0 引言
聚能射流对于坚硬目标有很好的侵彻效果[1-3],射流速度是评判射流威力的关键指标,因此射流速度的精确测量尤为重要[4-6]。目前国内外测试射流速度主要有电探针法、高速摄影法、X光测速法等。针对射流高速,自身发光的特点选用光电检测的方法研制射流测速系统。
电探针法分为击穿式电探针和金属丝接触式电探针等,击穿式电探针法采用铜箔等作为区截测速的标记点(电探针),记录射流的通过时间点来得到区间内的射流速度[7]。测速装置结构简单,设备布场较容易,但由于射流产生的冲击波会提前到达探针处,改变探针物理结构,故电探针测速法的测速精度有一定的局限性。
高速摄影法可以得到不同时刻射流的清晰照片,对比静态标定物,最终得出射流速度等[8]。亦可采用正交或非正交相机阵列,解算出射流长度、侵彻深度等三维参数。然而高速相机设备昂贵、配置与标定复杂、防护困难,现场试验使用时有不小的阻碍。
X光测速法是采用X光机产生2个相互平行的X光幕,射流穿过X光幕产生过靶信号被X光探测器接收,通过信号调理电路放大整形并滤除干扰后计算得到射流速度[9]。X光机设备较为昂贵并且为了保证X光机的正常工作,需要对其电源进行电磁隔离防止爆炸产生的电磁干扰,实验布设时较为复杂。
光电检测的方法有非接触、可重复、精度高等优点,常用于弹丸、破片等高速目标的速度测试,故采用光电检测方法基于射流的火光辐射对射流的速度进行测试。然而射流自身辐射强且伴随杂散光,对测速系统的滤光能力要求较高,故提出了一种采用三级光阑逐级滤光的被动测速方法。
1 射流测速系统工作原理
射流测速系统使用射流测速的原理,使用高速光电探测器对射流辐射进行非接触式探测。图1所示为测速系统的工作原理。射流测速系统由被动探测模块、数据采集模块组成。系统探测的基本原理为2个光电探测器配合光阑形成2个统一厚度的扇形探测幕,当射流依次穿过起始探测幕和终止探测幕时,产生2个相位为负的模拟信号[10-12]。然后通过数据采集模块采集射流的过靶信号波形传输至上位机进行处理。对两通道信号进行相关性分析,计算目标通过两探测幕的时间间隔τ,并且准确测量两光幕之间的距离s,由速度计算公式v=s/τ即可获得射流的速度。
图1 被动测速工作原理
Fig.1 Operating principle of passive velocity measurement
2 抗光干扰方法研究
2.1 三级光阑减光设计
天幕靶一般使用镜头加光阑的组合形成探测幕面,通过调整焦距以及光阑参数控制探测幕面的宽度与厚度[13]。射流的辐射照度很强,且随着射流弹爆炸同时产生大量爆炸火光,镜头对射流的自身辐射以及杂散光皆有很强的汇聚能力[14]。为了削减射流自身辐射,减弱反射、散射等杂散光以及天幕背景光的影响,系统采用了多级光阑滤光的方法提升系统的滤光能力[15]。
在狭缝光阑后适当位置放置光电探测器即可滤除部分火光干扰并且探测到射流辐射。然而仅用一级光阑配合光电探测器,远距离使用时系统的探测幕厚度太大,影响测速精度。为了减小探测幕面的厚度,提高系统测速精度,系统以两级光阑前后排列的形式限制探测幕面的厚度与探测视场大小。
如图2所示,当射流光线进入第1级光阑后会在一级光阑与二级光阑之间的区域内反射以及散射导致射流头部还未进入理论探测幕面时,其辐射光线已经通过反射以及散射进入第二级光阑被探测器接收。
图2 两级光阑反射示意图
Fig.2 Reflection schematic of two-layer diaphragm
在两级光阑的基础上多加1级光阑,使系统内部有2个区域,如图3所示,第1个较大的区域抑制反射以及散射从而使进入第2级光阑的杂散光线已经大幅减少。经过第3级光阑的滤光后,只有射流进入探测幕面后其辐射光线才可以被探测器接收。
图3 三级光阑反射示意
Fig.3 Reflection schematic of three-layer diaphragm
射流测速系统采用三级光阑+高速光电探测器产生2个 距离确定的探测幕,共同构成1套包含启动靶探测幕和停止靶探测幕的区截测速装置。
两级光阑即可固定探测幕厚度与探测视场大小。聚能战斗部产生的射流方向各异,与预定的弹道线有不同程度偏移,所以系统需要较大的探测视场;探测视场的大小与每级光阑狭缝长度的关系为
(1)
(2)
