0 引言
伴随着航天活动的不断增加,空间垃圾不断增多,空间碎片对人类的航天活动存在着巨大的危险隐患[1]。航天器防护板的设计和空间碎片撞击仿真模拟的系统完善,则需要大量且准确的测试数据支撑。其中碎片的飞行速度,飞行轨迹和碎片的形貌特征(包括尺寸、形状、飞行姿态等)是重要的测试内容,针对以上参数的精确测量,对航天器防护工作是极其重要的,通过大量的试验验证和数据积累,从而对防护板的设计和仿真系统建立提供量化的数据支撑。
空间碎片测试方法分为空基和地基。因为空基测试方法不容易实现,而且经济成本太高,所以地基模拟空间碎片飞行试验就成了经济有效的测试手段[2]。地基模拟碎片飞行装置对碎片的形状、尺寸、材质、重量有着较大的使用范围,并且发射速度有着良好的重复性。目前对于毫米级飞行碎片的测试方法包括通断靶法、激光遮断法、磁感应法以及高速摄影等。贾俊清[3]应用通断靶测速系统对碎片的穿透性能进行了研究。邓云飞等[4]研制了一种用于二级轻气炮的遮挡式激光测速系统,并且可以通过过靶波形粗略估计弹丸尺寸。李士彦等[5]采用双测速电磁感应线圈区截测时方法对超高速弹丸炮口初速进行了测试与研究。赵奇峰等[6]利用高速摄影图像模板匹配技术对二级轻气炮毫米级弹丸飞行速度进行测试。
在针对空间碎片飞行参数的测试方法中,摄影测试技术作为一种可视化、非接触、高精度、可靠性高的测试技术,被广泛应用于各种试验研究中[7-10]。对于超高速飞行的空间碎片,需要超高记录频率和高分辨率才能对其进行直观有效测试,但是高速摄影设备的超高拍摄频率不能兼顾相机的分辨率,不利于对毫米级碎片的测试工作,并且高速摄影机价格昂贵,对于超高速碎片测试任务来说成本很大。本文提出了一种基于普通高分辨率CCD摄影的测试方法,通过CCD相机和高频激光光源的协调工作,在不降低相机分辨率的情况下,在一幅图像中多重曝光,获得2个甚至多个碎片的瞬间运动影像,通过碎片影像计算其运动参数,测试系统也可通过增加CCD的数量获得大范围、长时间的碎片飞行过程。
1 地基模拟空间碎片测试技术综述
1.1 通断靶测试方法
通断靶法通过高精度计时仪器记录碎片飞过通靶和断靶的飞行时间,通过测算穿靶位置,从而计算碎片的飞行速度和飞行轨迹[11]。测试原理图如图1所示。
通断靶测试方法简单,易操作,通过穿靶位置准确测量碎片飞行距离,从而获得精确的飞行参数,对碎片的飞行轨迹进行描述。由于通断靶作为接触式测试方法,撞击误差和靶面形变会导致测试结果存在较大误差。
图1 通断靶测试方法原理图
Fig.1 Schematic diagram of on-off target test method
1.2 激光遮断法
激光遮断法的测试原理类似于激光光幕靶测速原理,当破片飞过光束时则会遮挡光束,造成激光探测器的输出停止,产生的脉冲信号发送给计时仪,从而记录破片飞过光束的时间[12-13]。测试原理图如图2所示。
图2 激光遮断法测试原理图
Fig.2 Laser blocking test principle diagram
激光遮断测速法在对采用火炮和加压氢气为驱动的测试设备时,容易受到强光和烟雾的干扰,且破片飞行方向不确定的情况,容易偏离有效激光光幕,当破片较小时,信号容易被噪声湮灭。
1.3 磁感应法
磁感应法测试原理为碎片通过连续多个电磁感应线圈,产生的电信号发送给高精度计时仪器,从而记录碎片的飞行时间[14]。测试原理图如图3所示。
图3 磁感应法测试原理图
Fig.3 Schematic diagram of magnetic induction test
磁感应测速法要求碎片材质为导体,无法对碎片形貌特征进行测量,而且在应用于大口径轻气炮测速任务中,磁环在高压气体作用下容易损坏,成本较大。
