兵器装备工程学报 2017-06-07
基于透光率表征的光电式枪口烟检测系统分析研究
潘伟杰，周克栋，赫雷，杜恩武，李茂林，江剑
(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)
作者简介：潘伟杰(1990—),男,硕士研究生,主要从事武器系统实验与测试技术研究。
本文引用格式：潘伟杰，周克栋，赫雷，等.基于透光率表征的光电式枪口烟检测系统分析研究[J].兵器装备工程学报，2017(4):137-140.
Citation：format:PAN Wei-jie, ZHOU Ke-dong, HE Lei, et al.Research on a Photoelectric Detection System of Muzzle Smoke of Small Arms Based on the Characterization of Light Transmittance[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):137-140.
摘要：针对枪口烟具有流动性、瞬态性以及难以捕捉等特性，设计了一种枪口烟定量测试系统，该系统分别测量出激光穿过有烟与无烟时枪口烟雾收集器的感光电压，并计算出透光率表征枪口烟浓度。原理样机的试验结果表明：该系统性能可靠，工作稳定，测试结果准确可信，为枪口烟的测试提供了一种重要的手段。
关键词：枪口烟；激光法；定量测试；烟雾箱
“烟雾”是一种在时间和空间上失去控制的泄漏现象[1]，具有形态不稳定、存在时间短、受环境影响大等特点。因此，如何可靠收集和检测烟雾，一直是烟雾研究领域面临的主要问题。目前，学界对于烟雾的收集和检测研究方法很多，例如基于小波的视频烟雾检测技术[2]、基于飘动性分析的视频烟雾检测方法[3]、基于红外图像的烟雾检测方法[4]等。对于军工领域来说，枪械的膛口烟雾收集和检测一直是研究的重点和难点，相比于普通的烟雾，膛口烟雾弥散更快，且由于钝感剂(DBP)的加入，使得在产生烟雾的同时还会产生喷焰[5]等现象，所以其收集和检测显得尤为复杂和困难。
为此，采用光电法的原理，设计了一种新型枪口烟检测系统，利用烟箱将烟雾收集起来，用经过调制的光源射入烟箱中，比较有烟和无烟时的感光电压，以透光率来表征烟雾浓度，实现对烟雾的检测，评估实验弹药的性能和配方。采用烟箱法收集枪口烟，具有成本低，受环境影响小，可重复测量的特点[6]。
1 设计原理
自动武器射击时的膛口烟雾是由发射药燃烧形成的气体、火药未充分燃烧形成的残渣等组成的混合气体溶胶，由于其成分复杂、外形多变，存在时间短暂，采用一般检测方法很难进行。采用比尔—郎伯原理，可以克服烟雾检测过程中的这些困难。
如图1所示，当强度为I的光源透过厚度为b的烟雾层时，由于烟雾对于光源的吸收、反射和散射作用，使得穿过烟雾层的光源强度衰减为I。根据比尔郎伯定律
(1)
式中：A为吸光度；T为透光率。式(1)的含义是：当一束平行单色光垂直照射到样品时，样品的吸光度与样品的浓度及光程(样品的厚度)成正比。而透光率
(2)
所以，只要能够测出入射前的光强I和入射后的光强I，就可以得出该烟雾的透光率。
图1 比尔-郎伯原理示意图
2 系统总体方案设计
2.1 系统组成
所设计的光电式枪口烟检测系统主要由以下几部分组成：
1) 烟雾收集部分。由枪口烟的收集装置、收弹装置和一些辅助机构组成，主要用于收集枪口烟，以便检测。
2) 光路部分。包括光源的固定、调整，光电池的安装、更换以及电源控制装置等，确保光源能够达到检测所需的条件。
3) 电路部分。产生信号，并将光源信号转化成的电信号进行信号处理、分析，给出处理结果。
4) 软件部分。设计开发相应的软件，实现对系统的控制、操作和数据处理，提高系统的人机功效。
系统的结构框图如图2所示。
图2 枪口烟检测系统结构框图
