CN101865932A - 单排光源z型反射式光幕靶测速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单排光源Z型反射式光幕靶测速定位方法，单排平行光源发出的平行光构成第一道光幕，该第一道光幕经第一反射镜反射后形成第二道光幕，该第二道光幕经过第二反射镜反射后形成第三道光幕，在该第三道光幕末端放置光探测器；当弹丸依次穿越第一、二、三道光幕时对应测得穿越光幕的时刻，通过时间差与靶体尺寸间接求出弹丸过靶速度以及弹丸与第二道光幕相交点在与第一、二、三道光幕垂直平面上的两个坐标；通过光探测器获得弹丸遮挡光线的位置，即得到弹丸与第二道光幕相交点在光探测器的光敏元器件排列方向上的坐标；将测量结果传输给显示设备或者计算机作进一步处理。本发明可以方便地一次性测量出弹丸的着靶点坐标和测量出弹丸速度。

Description

单排光源Z型反射式光幕靶测速定位方法

技术领域

本发明属于测量弹丸速度以及弹着点坐标技术，特别是一种单排光源Z型反射式光幕靶测速定位方法。

背景技术

涉及枪弹射击用自动报靶装置和弹丸速度测量方法。可用于部队进行军事射击训练、体育射击的训练及比赛、大众娱乐射击活动等方面的自动报靶方向，也可用于军工科研乃至武器验收等场合实现对弹丸位置以及速度的测定。

除传统的人工报靶技术外，现有的弹着点检测方法主要采用声、光、电等方法。比如采用导电橡胶靶法、基于图像处理的坐标靶、光电坐标靶法、线阵CCD靶法、声电坐标靶法等。

导电橡胶靶法存在靶板寿命的问题；基于图像处理的坐标靶法采用视觉处理的方法，实际使用效果与算法关系较大，处理结果参差不齐；线阵CCD靶法采用交汇的方式，成本较高；声靶法是对弹丸激波的检测，存在干扰较大的问题；在实际应用中光电靶法是较常用的测量弹丸落点的方法。

利用光电靶进行弹着点定位常用的有两种方式，一种是多光幕法，如采用四个光幕靶实现对弹着点的测量的方法(倪晋平，崔长青，田会等.四光幕交汇立靶测试系统及纸靶校准方法.西安工业学院学报，2004，24(04)：319-323)，该方法通过对时间的测量而推算出着靶点的位置，该方法同时也可以测量出弹丸速度；另外一种对弹着点定位的方法是采用的激光网络坐标靶法(秦向军，周汉昌.激光光幕自动报靶系统的设计与实现.计量与测试技术，2009，36(3)：30-31)，该方法通过对弹丸遮挡住的光探测器的具体位置进行检测(即直接测量位置)，从而实现对弹丸着靶点的位置进行测量。

四光幕靶法可以测量出弹丸着靶点的位置与速度，但是需要四套光源及光探测器。激光网络坐标靶法采用的单个十字交叉激光靶需要两套光源及光探测器，只能测量出着靶点位置，无法测量出弹丸速度。采用激光网络坐标靶法想要同时测出速度，需要两套单个十字交叉靶，及4套光源及光探测器。中北大学周承仙等(周承仙，李仰军，武锦辉等.弹丸速度及弹着点坐标测量系统研究[J].弹道学报，2008，20(1)：55-58)采用了64个点对点激光器和探测器，16对为一组，需要四组。

以上两种方法，想要同时测量出弹丸着靶点及弹丸速度，均需要4套光源及光探测器。

目前利用多光幕测量弹丸速度及弹着点逐渐成为趋势，如中国发明专利200710019000.6，利用4套光源及光探测器外加2面反射镜，构建了6道光幕来实现对弹着点的测量。

下面是现有技术利用反射镜将光光幕拓展形成多道光幕的方法：

文献1：Yu Jiyan，Li Yongxin，Wang Xiaoming，Velocity Measurement Using SingleOptical Detector and Two Reflectors.International Conference on Information Technologyand Computer Science(ITCS2009)。采用了两面反射镜将普通平行光幕扩展成3道光幕，实现了利用一个光源及一个光探测器对弹丸速度的测量，由于此方法着重于测量弹丸速度，采用的光探测器是不可定位式探测器，因此无法确定出弹丸在两个方向上的着靶点坐标。

