陳 丁， 倪晉平， 陳 瑞

(西安工業(yè)大學 陜西省光電測試與儀器技術重點實驗室， 陜西 西安 710021)

0 引 言

光幕陣列測試系統(tǒng)(簡稱“光幕陣列”)是一種廣泛應用于各類身管武器外彈道測試的光電儀器. 該系統(tǒng)是由基于區(qū)截測速原理的天幕立靶發(fā)展而來， 不但具有測速功能， 還可精確地獲得彈丸入射角、 著靶坐標及射擊密集度等外彈道參數(shù). 其主要由若干對被動式光電探測器、 信號采集與處理模塊、 顯示控制終端等部分組成. 其中， 被動式光電探測器為系統(tǒng)的核心組件， 其探測區(qū)域呈薄扇形狀， 也被稱之為“光幕”. 當有彈丸穿過光幕的有效探測區(qū)域時會引起光通量瞬間下降， 各光電探測器會依次對應地產(chǎn)生一組動態(tài)信號[1,2]. 通過信號處理[3]與參數(shù)估計算法[4-8]， 可在信號采集與處理模塊中測量到各個動態(tài)信號時間間隔. 由于各個光幕之間呈特定的空間幾何關系， 根據(jù)光幕陣列測量原理， 利用這些時間間隔值就可計算獲得被測彈丸主要的外彈道參數(shù). 在光幕空間結(jié)構(gòu)關系得到精確校準的前提下， 動態(tài)信號時間間隔的提取精度直接影響了光幕陣列的總體性能.

目前， 光幕陣列性能評估采用的主要方法有： ① 標準彈測試方法， 標準彈尺寸制造公差及填藥量公差較小， 彈丸速度與其設計指標非常接近. 但在標準條件下， 彈丸依然會受到不可控因素影響， 導致彈道諸元存在散布[9]， 其速度真值是無法獲得的， 很難對光幕陣列系統(tǒng)性能實現(xiàn)精確的評估； ② 全數(shù)字仿真法， 在計算機上， 采用MATLAB對動態(tài)信號進行建模并設置信號時間間隔參數(shù)， 根據(jù)一定算法獲得的測量值與理論值進行比對. 這種方法雖然能獲得真值， 也能模擬出噪聲環(huán)境， 但完全脫離光幕陣列硬件系統(tǒng)運行[10]. 由于忽略了電氣特性影響， 無法實現(xiàn)對其性能比較全面的評估； ③ LED模擬光源法： 光源架設在光幕陣列各個探測器鏡頭上方， 利用光源的通/斷模擬彈丸通過光幕所引起光通量的變化. 該種方法最為接近真實彈丸過幕物理過程， 但無法模擬不同信噪比(Signal to noise ratio, SNR)情況下的動態(tài)信號. 因此， 以上種評估方法均存弊端與不足， 影響了光幕陣列測試技術進一步發(fā)展.

本文提出了一種基于半實物仿真的光幕陣列性能評估方法. 在避免傳統(tǒng)方法弊端的基礎上， 采用任意波形發(fā)生器(Arbitrary Waveform Generator, AWG)代替光幕陣列中的光電探測器， 與原系統(tǒng)搭建出一套半實物仿真驗證平臺. 根據(jù)光幕陣列動態(tài)信號特性， 對其進行建模并編輯生成波形文件， 下載至AWG后可輸出真實動態(tài)信號. 由于信號時間間隔可以預置， 經(jīng)過對信號采集與處理模塊輸出的測量值與理論值進行比較， 可對被測系統(tǒng)的性能做出精確地判決， 也對合理選取信號時間間隔測量算法提供了科學依據(jù).

1 工作原理

圖 1 為半實物仿真驗證平臺組成框圖， 該系統(tǒng)由一臺AWG以及信號采集與處理模塊、 顯示控制終端及網(wǎng)絡交換機(Hub)等部分組成. 除AWG、 網(wǎng)絡交換機之外， 系統(tǒng)組成與光幕陣列完全一致， 這樣做是為了使半實物驗證平臺運行狀態(tài)盡可能地接近于真實情況.