图4为三级光阑形成的探测视场光路图,其中w1为根据第1级与第3级光阑计算得出的探测视场大小,w2为根据第1级与第2级光阑计算得出的探测视场大小,L为设备距离弹道线的距离,h1为第1级光阑与第3级光阑的距离,h2为第1级光阑与第2级光阑的距离,x、y、z分别为第1、2、3级光阑形成的狭缝长度:50、30、30 mm,探测器紧贴第3级光阑且探测器长度为30 mm。
图4 探测视场光路图
Fig.4 Detection of field of view optical path
当L为5 m时,w1=695 mm,w2=860 mm,则系统的探测视场为695 mm。
图5为三级光阑形成的探测幕厚度光路图,d1为根据第1级与第3级光阑计算得出的探测幕厚度。a、b、c分别为第1、2、3级光阑的间距,探测器紧贴第3级光阑且探测器宽度大于第3级光阑的间距。
图5 测速设备光路示意
Fig.5 Optical path diagram of speed measuring equipment
探测幕面的厚度与每级光阑所形成的狭缝宽度的关系为
(3)
(4)
其中:d2为根据第1级与第2级光阑计算得出的探测幕厚度,假设a、b、c分别为1、0.2、0.1 mm,h1=620 mm,h2=500 mm。当L=5 m时,d1=9.8 mm,d2=12.2 mm则系统的探测幕厚度为9.8 mm。
设备距离弹道线的垂直距离L过大会使探测幕面的宽度增大,为了提高设备的测速精度L不宜过大。考虑设备防护以及爆炸火光的干扰,使用距离L在3～5 m内为宜。
2.2 三级光阑逐级光衰减仿真
在Zemax中模拟射流过靶时三级光阑的滤光情况,3D实体模型如图6所示。
图6 射流过靶仿真
Fig.6 Simulation of jet passing
改变光源坐标模拟射流过靶时的位置信息的变化,在设备的三级光阑后分别放置3个探测器接收光能量。在5 m的测试距离下,第1级光阑处的探测器探测范围很大,无法测速。在20 mm×1 000 mm的范围内,探测器接收的光功率变化不大,约为8×10-3 W。
图7为系统第2级光阑处探测器接收的光功率的变化。可以看出,在20 mm×1 000 mm的范围内,探测器接收光功率在2×10-4 W～8×10-4 W。然而根据第1级光阑与第2级光阑的狭缝参数计算得出的探测幕厚度d2=12.2 mm,探测视场大小w2=860 mm。在12.2 mm×860 mm的探测幕之外仍可以接收到光辐射,说明在射流未进入探测幕面时,其爆炸火光、反射光等已经进入第2级光阑被探测器接收。
图7 第2级光阑处探测器接收光功率曲面图
Fig.7 Curved surface of received optical power of the detector at the second diaphragm
由图8可知,第3级光阑的探测范围与理论计算得到的9.8 mm×695 mm探测幕大小一致。第3级光阑处探测器接收光功率在2×10-6～6×10-5 W,相较于第1级光阑处的探测器接收光功率,滤光效果超过99.25%。
图8 第3级光阑处探测器接收光功率曲面图
Fig.8 Curved surface diagram of the received optical power of the detector at the third diaphragm
三级光阑滤光法有效衰减了射流的自身强辐射并且限制了探测幕之外的背景光、爆炸火光以及腔体内的反射光,达到了系统要求。
本系统选用高速PIN型硅光电探测器,相关参数如表1所示。
表1 光电探测器相关特性参数
Table 1 Photodetector related characteristic parameter
参数数值灵敏度/(A·W-1)0.66 暗电流/nA10结电容/pF40峰值波长/nm960光谱响应范围/nm340～1 100
在理论探测幕范围内,探测器接收的最小光功率为2×10-6 W。探测器产生最小光电流为1.32 μA,超过暗电流2个 数量级,此探测器的灵敏度满足系统要求。
3 试验验证
3.1 外场试验
为了检验系统设计的可行性,除仿真分析与计算外还进行了相关外场试验。试验现场布置如图9所示,将射流弹放置于0.6 m高的支架上,确保设备与高速摄影的光轴垂直于射流弹道线。弹道线的另一侧布置高速摄影相机拍摄射流运动状态。
图9 试验现场布置示意图
Fig.9 Schematic diagram of test site layout
由于爆炸火光与射流自身的强辐射,高速摄影的镜头使用最小光圈并且加装减光片,曝光时间设置为最短防止图像过饱和。