1.4 高速摄影法
高速摄影法测试原理为通过超高的拍摄频率记录碎片的运动过程[15]。测试原理图如图4所示。
图4 高速摄影法测试原理图
Fig.4 High speed photography test schematic
超高的拍摄频率会牺牲掉相机的分辨率,对于毫米级碎片测试任务来说测试难度较大,而且在测试环境照度低的情况下,高速摄影设备快门打开时间短,碎片尺寸小且速度很快,会带来曝光量不足和碎片影像拖影等问题,不利于后期的判断处理,同时碎片撞击防护板瞬间产生的火光容易导致曝光饱和,无法获得有效的影像。
2 超高速空间碎片高分辨率测试原理
针对地基模拟空间碎片飞行试验的特殊应用需求,本文提出一种毫米级超高速空间碎片高分辨率测试新方法。该方法通过多路脉冲同步控制器高精度同步控制高分辨率CCD相机和大能量高频激光脉冲,实现毫米级超高速空间碎片的多次成像测试。
超高速空间碎片测试方法工作原理为:CCD相机采用投影式拍摄碎片飞行过程瞬间影像,使用高频均匀激光作为照明光源在快门打开时间内多次照亮视场内的激光反射屏,并将碎片的阴影像投射到反射屏上,将CCD相机聚焦于反射屏,记录碎片多个运动瞬间的阴影像。在同步控制器的控制下,保证每一个激光脉冲都会落在CCD相机对应的快门打开时间内。同时相机配备了激光波长的窄带滤光片,激光的曝光量远大于自发光或者碰撞火光的曝光量,从而抑制了杂光的影响。而且由于真实曝光时间取决于激光脉冲的脉宽(一般只有10 ns),不会影像拖尾情况。毫米级碎片测试方法原理图如图5所示。
当碎片穿过启动靶时,输出一个电信号,用于启动多脉冲同步控制器时序控制电路,同步控制器输出多路延时信号,同步控制器的延时设置在测试前通过工控机设置并确认,多路延时信号分别控制激光器和高分辨率CCD相机按照预定的延时和时序进行工作。在相机快门打开后,激光器输出多个脉冲激光用来照亮激光反射屏,等相机快门关闭后,就可以在一幅图像中获得多个碎片运动瞬间影像。
图5 毫米级碎片测试方法原理图
Fig.5 Schematic diagram of millimeter fragment test method
实验前期,通过设置基准得到单位长度与像素之间的比例尺s(m/pix),那么通过2个时刻的碎片像素坐标点(X1,Y1)和(X2,Y2)就可以得到空间碎片的飞行速度,即:
(1)
式中,t为激光脉冲时间间隔。
空间碎片的实际径向尺寸可以通过图像中碎片径向所占的像素数和比例尺获得,实际径向尺寸L计算公式为:
L=m·s
(2)
式中, m为图像中碎片径向所占像素个数。
空间碎片的飞行轨迹方程通过一张图像里所获得所有碎片位置像素坐标点来获得。假设获得坐标个数等于2,那么可以采用2点式直线方程来表征,假设获得坐标个数大于2,那么可以采用曲线拟合方法对轨迹方程进行描述。
该测试方法的特点是通过碎片瞬间运动影像来计算碎片的飞行参数,测试精度高,激光作为拍摄光源,激光亮度高,可以弥补靶仓内照度低,曝光量不足的问题,搭配窄带滤光片可以有效避免自发光和碰撞火光的影响,激光脉冲的脉宽很短,解决了因为碎片速度过高而引起的影像拖尾现象。
3 测试系统组成及功能
3.1 高分辨率CCD相机
CCD相机作为记录毫米级飞行碎片影像的设备,要求较高的分辨率,该CCD相机选用6 600×4 400高分辨率,且工作模式可以满足外触发,高分辨率CCD相机如图6所示。
图6 高分辨率CCD相机
Fig.6 High resolution CCD camera
其主要参数如下:像素数2 900万;最小曝光时间6 μs,可自由设置;工作模式,自由运转,外触发可选。