圖 1 半實物驗證平臺系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of semi-physical verification platform

為了便于分析， 假設彈丸為一個圓柱體. 當一個彈丸穿過兩個光幕時， 對應的光電探測器會依次輸出兩個動態(tài)信號， 該信號可被視為脈沖信號. 在此驗證平臺中， AWG可以很好模擬出光電探測器感知彈丸穿過光幕的瞬態(tài)過程， 而在實彈射擊試驗中的瞬態(tài)過程是無法受控的. 與光幕陣列相比， 驗證平臺中AWG起到原來光電探測器的作用. 在本課題中， 采用的Keysight的M8195A型AWG， 該儀器具有兩個輸出端口， 可以獨立地輸出具有不同特性(如脈寬、 邊沿時間、 延遲時間及噪聲等)的信號. 該儀器的主要性能指標如表 1 所示. 實際工程中， 信號采集與處理模塊中的采樣率一般設置為5 MHz[11,12]. 動態(tài)信號等效帶寬小于500 kHz， 其頻率由被測武器系統(tǒng)彈丸發(fā)射頻率直接決定.

目前， 超高速射擊武器的射擊頻率最高可達11 000 發(fā)/min. 顯然， 動態(tài)信號頻率上限不會超過200 Hz. AWG的輸出信號理論上限頻率為最高采樣率的1/2， 實際應用中為了保證輸出信號質(zhì)量， 其信號上限頻率常取最高采樣率的1/4， 儀器輸出信號頻率工作范圍遠超動態(tài)信號實際頻率. 此外， 動態(tài)信號上升/下降沿時間為1～10 μs， 而該儀器輸出信號邊沿時間最小可達18 ps. 由于該儀器采用超高穩(wěn)定本振源， 輸出信號偏差僅為±6 ps. 綜上所述， 該儀器完全滿足本課題的需求.

表 1 Keysight M8195A R12型AWG主要參數(shù)

驗證平臺工作流程為： ① 運行前， 應將AWG設置為“單次觸發(fā)”模式. 當外部觸發(fā)信號輸入到AWG后將激發(fā)其開始工作. 觸發(fā)信號模擬的是彈丸從槍管發(fā)射出那個瞬間， 觸發(fā)信號起始時間可以作為參考時間或零點時刻； ② 當AWG收到觸發(fā)信號后， 根據(jù)預設值， 兩路動態(tài)信號被分別延遲不同的時間后輸出給信號采集與處理模塊； ③ 在信號采集與處理模塊中， 根據(jù)不同信號間隔提取算法測量出兩路信號時間間隔Δt， 并將測量值通過以太網(wǎng)輸出給顯示控制終端. ④ 兩信號時間間隔Δt與理論值在顯示控制終端中完成比較并記錄.

2 信號建模

由于SystemVue軟件具有豐富信號模型庫， 包含常見各類通信、 雷達、 GPS及噪聲信號[13,14]. 故在本課題中采用該軟件對兩個動態(tài)信號進行建模， 圖 2 為兩路動態(tài)信號模型框圖. 該模型由上下兩個支路組成， 分別表征動態(tài)信號1與動態(tài)信號2， 且兩支路結(jié)構(gòu)完全一致. 一個支路中包含的模塊有： 脈沖波形發(fā)生器、 高斯噪聲發(fā)生器、 加法器、 數(shù)據(jù)收集器. 動態(tài)信號1和動態(tài)信號2分別鏈接至AWG M8915信號下載器模型的輸入端口1， 2.

圖 2 SystemVue軟件環(huán)境的動態(tài)信號模型框圖Fig.2 Block diagram of the model of two channel dynamic signal in the SystemVue

脈沖波形發(fā)生器可由用戶自定義脈沖描述字參數(shù)(如脈寬、 幅度、 頻率及波形等)產(chǎn)生特定的脈沖信號. 高斯噪聲發(fā)生器可產(chǎn)生不同功率水平的高斯噪聲信號， 通過加法器與脈沖信號疊加后會模擬出噪聲環(huán)境， 這樣做會使半實物仿真更加接近于真實情況. 數(shù)據(jù)收集器按照規(guī)定采樣率(5 MHz)獲得模擬動態(tài)信號的數(shù)據(jù).

