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1、第26卷第3期南京理工大学学报Vol.26No.32002年6月JournalofNanjingUniversityofScienceandTechnologyJun.2002线阵CCD测量水下枪弹速度的方法狄长安王昌明孔德仁沈勇(南京理工大学机械工程学院,南京210094)摘要该文阐述了一种用于水下枪弹技术研究的新型CCD速度测量系统,详细地探讨了CCD布站方式、系统的工作原理及高速数据采集电路设计的实现方法等,分析了该系统测量误差,提出了切实可行的提高水下枪弹速度测量精度的方法。关键词电荷耦合器件,速度测量,误差分
2、析;水下枪械分类号TJ012,TB934,O241.1水下枪弹运动速度测量是水下枪弹技术研究过程中一项重要的内容,水下弹丸运动速[1]度测量一般采用密封防水线圈靶作为区截装置来测量弹丸的运动速度,但存在许多难以解决的问题,如线圈的缠绕的均匀一致性,弹丸过靶姿态,线圈厚度及由之引起的线圈靶的实际半径和等效半径的不一致等,都将影响测量结果的不确定度,且线圈靶处在注满水的密封压力容器中,不便维修和置换。CCD测量技术是一种非常有效的非接触检测方法,CCD器件具有启动快、分辨率高、像元阵列几何尺寸精确,可达m级,可提高测量精度,且灵敏度高、动态范围宽、可
3、靠性高,具有数字扫描能力,可实现模/数等不同形式输出,可与同步信[2]号、I/O接口兼容等优点。结合数据采集卡以及微机,便可组成光电测试系统,因而越来越受到测试界的重视。由于上述特点及工程技术应用需要,本文研究了一种基于高速线阵CCD水下枪弹运动速度测量系统,并对其测量精度作了较详细的讨论。1CCD布阵采用4通道线阵CCD测量系统测量水下枪弹的速度,CCD传感器如图1所示两两正交放置。CCD1与CCD3正交放置,CCD2与CCD4正交放置,且CCD1与CCD3组成的平面和CCD2与CCD4组成的平面平行,CCD1与CCD2图1CCD布阵组成的平面
4、和CCD3与CCD4组成的平面垂[3]Fig.1PlacementofCCD直。收稿日期:2001-03-19国防科技预研行业基金资助项目狄长安男28岁博士生244南京理工大学学报第26卷第3期2测量原理该测试系统的工作原理是,准直发射光学系统将点光源发出的光转换成平行光束,投向CCD图像传感器,经过水下枪弹,弹丸的影像被投射到CCD光敏面上。由于弹丸的影像区与背景光强变化强烈,使CCD输出信号电平在弹丸遮挡的阴影区与非阴影区明显不同。当平行光准直度很理想时,则进入低电平的阴影区时刻对应弹丸从C
5、CD传感器前穿过时刻。使用本测量装置对水下枪弹进行了动态测量,如图1所示。在枪口的轴线方向放置CCD传感器,并预先测定传感器之间的距离,时序控制电路由膛压信号触发,这样可以获得统一时间起点。用计算机对所获得的信息进行处理,可获得水下枪弹穿过2组CCD传感器之间的时间间隔,由平均速度法,可得水下枪弹的速度。为表示方便,仅给出其中一路框图,其它的与之相同。如图2所示,本系统由准直发射光学系统、光学镜头、CCD传感器及其外围电路(包括驱动电路、时序控制电路、输出电路)、带外触发的数据采集卡(包括低通滤波器、采样保持、A/D转换器、存储器、接口电路)以及微机
6、组成。图2高速线阵CCD测量系统1的原理框图Fig.2DiagramofhighspeedlinearscanCCDmeasuringsystem1考虑到水下枪弹带尾翼,故弹丸在水中不会旋转,在只测定速度时可不需要图像灰度。为提高处理速度和降低成本,使用二值化处理方法。光学系统将弹丸成像在CCD光敏元上,弹丸和背景在光强上强烈的变化,反应在CCD视频信号中所对应的图像尺寸边界处会有急剧的电平变化。通过二值化处理将CCD视频信号中所对应的弹丸信号和背景部分分离成二值电平。使用二值化电路的系统如图3所示。图3高速线阵CCD测量系统2的原理框图Fig
7、.3DiagramofhighspeedlinearscanCCDmeasuringsystem2总第124期狄长安王昌明孔德仁沈勇线阵CCD测量水下枪弹速度的方法2453误差分析设2组CCD图像传感器之间间隔为L1L1,CCD像元尺寸为L2,计时触发脉冲对水下枪弹过CCD1、CCD3平面的时间有t1的延迟,对水下枪弹过CCD2、CCD4平面的时间有t2的延迟,由频率为m的计数器测得弹丸过2组图像传感器之间的时间间隔tn。由于像元有一定的尺寸,故会造成弹丸穿过摄像区时CCD输出视频信号不是阶跃的。假定在这段距离内都有可能使计
8、数器触发或停止,即按均匀假设,区间距离L的标准偏差由2部分构成:光学交汇测量的误差L1,因像元有一定尺寸而