通过该相机的光量子反应效率曲线,发现该相机对绿光的光电转换效率最高,所以激光照明光源采用532 nm绿光光源,在相机的前端加载了532 nm窄带滤光片,可以有效抑制碎片的自发光以及碰撞火光带来的影响。
3.2 大能量高频均匀激光光源
选择相机敏感度高的绿光激光器作为照明光源。激光器选择YAG作为工作物质,通过电光调Q方式输出1 064 nm序列脉冲激光,通过倍频输出532 nm绿光,然后经过光纤耦合输出均匀激光照亮视场。
由于地基模拟空间碎片飞行装置需要抽真空模拟太空环境,因此可以用来拍摄的测试窗口比较小。希望激光光源的体积尽可能小,但是不能影响激光器输出脉冲的能量。本文采用半导体泵浦固体激光器作为相机的光源,在减小激光器的体积下,有效保证激光脉冲的输出能量。
要对超高速飞行碎片进行有效捕获,要求区域照明,并且要求激光照明光源不仅要脉冲能量大,而且工作频率高,同时还要保证一定的脉冲个数进入相机快门打开时间内。为了解决上述问题,本文采用了激光偏振合成光路的方法,将2路激光光源输出光路进行合成输出,这样就增加了1倍的脉冲个数,图7为2路激光偏振合成输出光路示意图。
图7 偏振合成光路示意图
Fig.7 Schematic diagram of polarization synthesis optical path
大能量高频均匀激光光源主要参数如下:激光波长532 nm;脉冲能量≥50 mJ;激光脉宽≤12 ns;最小脉冲间隔,通过同步控制系统自由设置。
3.3 多脉冲同步控制系统
空间碎片测试方法的核心要求就是快门信号和激光脉冲同步,即每个激光脉冲落入每个对应的快门中,单个激光脉冲和快门工作时序工作示意图如图8所示。
图8 单次激光脉冲脉冲与快门工作时序示意图
Fig.8 Schematic diagram of single laser pulse and shutter working sequence
图8中,ti是从照射目标回射激光到达成像传感器的起始时间,ti+1是回射激光到达传感器的结束时间,tp是激光脉冲的半峰宽,tn摄像机快门打开的时间,tn+1摄像机快门关闭的时间,tz是摄像机的快门打开时间。同步表达式为:
(3)
当碎片接触到同步启动靶时,整个系统开始工作,同步启动系统给出启动信号到多路脉冲同步控制器,经过延时处理,输出多路脉冲信号,协调控制激光光源和超高速摄像机的同步工作,从而有效捕获超高速目标的运动图像。整个测速系统的工作时序图如图9所示。
图9 测试系统工作时序图
Fig.9 Test system working sequence diagram
为了提高多脉冲同步控制器的精度,保证CCD相机可以有效捕获每个激光脉冲,本文采用10 ns同步精度的FPGA技术开发实现。
4 系统测试及结果分析
试验采用地基模拟空间碎片发射装置对毫米级碎片进行加压发射,碎片标定速度4 000 m/s左右,碎片采用直径为2 mm的铝球模拟。同时,在靶仓内布设激光遮断测速设备作为该测试方法的启动和校对设备。图10为地基模拟空间碎片发射装置实物图。
图10 地基模拟空间碎片发射装置
Fig.10 Ground-based analog space debris launcher
地基模拟空间碎片发射装置可测试窗口为200 mm×550 mm,测试靶舱截面800 mm×800 mm,一侧在靶舱内侧贴反射屏,反射屏上贴长度为30 cm的透明直尺作为标尺,CCD相机放置于窗口外正对反射屏,拍摄视场为600 mm×400 mm,相机距离碎片飞行弹道垂直距离为400 mm,现场布置示意图如图11所示,现场实物布置图如图12所示。