與MATLAB[15]軟件最大的不同是， 該軟件不僅可以進行全數(shù)字仿真， 還可以驅(qū)動AWG產(chǎn)生真實的模擬信號. 這一功能是通過AWG M8915信號下載器模型實現(xiàn)的， 可以編輯生成動態(tài)信號波形文件下載至對應輸出端口， 并生成與數(shù)字仿真信號完全一致的真實信號. 因此， 脈沖波形發(fā)生器在整個建模中起核心作用， 合理定義脈沖描述字參數(shù)即可滿足要求.

圖 3 兩動態(tài)信號U1和U2的時序關系Fig.3 Timing relationship between the two dynamic signals

由于光幕具有一定厚度， 且光幕厚度不可能都相等. 當具有一定長度彈丸穿過兩個光幕時， 對應產(chǎn)生的兩個動態(tài)信號持續(xù)時間也不相等. 多數(shù)情況下， 彈丸長度都大于光幕厚度， 信號邊沿時間是由幕厚決定的， 而信號脈寬與彈丸長度成正比. 若在信噪比良好的情況下， 根據(jù)“半幅度下降沿法”將動態(tài)信號下降沿的1/2幅度所對應時刻視為彈丸穿過該光幕中心平面特征時刻點， 兩個動態(tài)信號U1和U2特征時刻點t1和t2的差值Δt才能被視為兩信號的時間間隔[4,16]. 根據(jù)此原則， 可以分別定義兩個動態(tài)信號脈沖描述字參數(shù)， 即可構(gòu)造兩個動態(tài)信號模型(如圖 3 所示， 為兩動態(tài)信號時序關系).

假設彈丸穿過兩光幕的時間間隔Δt已知； 光幕2的厚度要比光幕1厚， 即動態(tài)信號2的邊沿時間te2大于動態(tài)信號1的邊沿時間te1； 由于是同一個彈丸穿過兩個厚度不等光幕， 兩個動態(tài)信號脈寬PW相等； 零點時刻O表示彈丸發(fā)射出槍口的瞬間；tD1為彈尖觸及光幕1的時刻， 也是動態(tài)信號1較O點的延遲時間. 因此， 合理地定義動態(tài)信號2的延遲時間tD2即可構(gòu)造出具有時間間隔Δt的兩個動態(tài)信號.

根據(jù)半幅度下降沿法， 兩動態(tài)信號時間間隔定義為

Δt=t2-t1.

(1)

由兩動態(tài)信號時序關系可知， 兩特征時刻點t2與t1可分別表示為

(2)

(3)

將式(2)與式(3)帶入式(1)可得動態(tài)信號2的延遲時間

tD2=Δt+tD1-(te1-te2)/2.

(4)

3 仿真驗證

目前， 真正應用于工程測量中的動態(tài)信號時間間隔測量方法只有半幅度下降沿法和廣義相關法. 半幅度下降沿法不受兩光幕厚度差異性影響， 但對信噪比有較高要求[4,16]； 而廣義相關法具有較好的抗噪聲性能， 但隨兩光幕厚度差異性增大， 其測量誤差也會增大[4,16]. 采用全數(shù)字仿真， 從理論上證明了兩種方法的可行性及其特點. 但在實彈射擊試驗中， 由于彈丸穿過兩光幕時間間隔真值無法獲得， 兩方法實際性能未能得到科學而客觀的評估. 而半實物仿真驗證平臺最大的優(yōu)勢是： 不脫離光幕陣列硬件系統(tǒng)運行， 可使兩種方法獲得盡可能接近于真實情況的測量結(jié)果. 反之， 若半實物驗證平臺運行結(jié)果與之前理論分析結(jié)果相吻合， 也證明了半實物仿真測試方法的可行性.