聚能射流战斗部爆炸时产生的射流方向各异,为了提升高速摄影测速精度与设备测速精度,试验时在每一发射流着靶后对实际的弹道线进行标定,校准着靶点与预设着靶点的偏移量,得到其实际位移距离与设备的实际靶距。
通过对高速摄影的标定,可以得到射流的精确位移。高速摄影的帧频为定值,所以可以极大地保证高速摄影的测时精度。射流速度为6 500 m/s左右,在高速摄影画面中射流经过测速设备用时大约2.9帧,故在射流途经测速设备时选择相邻的3帧图像进行处理。在设备附近所取的3帧图像中射流位移为213.5 mm。后期图像处理时可以将射流头部信息精确到1像素,比例尺为3 mm/pix,故高速摄影测速误差为3/213.5=1.4%。
3.2 信号相关法解算速度
图10与图11为数据采集模块采集到的射流过靶信号。
图10 二级光阑滤光法测得射流过靶信号
Fig.10 Signal of jet passing target measured by two-stage diaphragms filtering method
图11 三级光阑滤光法测得射流过靶信号
Fig.11 Signal of jet passing target measured by three-stage diaphragms filtering method
通过分析波形可以得出以下结论:
1) 信号质量:相比二级光阑法,三级光阑法测得的信号更加平滑,信噪比高。二级光阑测得信号噪声约为400 mv,三级光阑测得的信号噪声约为80 mv,信噪比提升了5倍左右。
2) 根据波形中波谷的宽度可以看出,二级光阑滤光法测得的信号宽度更宽,说明在射流还未进入探测幕面时,探测器已经有响应,印证了仿真结果的正确性,影响测速结果的精度。
综上所述三级滤光法更占优势,印证了Zemax仿真计算的结果。
为了精确得到射流过靶时间,对两信号进行相关性分析[16-18]。对于2个能量有限信号x(t)和y(t),其相关函数定义为
(5)
因射流过靶信号的幅值受放大电路、光阑参数的影响会有不同程度的差别,故先将两信号的幅值归一化。
(6)
(7)
在数据处理时,射流过靶信号是一系列离散数列,式(6)、式(7)中xi为各个离散点的信号幅值,对两信号归一化之后得到xi(n)和yi(n)。
对于离散数列xi(n)和yi(n),其相关函数可以表示为
(8)
利用相关算法确定相关函数的绝对值|Pxy|取得最大值时对应的采样间隔点数m,本系统采集模块的采样率为 4 MSPS,即每个采样点数间隔0.25 μs。
设系统测速误差在2%以下,则测速目标过靶时间间隔需大于12.5 μs,测速系统的靶距为204 mm,在2%的不确定度下,系统可测目标速度范围最大为16 320 m/s。
射流过靶时间τ为采样点数m与采样点数间隔0.25 μs的乘积:
τ=m×0.25 μs
(9)
射流速度V为实际靶距S与射流过靶时间τ的比值:
V=S/τ
(10)
表2为射流速度的处理结果,相关系数的值均大于0.9,两信号的相关性较高。高速摄影测速误差为1.4%,由于无法得知射流的精确速度作为参照,将测速系统与高速摄影测速结果进行对比验证本方法的可行性。由表1得知,测速系统与高速摄影的测速结果误差最大为1.3%,则证明本测速系统的最大测速不确定度为
表2 测速结果对比
Table 2 Comparison of velocity measurement results
序号采样间隔点数m过靶时间τ/μs相关系数Pxy标定后实际靶距S/mm测速设备/(m·s-1)高速摄影/(m·s-1)速度差/(m·s-1)百分比误差/%112932.250.964 8204.0616 327.46 341.4-14.00.2213233.000.949 4204.0956 184.66 114.869.81.1313032.500.954 3204.0346 277.96 328.2-50.30.8413132.750.976 9204.0536 230.66 327.8-7.20.1512832.000.985 0204.0886 417.76 503.8-86.11.3612631.500.962 0204.0126 476.56 556.8-80.31.2712531.250.968 3204.1286 532.16 472.659.50.9812832.000.975 0204.0686 377.16 451.3-78.21.2912330.750.959 0204.7606 658.8 6 586.172.71.11012431.000.982 0204.0466 582.16 549.832.30.5
