置實(shí)物圖。

圖10 地基模擬空間碎片發(fā)射裝置

地基模擬空間碎片發(fā)射裝置可測試窗口為200 mm×550 mm,測試靶艙截面800 mm×800 mm,一側(cè)在靶艙內(nèi)側(cè)貼反射屏,反射屏上貼長度為30 cm的透明直尺作為標(biāo)尺,CCD相機(jī)放置于窗口外正對反射屏,拍攝視場為600 mm×400 mm,相機(jī)距離碎片飛行彈道垂直距離為400 mm,現(xiàn)場布置示意圖如圖11所示,現(xiàn)場實(shí)物布置圖如圖12所示。

圖11 設(shè)備布置示意圖

圖12 現(xiàn)場設(shè)備布置圖

首先對4 000 m/s的飛行碎片進(jìn)行單次捕獲,即單次曝光拍攝,驗(yàn)證了該測試方法凍結(jié)超高速目標(biāo)的效果,圖13為模擬空間碎片單次脈沖影像凍結(jié)效果圖。

圖13 碎片單次捕獲影像

通過影像可以看出:該測試方法可以清晰地凍結(jié)碎片的運(yùn)動(dòng)影像,接著采用連續(xù)2個(gè)激光脈沖,對碎片進(jìn)行2次曝光,從而對其飛行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

接下來對飛行碎片進(jìn)行了4次拍攝試驗(yàn),驗(yàn)證超高速空間碎片高分辨率測試方法的多重曝光影像凍結(jié)能力。試驗(yàn)中通過同步控制系統(tǒng)將激光脈沖間隔分別設(shè)置為20、30、40、50 μs,并獲得了碎片2次曝光的運(yùn)動(dòng)瞬間影像,圖14—圖17分別為激光脈沖間隔20、30、40、50 μs 時(shí)地基模擬空間碎片飛行試驗(yàn)圖像。

圖14 激光脈沖間隔20 μs試驗(yàn)圖像

圖16 激光脈沖間隔40 μs 試驗(yàn)圖像

圖17 激光脈沖間隔50 μs 試驗(yàn)圖像

通過獲得不同激光脈沖間隔的4次試驗(yàn)圖像,可以看出高頻激光脈沖與CCD相機(jī)的協(xié)調(diào)工作,可以清晰有效地凍結(jié)2個(gè)模擬空間碎片的瞬間運(yùn)動(dòng)影像。利用圖像中2個(gè)空間碎片的像素坐標(biāo)(X1,Y1)和(X2,Y2),通過式(1)對4次飛行試驗(yàn)?zāi)M空間碎片的速度進(jìn)行計(jì)算(結(jié)果取小數(shù)點(diǎn)后兩位),并通過式(2)對碎片的徑向尺寸進(jìn)行了測算(測算結(jié)果取整數(shù))。測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果記錄

通過測試記錄表中的數(shù)據(jù)得到:超高速空間碎片測試方法的測速結(jié)果與激光遮斷法測速法的測試結(jié)果不確定度小于1%,滿足模擬空間碎片的測速要求;碎片尺寸測量結(jié)果與模擬碎片實(shí)際尺寸保持一致,通過圖像可以對碎片的形貌特征有一定描述;該測試圖像中獲得的碎片飛行坐標(biāo)只有2個(gè),采用2點(diǎn)式直線方程對碎片的飛行軌跡進(jìn)行表征。綜上所述,該測試方法滿足于對毫米級飛行碎片測試工作。

5 結(jié)論

本文主要研究了一種針對毫米級空間碎片的測試方法,通過對地基模擬空間碎片的多次影像凍結(jié),對破片的多參數(shù)進(jìn)行測算。主要結(jié)論如下:

1) 本文提出的毫米級超高速空間碎片高分辨率測試新方法,使用高頻激光脈沖作為照明光源,配合高分辨率CCD相機(jī),可以在一幅圖像中凍結(jié)多個(gè)空間碎片運(yùn)動(dòng)清晰影像。

2) 通過地基模擬空間碎片飛行試驗(yàn)驗(yàn)證,并通過激光遮斷法對比試驗(yàn),證明了本文提出的測試方法其測速精度高。

3) 本文提出的測試方法,不但可以對毫米級空間碎片的速度進(jìn)行精確測量,并且可以對破片的形貌、尺寸和飛行軌跡進(jìn)行表征。