文献2：Yu Jiyan，Wang Xiaoming，Li Yongxin，Velocity and Position Measurement forProjectile Using Double Optical Detectors and Reflectors，The International Symposium onPhotonics and Optoelectronics(SOPO 2009)。采用了两个光源及两个光探测器，外加2面反射镜，构建了4道光幕，光探测器为不可定位式光探测器，通过对时间的测量可以实现对弹丸着靶点及速度的测量。此方法虽然可以测量出弹丸速度及着靶点坐标，但是采用了两套光源及光探测器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用一套光源及光探测器实现对弹丸着靶点以及弹丸速度进行测量的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种单排光源Z型反射式光幕靶测速定位方法，步骤如下：

(1)单排平行光源发出的平行光构成第一道光幕，该第一道光幕经第一反射镜反射后形成第二道光幕，该第二道光幕经过第二反射镜反射后形成第三道光幕，在该第三道光幕末端放置光探测器，第一道光幕与第三道光幕平行，第一道光幕、第二道光幕与第三道光幕构成一个光幕靶体，且所述的第一、二、三道光幕在与该第一、二、三道光幕垂直平面上的投影是“Z”字形或者是反“Z”字形；

(2)当弹丸依次穿越第一、二、三道光幕时对应测得穿越光幕的时刻，通过靶体尺寸与时间差的关系求出弹丸过靶速度以及弹丸与第二道光幕相交点在与第一、二、三道光幕垂直平面上的两个坐标；

(3)通过光探测器获得弹丸遮挡光线的位置，即得到弹丸与第二道光幕相交点在光探测器的光敏元器件排列方向上的坐标；

(4)将测量结果传输给显示设备或者计算机作进一步处理。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)利用反射镜将光幕多次反射，以达到节省光源及光探测器的目的，节省成本，只用单排光源，光幕成本为现有测试方法的四分之一或二分之一。(2)采用相同光源及光探测器的情况下，本发明的方法可以成倍地拓展靶体尺寸。(3)方法简单、解算简单。(4)由于采用了一组光源及光探测器，器件响应一致性好，测时精度高。(5)可以方便地一次性测量出弹丸的着靶点坐标和测量出弹丸速度。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是正Z型靶体原理结构图。

图2是靶体xOy平面投影图。

图3是连续型平行光幕构成示意图。

图4是点对点激光光幕示意图。

图5是点对点光源Z型光幕靶结构。

图6是实验布局示意图。

图7是光敏检测电路。

图8是高速摄影机所拍照片。

具体实施方式

结合图1，本发明单排光源Z型反射式光幕靶测速定位方法，步骤如下：

(1)单排平行光源1发出的平行光构成第一道光幕S₁，该第一道光幕S₁经第一反射镜R₁反射后形成第二道光幕S₂，该第二道光幕S₂经过第二反射镜R₂反射后形成第三道光幕S₃，在该第三道光幕S₃末端放置光探测器2，第一道光幕S₁与第三道光幕S₃平行，第一道光幕S₁、第二道光幕S₂与第三道光幕S₃构成一个光幕靶体，且所述的第一、二、三道光幕S₁、S₂、S₃在与该第一、二、三道光幕S₁、S₂、S₃垂直平面上的投影是“Z”字形或者是反“Z”字形；

(2)当弹丸依次穿越第一、二、三道光幕S₁、S₂、S₃时对应测得穿越光幕的时刻t₁、t₂、t₃，通过靶体尺寸与时间差的关系求出弹丸过靶速度以及弹丸与第二道光幕S₂相交点在与第一、二、三道光幕S₁、S₂、S₃垂直平面上的两个坐标；

(3)通过光探测器2获得弹丸遮挡光线的位置，即得到弹丸与第二道光幕S₂相交点在光探测器2的光敏元器件排列方向上的坐标；

(4)将测量结果通过有线、无线等方式传输给显示屏等显示设备或者计算机作进一步处理。

实施例

一、推导过程举例

在图1中，单排平行光源1，发射出平行光构成第一道光幕S₁，该第一道光幕S₁经第一反射镜R₁反射后形成第二道光幕S₂，该第二道光幕S₂经过第二反射镜R₂反射后形成第三道光幕S₃，在该第三道光幕S₃末端放置光探测器2，构成了光幕靶体。光幕靶体在x方向的宽度记为a，光幕S₁与光幕S₃相距为b，a、b的取值根据弹丸大小、实际要求的着靶区域而定。光幕S₁、S₂、S₃在xOy平面内的投影为Z字形。