烟雾收集装置收集烟雾，经过调制的激光源发射激光，穿过烟雾收集装置被下侧的光路部分接收，信号传输到电路中，然后再向软件传输，进行处理。
2.2 烟雾收集装置
枪口烟收集装置，即烟雾箱，除了要具有普通烟雾收集装置的密封性之外，还要考虑承受射击时流入其中的火药燃气产生的动态压力和收集子弹等功能因素，因此，在充分考虑实验弹种的来源并给出足够安全系数的情况下，设计了安全烟雾收集装置。如图3所示，烟雾收集装置主要包括烟雾收集箱、排气扇、泄压机构和集弹器。
图3 烟雾收集装置结构示意图
2.3 光路设计
本检测系统需要测出枪口烟在烟箱内扩散稳定后的透射光强I和入射光强I，由于重力的作用，烟雾扩散稳定后会产生分层，所以，光路垂直方向布置，如图4所示。
图4 光路布置示意图
由于激光的平行度好，散射小，相同距离上的能量消耗也小，所以本枪口烟测试系统采用激光作为光源，可对激光进行调制，使其满足检测要求。光源装置上加工一段导轨，用于对激光的光程进行调节，保证实验初始条件的一致性。
根据光路布置，无烟时采集到的光强是光束照射到光电池上的光强，并不等同于入射光强I。系统采用650 nm的红激光，这个波长的激光传输时的衰减以散射为主，不考虑吸收，根据激光在单程垂直路径大气传输中的透光率计算式[7-9]
(3)
其中：k1是地面的粒子散射函数，其大小等于0.199 km-1；k2是粒子散射标高的倒数，其大小等于0.83 km-1；k3是地面分子散射函数，其大小等于0.012 4 km-1；k4是分子散射标高的倒数，其大小等于0.13 km-1，系统的光程长度最大值为h=450 mm，代入式(3)，计算得T1=99.99%，即激光穿过箱体内部照射到光电池上，能量衰减很小，小于0.01%，可近似认为=I。故
(4)
2.4 电路设计
电路是整套光电式枪口烟检测系统的重要部分。电路的组成如图5所示。
图5 电路组成示意图
电路部分主要由电源转换模块、光电池、前置放大模块、二级放大模块、方波发生电路、锁相放大模块以及数据采集模块组成。方波发生电路产生的方波信号有两个作用：作为激光光源的调制信号和锁相放大器的参考信号。调制的光源经过烟雾收集箱之后，透射光射入光电池，光电池感光后输出电压信号，该信号的频率与调制信号的输出信号频率相同，光电池输出的电压信号先经过前置放大电路进行放大处理，然后通过二级放大电路滤除直流分量，再经过锁相放大器，信号相乘后通过低通滤波，信号只保留直流分量，该直流分量经过AD转换器，将数据送入微机处理，显示屏显示测量结果，同时数据传输到上位机。
2.5 软件设计
本软件采用LabVIEW虚拟仪器平台进行编写，LabVIEW的图形化编程语言，在操作界面上与现实仪器完全一样[10]，直观性很强，通过软件实现以下功能：
1) 实验初始条件和环境条件设置；
2) 实验对象参数设置；
3) 测量下位机的采集和数据传输；
4) 数据实时采集；
5) 数据采集参数设置；
6) 数据处理、保存和报告打印。
为了实现上述功能，本软件采用分页式软件界面，将软件主界面、参数信息设置界面以及实验操作主界面分开，各有重点，区别特征明显，方便操作使用。软件参数信息设置界面如图6所示。
图6 软件参数信息设置界面
检测时，测量电路对实验数据进行实时采集，并对采集的数据进行比较判断，当数据大于设定的烟雾产生判定阈值时，说明烟雾已经产生，此时的信号数据记为透射后的信号数据。软件接着判断烟雾是否扩散稳定，判断烟雾扩散稳定的方法是在软件中设计算法，将透射后某一给定时间段采集的数据平均值与其前一相同时间段采集的数据平均值相减，当差值绝对值大于烟雾扩散稳定判定阈值时，表明烟雾还未扩散稳定，当差值绝对值小于烟雾扩散稳定判定阈值时，表明烟雾扩散稳定。烟雾一旦扩散稳定，则根据分段采集扩散稳定后的电压数值，计算扩散稳定后的透射电压。由于光电池在光的照射下会产生光电流，其公式为
B=SI
(5)
其中：B为产生的光电流；S是光电池的光电灵敏度，和光电池本身的特性有关；I是照射到光电池表面的光强[11]。结合式(4)及式(5)，有