(11)
4 结论
基于射流的火光辐射进行光电检测,采用三级光阑滤光的形式削弱射流的自身火光辐射并且有效滤除爆炸火光、背景光、腔体内的反射光。
1) 三级光阑形成的狭缝长度分别为50、30、30 mm;三级光阑形成的狭缝宽度分别为1、0.2、0.1 mm。根据光阑参数理论计算得到探测视场为695 mm,探测幕厚度为9.8 mm。
2) 使用Zemax对系统光路进行仿真,二级光阑法无法滤除理论探测幕之外的爆炸火光、反射光,三级光阑法可以完全滤除理论探测幕之外的光干扰。第2级光阑相较第1级光阑滤光效果达到97.5%,第3极光阑相较第1级光阑减光超过99.25%。
3) 进行外场验证实验,试验测得的信号波形印证了Zemax仿真的正确性,三级光阑滤光法测得信号波形比较理想。将得到的射流过靶信号进行相关性分析得到的射流速度为6 500 m/s左右,测速系统的不确定度低于1.9%,验证了测速系统的可行性。
[1] ZHU Q F,HUANG Z X,XIAO Q Q,et al.A semi-empirical study of penetration of shaped charge jet into high and ultra-high strength reactive powder concrete targets[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part C:Journal of Mechanical Engineering Science,2021,235(15):2679-2691.
[2] 贾梦晔,高永宏,周鹏飞,等.药型罩材料与结构的研究进展[J].兵器装备工程学报,2022,43(1):10-18.JIA Mengye,GAO Yonghong,ZHOU Pengfei,et al.Research progress of liner material and structure[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2022,43(1):10-18.
[3] YASUMASA I,YUSUKE H,KOJI I,et al.Optimisation of initial velocity distribution of jets for entrainment anddiffusion control using deep reinforcement learning[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2024,218:124788.
[4] 曹鹏,张国伟,乔通通,等.杆式射流侵彻移动靶数值模拟[J].兵器装备工程学报,2021,42(4):86-90.CAO Peng,ZHANG Guowei,QIAO Tongtong,et al.Numerical simulation of rod jet penetrating moving target[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2021,42(4):86-90.
[5] XU L Y,TIAN Y,LIU X B,et al.Numerical investigation on jet penetration capacity of hypervelocity shaped charge in underwater explosion[J].Ocean Engineering,2023,281(4):45-53.
[6] 李素云,吴国东,李庆鑫,等.射流剩余速度在冲击起爆判定中的应用[J].兵器装备工程学报,2017,38(12):115-119.LI Suyun,WU Guodong,LI Qingxin,et al.Application of jet residual velocity in impact initiation judgment[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017,38(12):115-119.