弹丸穿越光幕靶体过程中，依次穿越光幕S₁、S₂、S₃，弹丸遮挡住相应的光线后光探测器将会有相应的信号输出，弹丸轨迹与第二道光幕S₂的交点称为弹着点，该弹着点在z方向的坐标可由光探测器2直接获得，但弹着点在x、y方向的坐标需要通过测时来进行计算。弹丸进入靶体时多为垂直入射，出于通用性考虑，假设弹丸入射时有一定倾角入射，图2中DF为弹丸轨迹在xOy平面内的投影，AO、OB、BC为光幕S₁、S₂、S₃在xOy平面内的投影。DF与光幕投影AO、OB、BC交于点D、E、F，其中E点即为待测的弹着点。假设弹丸到达AO、OB、BC的时刻为t₁、t₂、t₃，计t_ij＝t_j-t_i，表示t_j与t_i的时间差。

设弹丸速度为v。由于△ODE∽△BEF，故由于△OGE∽△OAB，

|OA|＝a，可得：

$x_E=\frac{t_{12}}{t_{13}}a---\left(1\right)$

同理可得：

$y_E=\frac{t_{12}}{t_{13}}b---\left(2\right)$

弹丸在y方向的速度：

$v_y=\frac{b}{t_{13}}---\left(3\right)$

则弹丸速度为

弹丸与第二道光幕S2相交点的x方向坐标为

弹丸与第二道光幕S2相交点的x方向坐标为

二、光幕构成举例

光幕的构成包括光源和光探测器。光源可以排列多个点光源经过透镜转化为平行光发出，也可以由点对点激光器发出。光探测器可以由光敏二极管、光敏三极管、光敏三极管、光敏电阻、光电池等具有感光能力的元器件并排搭建。光源与光探测器的排列间距可以根据测量要求的精度来确定。

图3所示为连续型平行光幕的构成，其中光源采用多个激光二极管进行排列，光线经胶合透镜转换为平行光，经狭缝光阑后形成光幕。光探测器件为光电池。图4所示光幕采用的是点对点激光发生器作为光源进行排列，光探测器件为光敏二极管。

三、点对点型激光光源对比举例

如采用相同的器件及数量，将中北大学(周承仙，李仰军，武锦辉等.弹丸速度及弹着点坐标测量系统研究[J].弹道学报，2008，20(1)：55-58)所研制的弹丸速度及弹着点坐标测量系统按照本文方法进行改造，将64路点对点激光器排成一排，，外加两面反射镜形成如图5所示的Z型光幕靶结构。

中北大学设计的测试结构光束之间的间距为12.5mm，16路光源排成一排，则靶体的尺寸是固定的，在xyz方向上靶体尺寸为0.1875m*0.5m*0.1875m。采用本文方法改造，组建Z型靶体，采用同样的光束间距，将64路光束排成一排，则靶体尺寸在xyz方向为1m*1m*0.7875m，且x和y方向的靶体尺寸还可以继续加大而不影响测量效果。可见在相同原材料的情况下，本发明的方法使靶体的尺寸大幅加大。

四、原理性实验

为验证镜单排Z型反射式光幕靶测试的有效性，进行了桌面发射小球的原理性试验，用来验证采用测时的方法测量着靶点及速度的可行性。实验将单排光源简化为一个点光源，目的是验证通过测量时间差的方法来测量着靶点位置及速度的可能性。

实验原理布局如图6所示，由光源1(如激光笔)发射直线光束，经两面表面反射镜反射R₁、R₂后光线进入光探测器2(如光敏检测电路)，组成了“Z”型测试结构。光敏检测电路如图7所示，由于原理决定了三道光幕靶的接收器为同一个接收器，故接收到的信号特征一致性好，延时一致性好，对信号的测时误差较传统方法小得多。高速摄影机所拍照片如图8所示。

布局的长宽均为30cm。为验证y方向测速的能力，在距离两面反射镜前后10cm处各设置一道光幕，均由激光笔和光敏二极管组成，测量出的小球速度用v_m表示。由“Z”型结构测量出来的小球速度用v表示。两者的相对测速误差ε_v为：