图11 设备布置示意图
Fig.11 Equipment layout diagram
图12 现场设备布置图
Fig.12 Site equipment layout diagram
首先对4 000 m/s的飞行碎片进行单次捕获,即单次曝光拍摄,验证了该测试方法冻结超高速目标的效果,图13为模拟空间碎片单次脉冲影像冻结效果图。
图13 碎片单次捕获影像
Fig.13 Single image capture of debris
通过影像可以看出:该测试方法可以清晰地冻结碎片的运动影像,接着采用连续2个激光脉冲,对碎片进行2次曝光,从而对其飞行参数进行计算。
接下来对飞行碎片进行了4次拍摄试验,验证超高速空间碎片高分辨率测试方法的多重曝光影像冻结能力。试验中通过同步控制系统将激光脉冲间隔分别设置为20、30、40、50 μs,并获得了碎片2次曝光的运动瞬间影像,图14—图17分别为激光脉冲间隔20、30、40、50 μs 时地基模拟空间碎片飞行试验图像。
图14 激光脉冲间隔20 μs试验图像
Fig.14 Laser pulse interval 20 μs test image
图15 激光脉冲间隔30 μs 试验图像
Fig.15 Laser pulse interval 30 μs test image
图16 激光脉冲间隔40 μs 试验图像
Fig.16 Laser pulse interval 40 μs test image
图17 激光脉冲间隔50 μs 试验图像
Fig.17 Laser pulse interval 50 μs test image
通过获得不同激光脉冲间隔的4次试验图像,可以看出高频激光脉冲与CCD相机的协调工作,可以清晰有效地冻结2个模拟空间碎片的瞬间运动影像。利用图像中2个空间碎片的像素坐标(X1,Y1)和(X2,Y2),通过式(1)对4次飞行试验模拟空间碎片的速度进行计算(结果取小数点后两位),并通过式(2)对碎片的径向尺寸进行了测算(测算结果取整数)。测试结果如表1所示。
表1 测试结果记录
Table 1 Record sheet of test results
激光脉冲间隔/μs模拟空间碎片径向尺寸/mm激光遮断法测速系统/(m·s-1)超高速空间碎片测试方法/(m·s-1)2024 0984 101.333024 0654 095.364024 1274 105.525024 0614 030.73
通过测试记录表中的数据得到:超高速空间碎片测试方法的测速结果与激光遮断法测速法的测试结果不确定度小于1%,满足模拟空间碎片的测速要求;碎片尺寸测量结果与模拟碎片实际尺寸保持一致,通过图像可以对碎片的形貌特征有一定描述;该测试图像中获得的碎片飞行坐标只有2个,采用2点式直线方程对碎片的飞行轨迹进行表征。综上所述,该测试方法满足于对毫米级飞行碎片测试工作。
5 结论
本文主要研究了一种针对毫米级空间碎片的测试方法,通过对地基模拟空间碎片的多次影像冻结,对破片的多参数进行测算。主要结论如下:
1) 本文提出的毫米级超高速空间碎片高分辨率测试新方法,使用高频激光脉冲作为照明光源,配合高分辨率CCD相机,可以在一幅图像中冻结多个空间碎片运动清晰影像。
2) 通过地基模拟空间碎片飞行试验验证,并通过激光遮断法对比试验,证明了本文提出的测试方法其测速精度高。
3) 本文提出的测试方法,不但可以对毫米级空间碎片的速度进行精确测量,并且可以对破片的形貌、尺寸和飞行轨迹进行表征。
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