[7] 王蓉,何碧,韩勇,等.电探针法测量射流速度[C]//四川省电子学会传感技术第九届学术年会论文集.四川电子学会传感技术专业委员会,中国工程物理研究院总体工程研究所,2005:71-73.WANG Rong,HE Bi,HAN Yong,et al.Measurement of jet velocity by electric probe method[C]//Proceedings of the 9th Annual Conference of Sensing Technology of Sichuan Institute of Electronics.Sensing Technology Professional Committee of Sichuan Institute of Electronics,General Engineering Research Institute of China Academy of Engineering Physics,2005:71-73.
[8] 敬怡东,薛标,唐成,等.一种测量射流头部速度的方法[C]//2019航空装备服务保障与维修技术论坛暨中国航空工业技术装备工程协会年会论文集.中国航空工业集团有限公司防务生产与保障部,中国航空工业技术装备工程协会,2019:461-463.JING Yidong,XUE Biao,TANG Cheng,et al.A method for measuring jet head velocity[C]//Proceedings of the 2019 Aviation Equipment Service Support and Maintenance Technology Forum and the Annual Meeting of China Aviation Industry Technology and Equipment Engineering Association.Ministry of Defense Production and Security of China Aviation Industry Corporation,China Aviation Industry Technology and Equipment Engineering Association,2019:461-463.
[9] 周彤,顾金良,夏言,等.一种X光幕枪炮口初速测量装置[J].电子测量技术,2017,40(03):192-196.ZHOU Tong,GU Jinliang,XIA Yan,et al.An X-ray screen muzzle velocity measuring device[J].Electronic Measurement Technology,2017,40(3):192-196.
[10] LI H S.Space target optical characteristics and snr calculation model on sky screen[J].IEEE Sensors Journal,2016,16(4):912-917.
[11] CHEN R,NI J.Calibration method of light-screen plane equation of sky screen vertical target[J].Optik,2018,155(2):276-284.
[12] 王荣秀,王波.基于压电迟滞对称性的线性微位移控制作动器[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2022,39(5):62-69.WANG Rongxiu, WANG Bo. Linear micro-displacement control actuator based on piezoelectric hysteresis symmetry[J].Journal of Chongqing Technology and Business University(Natural Science Edition),2022,39(5):62-69.
[13] MALA,A,MANDAL,S.Modelling and performance analysis of cascaded asymmetrical quadruple micro-optical ring resonator as an optical filter[J].Opt Quant Electron,2023,55(7):969-977.
[14] 王虎,陈钦芳,马占鹏,等.杂散光抑制与评估技术发展与展望(特邀)[J].光子学报,2022,51(7):125-180.WANG Hu,CHEN Qinfang,MA Zhanpeng,et al.Development and prospect of stray light suppression and evaluation technology (invited)[J].Acta Photonica,2022,51(7):125-180.
[15] 张燕.杜瓦中冷光阑的杂散光抑制研究[J].红外,2010,31(7):1-8.ZHANG Yan.Study on stray light suppression of cold diaphragm in Dewar[J].Infrared,2010,31(7):1-8.
[16] SIGNAL PROCESSING; Reports from tongji university highlight recent findings in signal processing (sensing performance of multi-antenna energy detector with temporal signal correlation in cognitive vehicular networks)[J].Electronics Newsweekly,2020(5):405-412.
[17] 刘吉,赵冬娥.弹丸过靶时间提取的算法研究[J].微计算机信息,2009,25(25):199-200,193.LIU Ji,ZHAO Donge.Research on the algorithm of bullet passing target time extraction[J].Microcomputer Information,2009,25(25):199-200,193.
[18] 陶小亮.利用相关算法实现舵机系统相移分析[J].弹箭与制导学报,2012,32(5):64-66,86.TAO Xiaoliang.Using correlation algorithm to realize phase shift analysis of steering gear system[J].Journal of Projectile and Guidance,2012,32(5):64-66,86.