(6)
式(6)表明，有烟和无烟时的光电流的比值即为透光率，由于信号要进行滤波、放大处理，基于电路处理的信号多是电压形式，因此，在电路中加入反馈电阻，将光电流转换成电压，然后进行处理并显示，因此有
(7)
将有烟雾时测得的透射电压与无烟雾时测得的透射电压作比，即可计算得到透光率T。
3 实验与分析
3.1 实验平台构建
光电式枪口烟检测系统实验平台如图7所示。
图7 枪口烟检测系统实验平台示意图
实验平台主要由实验台架、实验枪械、枪械夹具以及枪口烟检测系统几个部分组成，其中，枪械夹具和枪口烟检测系统都是通过螺栓与实验台架牢固连接，保证实验装置在射击冲击下的稳固性。连接时，先将枪口烟检测系统紧固在实验台架上，然后将枪口伸入箱体中，调整好枪身，使枪管轴线保持水平，然后调整夹具夹紧实验枪械。随后在软件界面进行设置，并进入实验操作主界面，开始实验。
3.2 实验数据分析
不失一般性，实验枪械选用某7.62 mm突击步枪，该枪配属弹种为7.62 mm普通弹，实验为单发射击，5发为一组。为了验证系统的稳定性与可靠性，每天进行一组实验，共进行了3组实验，实验结果如下。
1) 7.62 mm普通弹(第一次实验)
第一次实验结果如表1所示，可以看出，实验数据比较稳定，计算得出7.62 mm普通弹的平均透光率为71.9%，极差为3.1%。
表1 7.62 mm普通弹透光率测试结果1
序号无烟电压/V有烟电压/V透光率/%14．132．9972．424．232．9770．134．263．0270．544．293．1573．354．293．1573．2
2) 7.62 mm普通弹(第二次实验)
第二次实验结果如表2所示，本组实验数据可以看出7.62 mm普通弹的透光率稳定，计算平均透光率为69.84%，极差为4.6%。
表2 7.62 mm普通弹透光率测试结果2
序号无烟电压/V有烟电压/V透光率/%14．342．9167．024．383．1271．234．353．0369．644．453．1469．854．443．1871．6
3) 7.62 mm普通弹(第三次实验)
第三次实验结果如表3所示，实验结果表明7.62 mm普通弹的平均透光率为72.1%，极差为2.6%，3组实验数据最大偏差均小于5%，数据稳定，具有很好的重复性。
表3 7.62 mm普通弹透光率测试结果3
序号无烟电压/V有烟电压/V透光率/%14．503．3173．524．363．1672．434．393．2072．844．373．1070．954．373．1070．9
利用Matlab软件对实验数据进行处理，并将得出的曲线同时显示在坐标轴上。
从图8可以发现，每组实验数据的曲线透光率数值基本一致，集中在70%左右，3条曲线的重合度高，进一步证明了设计的光电式枪口烟检测系统工作稳定。
图8 透光率测试结果
4 结束语
本文的光电式枪口烟检测系统设计合理，安全可靠，密封充分，能够很好地完成枪口烟雾的有效收集、稳定扩散、安全收弹和快速排气等功能。光学部分的光源调制和调节方便。电路各模块功能区分明显，逻辑性高，电路搭建直观简单。软件和检测系统的对接良好，界面可读性和操作性都很强，数据的输入输出、分析处理、设备控制的各功能控件工作正常。经过实验验证，该光电式枪口烟检测系统稳定性和重复性高，为枪械枪口烟的检测提供了重要的手段，具有广阔的应用前景。
小编学非该专业，内容以原文为准。
兵器装备工程学报 2017-06-07
基于透光率表征的光电式枪口烟检测系统分析研究
潘伟杰，周克栋，赫雷，杜恩武，李茂林，江剑
(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)
作者简介：潘伟杰(1990—),男,硕士研究生,主要从事武器系统实验与测试技术研究。
本文引用格式：潘伟杰，周克栋，赫雷，等.基于透光率表征的光电式枪口烟检测系统分析研究[J].兵器装备工程学报，2017(4):137-140.