3.1 幕厚差異性條件下的驗證

該仿真是為了驗證兩光幕的幕厚差異性對半幅度下降沿法和廣義相關法兩種方法測量精度的影響. 假設SNR保持不變(為20 dB)， 兩平行光幕距離保持不變， 彈丸以恒定速度穿過兩者的時間間隔Δt=200 μs. 而光幕1厚度不變， 光幕2厚度不斷增大時， 由于動態(tài)信號邊沿時間與幕厚成線性正比關系， 幕厚比就等于對應動態(tài)信號邊沿時間之比， 設幕厚比分別為1/1, 1/1.1, 1/1.2, …, 1/2， 根據(jù)上節(jié)分析， 兩動態(tài)信號時序關系應滿足式(4)， 其參數(shù)如表 2 所示.

表 2 幕厚差異性條件下的兩動態(tài)信號參數(shù)

在SystemVue環(huán)境下配置好動態(tài)信號模型參數(shù)后， 立即運行驗證平臺. 當AWG收到觸發(fā)信號， 經(jīng)過合理延遲時間， 輸出通道1, 2分別輸出動態(tài)信號1, 2. 如圖 4 為通過示波器觀察到動態(tài)信號1, 2的波形.

圖 4 幕厚比為1/1.5條件的兩動態(tài)信號波形Fig.4 Waveforms of the two dynamic signals under the screen thickness ratio of 1/1.5

信號采集與處理模塊對應的輸入通道1, 2接收動態(tài)信號1, 2并進行相關處理. 同理， 每次配置好動態(tài)信號模型參數(shù)后， 運行半實物驗證平臺， 并記錄兩種方法的測量結(jié)果， 如表 3 所示.

表 3 幕厚差異性條件下的兩種方法測量結(jié)果

根據(jù)觀察可知: 采用半幅度下降沿法的測量結(jié)果隨著幕厚比的變化， 其測量誤差變化不大[8]； 采用廣義相關法的測量結(jié)果誤差隨幕厚比的變化比較顯著[8]. 因此， 兩種方法測量誤差變化規(guī)律與理論分析結(jié)論吻合. 此外， 光幕2厚度不變而光幕1厚度變化時， 其結(jié)果的變化規(guī)律與此相同.

3.2 不同信噪比條件下的驗證

此項仿真的目的是討論噪聲對動態(tài)信號時間間隔測量精度的影響. 假設幕厚比為1∶1.2， 信號時間間隔仍為Δt=200 μs， 動態(tài)信號脈沖描述字的其他參量也保持不變， 如表 4 所示.SNR依次設置為30 dB, 20 dB, 15 dB, 10 dB, 8 dB, 5 dB. 針對上述規(guī)定SNR， 依次進行仿真并記錄兩種方法的測量結(jié)果， 如表 5 所示.

表 4 不同信噪比條件下的兩動態(tài)信號參數(shù)

表 5 不同信噪比條件下的兩種方法測量結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果可知， 隨著SNR降低， 半幅度下降沿法測量結(jié)果的精度在降低， 而廣義相關法的測量精度基本變化不大. 因此， 半實物仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果是吻合的.

如圖 4， 為通過示波器觀察到當信噪比為10 dB時的動態(tài)信號1, 2的波形.

圖 5 SNR為10 dB時的兩動態(tài)信號波形Fig.5 Waveforms of the two dynamic signals under the SNR of 10 dB

4 結(jié) 論

本文提出一種基于半實物仿真的光幕陣列性能評估方法. 采用兩通道的任意波形發(fā)生器代替光電探測器， 與剩余的光幕陣列系統(tǒng)組成半實物驗證平臺. 相比較實彈射擊試驗和MATLAB全數(shù)字仿真， 該方法不但仿真效果更加接近于真實情況， 而且彈丸穿過光幕的瞬態(tài)過程及噪聲環(huán)境可實現(xiàn)精確地控制. 該方法可對光幕陣列的性能做出客觀、 科學的評估， 為合理選擇動態(tài)信號時間間隔測量優(yōu)化算法提供了重要參考. 但該方法也存在一些不足： 忽略多個光電探測器及測量通道的增益、 相位延遲及內(nèi)部噪聲等也存在不勻衡性， 并未真正實現(xiàn)對光幕陣列全系統(tǒng)的性能評估. 因此， 如何產(chǎn)生光通量精密可控的動態(tài)光信號將是下一步研究重點.