Citation：format:PAN Wei-jie, ZHOU Ke-dong, HE Lei, et al.Research on a Photoelectric Detection System of Muzzle Smoke of Small Arms Based on the Characterization of Light Transmittance[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):137-140.
摘要：针对枪口烟具有流动性、瞬态性以及难以捕捉等特性，设计了一种枪口烟定量测试系统，该系统分别测量出激光穿过有烟与无烟时枪口烟雾收集器的感光电压，并计算出透光率表征枪口烟浓度。原理样机的试验结果表明：该系统性能可靠，工作稳定，测试结果准确可信，为枪口烟的测试提供了一种重要的手段。
关键词：枪口烟；激光法；定量测试；烟雾箱
“烟雾”是一种在时间和空间上失去控制的泄漏现象[1]，具有形态不稳定、存在时间短、受环境影响大等特点。因此，如何可靠收集和检测烟雾，一直是烟雾研究领域面临的主要问题。目前，学界对于烟雾的收集和检测研究方法很多，例如基于小波的视频烟雾检测技术[2]、基于飘动性分析的视频烟雾检测方法[3]、基于红外图像的烟雾检测方法[4]等。对于军工领域来说，枪械的膛口烟雾收集和检测一直是研究的重点和难点，相比于普通的烟雾，膛口烟雾弥散更快，且由于钝感剂(DBP)的加入，使得在产生烟雾的同时还会产生喷焰[5]等现象，所以其收集和检测显得尤为复杂和困难。
为此，采用光电法的原理，设计了一种新型枪口烟检测系统，利用烟箱将烟雾收集起来，用经过调制的光源射入烟箱中，比较有烟和无烟时的感光电压，以透光率来表征烟雾浓度，实现对烟雾的检测，评估实验弹药的性能和配方。采用烟箱法收集枪口烟，具有成本低，受环境影响小，可重复测量的特点[6]。
1 设计原理
自动武器射击时的膛口烟雾是由发射药燃烧形成的气体、火药未充分燃烧形成的残渣等组成的混合气体溶胶，由于其成分复杂、外形多变，存在时间短暂，采用一般检测方法很难进行。采用比尔—郎伯原理，可以克服烟雾检测过程中的这些困难。
如图1所示，当强度为I的光源透过厚度为b的烟雾层时，由于烟雾对于光源的吸收、反射和散射作用，使得穿过烟雾层的光源强度衰减为I。根据比尔郎伯定律
(1)
式中：A为吸光度；T为透光率。式(1)的含义是：当一束平行单色光垂直照射到样品时，样品的吸光度与样品的浓度及光程(样品的厚度)成正比。而透光率
(2)
所以，只要能够测出入射前的光强I和入射后的光强I，就可以得出该烟雾的透光率。
图1 比尔-郎伯原理示意图
2 系统总体方案设计
2.1 系统组成
所设计的光电式枪口烟检测系统主要由以下几部分组成：
1) 烟雾收集部分。由枪口烟的收集装置、收弹装置和一些辅助机构组成，主要用于收集枪口烟，以便检测。
2) 光路部分。包括光源的固定、调整，光电池的安装、更换以及电源控制装置等，确保光源能够达到检测所需的条件。
3) 电路部分。产生信号，并将光源信号转化成的电信号进行信号处理、分析，给出处理结果。
4) 软件部分。设计开发相应的软件，实现对系统的控制、操作和数据处理，提高系统的人机功效。
系统的结构框图如图2所示。
图2 枪口烟检测系统结构框图
烟雾收集装置收集烟雾，经过调制的激光源发射激光，穿过烟雾收集装置被下侧的光路部分接收，信号传输到电路中，然后再向软件传输，进行处理。
2.2 烟雾收集装置
枪口烟收集装置，即烟雾箱，除了要具有普通烟雾收集装置的密封性之外，还要考虑承受射击时流入其中的火药燃气产生的动态压力和收集子弹等功能因素，因此，在充分考虑实验弹种的来源并给出足够安全系数的情况下，设计了安全烟雾收集装置。如图3所示，烟雾收集装置主要包括烟雾收集箱、排气扇、泄压机构和集弹器。
图3 烟雾收集装置结构示意图
2.3 光路设计
本检测系统需要测出枪口烟在烟箱内扩散稳定后的透射光强I和入射光强I，由于重力的作用，烟雾扩散稳定后会产生分层，所以，光路垂直方向布置，如图4所示。
图4 光路布置示意图
由于激光的平行度好，散射小，相同距离上的能量消耗也小，所以本枪口烟测试系统采用激光作为光源，可对激光进行调制，使其满足检测要求。光源装置上加工一段导轨，用于对激光的光程进行调节，保证实验初始条件的一致性。
根据光路布置，无烟时采集到的光强是光束照射到光电池上的光强，并不等同于入射光强I。系统采用650 nm的红激光，这个波长的激光传输时的衰减以散射为主，不考虑吸收，根据激光在单程垂直路径大气传输中的透光率计算式[7-9]
(3)
其中：k1是地面的粒子散射函数，其大小等于0.199 km-1；k2是粒子散射标高的倒数，其大小等于0.83 km-1；k3是地面分子散射函数，其大小等于0.012 4 km-1；k4是分子散射标高的倒数，其大小等于0.13 km-1，系统的光程长度最大值为h=450 mm，代入式(3)，计算得T1=99.99%，即激光穿过箱体内部照射到光电池上，能量衰减很小，小于0.01%，可近似认为=I。故
(4)
2.4 电路设计
电路是整套光电式枪口烟检测系统的重要部分。电路的组成如图5所示。
图5 电路组成示意图
电路部分主要由电源转换模块、光电池、前置放大模块、二级放大模块、方波发生电路、锁相放大模块以及数据采集模块组成。方波发生电路产生的方波信号有两个作用：作为激光光源的调制信号和锁相放大器的参考信号。调制的光源经过烟雾收集箱之后，透射光射入光电池，光电池感光后输出电压信号，该信号的频率与调制信号的输出信号频率相同，光电池输出的电压信号先经过前置放大电路进行放大处理，然后通过二级放大电路滤除直流分量，再经过锁相放大器，信号相乘后通过低通滤波，信号只保留直流分量，该直流分量经过AD转换器，将数据送入微机处理，显示屏显示测量结果，同时数据传输到上位机。
2.5 软件设计
本软件采用LabVIEW虚拟仪器平台进行编写，LabVIEW的图形化编程语言，在操作界面上与现实仪器完全一样[10]，直观性很强，通过软件实现以下功能：
1) 实验初始条件和环境条件设置；
2) 实验对象参数设置；
3) 测量下位机的采集和数据传输；
4) 数据实时采集；
5) 数据采集参数设置；
6) 数据处理、保存和报告打印。
为了实现上述功能，本软件采用分页式软件界面，将软件主界面、参数信息设置界面以及实验操作主界面分开，各有重点，区别特征明显，方便操作使用。软件参数信息设置界面如图6所示。
图6 软件参数信息设置界面
检测时，测量电路对实验数据进行实时采集，并对采集的数据进行比较判断，当数据大于设定的烟雾产生判定阈值时，说明烟雾已经产生，此时的信号数据记为透射后的信号数据。软件接着判断烟雾是否扩散稳定，判断烟雾扩散稳定的方法是在软件中设计算法，将透射后某一给定时间段采集的数据平均值与其前一相同时间段采集的数据平均值相减，当差值绝对值大于烟雾扩散稳定判定阈值时，表明烟雾还未扩散稳定，当差值绝对值小于烟雾扩散稳定判定阈值时，表明烟雾扩散稳定。烟雾一旦扩散稳定，则根据分段采集扩散稳定后的电压数值，计算扩散稳定后的透射电压。由于光电池在光的照射下会产生光电流，其公式为
B=SI
(5)
其中：B为产生的光电流；S是光电池的光电灵敏度，和光电池本身的特性有关；I是照射到光电池表面的光强[11]。结合式(4)及式(5)，有
(6)
式(6)表明，有烟和无烟时的光电流的比值即为透光率，由于信号要进行滤波、放大处理，基于电路处理的信号多是电压形式，因此，在电路中加入反馈电阻，将光电流转换成电压，然后进行处理并显示，因此有
(7)
将有烟雾时测得的透射电压与无烟雾时测得的透射电压作比，即可计算得到透光率T。
3 实验与分析
3.1 实验平台构建
光电式枪口烟检测系统实验平台如图7所示。
图7 枪口烟检测系统实验平台示意图
实验平台主要由实验台架、实验枪械、枪械夹具以及枪口烟检测系统几个部分组成，其中，枪械夹具和枪口烟检测系统都是通过螺栓与实验台架牢固连接，保证实验装置在射击冲击下的稳固性。连接时，先将枪口烟检测系统紧固在实验台架上，然后将枪口伸入箱体中，调整好枪身，使枪管轴线保持水平，然后调整夹具夹紧实验枪械。随后在软件界面进行设置，并进入实验操作主界面，开始实验。
3.2 实验数据分析
不失一般性，实验枪械选用某7.62 mm突击步枪，该枪配属弹种为7.62 mm普通弹，实验为单发射击，5发为一组。为了验证系统的稳定性与可靠性，每天进行一组实验，共进行了3组实验，实验结果如下。
1) 7.62 mm普通弹(第一次实验)
第一次实验结果如表1所示，可以看出，实验数据比较稳定，计算得出7.62 mm普通弹的平均透光率为71.9%，极差为3.1%。
表1 7.62 mm普通弹透光率测试结果1
序号无烟电压/V有烟电压/V透光率/%14．132．9972．424．232．9770．134．263．0270．544．293．1573．354．293．1573．2
2) 7.62 mm普通弹(第二次实验)
第二次实验结果如表2所示，本组实验数据可以看出7.62 mm普通弹的透光率稳定，计算平均透光率为69.84%，极差为4.6%。
表2 7.62 mm普通弹透光率测试结果2
序号无烟电压/V有烟电压/V透光率/%14．342．9167．024．383．1271．234．353．0369．644．453．1469．854．443．1871．6
3) 7.62 mm普通弹(第三次实验)
第三次实验结果如表3所示，实验结果表明7.62 mm普通弹的平均透光率为72.1%，极差为2.6%，3组实验数据最大偏差均小于5%，数据稳定，具有很好的重复性。
表3 7.62 mm普通弹透光率测试结果3
序号无烟电压/V有烟电压/V透光率/%14．503．3173．524．363．1672．434．393．2072．844．373．1070．954．373．1070．9
利用Matlab软件对实验数据进行处理，并将得出的曲线同时显示在坐标轴上。
从图8可以发现，每组实验数据的曲线透光率数值基本一致，集中在70%左右，3条曲线的重合度高，进一步证明了设计的光电式枪口烟检测系统工作稳定。
图8 透光率测试结果
4 结束语
本文的光电式枪口烟检测系统设计合理，安全可靠，密封充分，能够很好地完成枪口烟雾的有效收集、稳定扩散、安全收弹和快速排气等功能。光学部分的光源调制和调节方便。电路各模块功能区分明显，逻辑性高，电路搭建直观简单。软件和检测系统的对接良好，界面可读性和操作性都很强，数据的输入输出、分析处理、设备控制的各功能控件工作正常。经过实验验证，该光电式枪口烟检测系统稳定性和重复性高，为枪械枪口烟的检测提供了重要的手段，具有广阔的应用前景。
小编学非该专业，内容以原文为准。