${\mathrm{\ϵ}}_v=\frac{v-v_m}{v_m}\×100\%---\left(4\right)$

为验证x方向坐标测量的准确性，使用Redlake HG XL型高速摄影机对钢球进行拍摄，由于室内光线较暗，拍摄帧频为250f/s，坐标纸标示刻度以cm为单位，对照片判读时可估计到1mm分辨率。采用“Z”型结构测量出来的小球着靶坐标用x表示。由高速摄影机所拍画面判读出来的小球着靶坐标用x_m表示。两者的测量误差ε_x为：

ε_x＝x-x_m    (5)

针对于Z型结构的测时装置为单通道多脉冲测时装置，进行对比测速的测时装置为双通道单脉冲测时装置，两者均在DSP F2812基础上开发，工作频率100MHz，测时分辨率10ns。测试过程中以下降沿为计时时刻。

表1实验结果

No.	xmm	xmmm	εxmm	vm/s	vmm/s	εv％
							1	167.2	167	0.2	9.2158	9.2109	0.05
2	154.8	154	0.8	8.1382	8.1396	-0.02
							3	100.0	99	1.0	10.8380	10.8243	0.13
4	155.9	155	0.9	10.2289	10.2493	-0.20
							5	141.8	142	-0.2	11.6668	11.665	0.02
6	98.9	99	-0.1	14.0877	14.0991	-0.08
							7	99.4	100	-0.6	10.6709	10.6821	-0.10
8	151.0	150	1.0	11.9199	11.9059	0.12
							9	149.2	149	0.2	9.4634	9.4747	-0.12
10	143.1	143	0.1	10.8637	10.8779	-0.13
							11	184.3	184	0.3	13.1426	13.161	-0.14

No.	xmm	xmmm	εxmm	vm/s	vmm/s	εv％
							12	187.6	187	0.6	11.8809	11.9022	-0.18

实验共进行12次弹射，实验结果如表1所示，由于无法获知实验的真值，对比试验也仅仅是提供对比参考，通过高速摄影机拍摄画面判读出的小球位置本身就存在误差，通过一对激光笔测出来的小球速度本身也存在测量误差，如果Z”型结构测量值与传统方法相差不大，那就说明“Z”型结构在节省成本的情况下替代传统的方法进行测试具有可行性。由实验结果可以看出，用反射法“Z”型结构测出的x方向坐标和通过高速摄影机所摄照片的对比误差ε_x的绝对值在0.1mm和1mm之间，说明利用镜反射后的“Z”型结构可以有效地对运动目标定位。“Z”型结构测出的小球y方向速度与传统区截靶法测出速度相对误差ε_v的绝对值在0.02％和0.2％之间，说明利用“Z”型结构测速具有可行性。

在此需要说明的是在实验过程中，小球在桌面并非每次都是一直贴着桌面运动，会有微小的弹跳过程，这也就造成了测时会有误差，这与实际靶场实验中弹丸在有章动情况下着靶的情况比较类似，总体来说实验的结果还算令人满意。

Claims (2)

1.一种单排光源Z型反射式光幕靶测速定位方法，其特征在于步骤如下：

(1)单排平行光源[1]发出的平行光构成第一道光幕[S₁]，该第一道光幕[S₁]经第一反射镜[R₁]反射后形成第二道光幕[S₂]，该第二道光幕[S₂]经过第二反射镜[R₂]反射后形成第三道光幕[S₃]，在该第三道光幕[S₃]末端放置光探测器[2]，第一道光幕[S₁]与第三道光幕[S₃]平行，第一道光幕[S₁]、第二道光幕[S₂]与第三道光幕[S₃]构成一个光幕靶体，且所述的第一、二、三道光幕[S₁、S₂、S₃]在与该第一、二、三道光幕[S₁、S₂、S₃]垂直平面上的投影是“Z”字形或者是反“Z”字形；

(2)当弹丸依次穿越第一、二、三道光幕[S₁、S₂、S₃]时对应测得穿越光幕的时刻t₁、t₂、t₃，通过靶体尺寸与时间差的关系求出弹丸过靶速度以及弹丸与第二道光幕[S₂]相交点在与第一、二、三道光幕[S₁、S₂、S₃]垂直平面上的两个坐标；

(3)通过光探测器[2]获得弹丸遮挡光线的位置，即得到弹丸与第二道光幕S₂相交点在光探测器[2]的光敏元器件排列方向上的坐标；

(4)将测量结果传输给显示设备或者计算机作进一步处理。

2.根据权利要求1所述的单排光源Z型反射式光幕靶测速定位方法，其特征在于第一、二、三道光幕[S₁、S₂、S₃]形成的光幕结构在xOy平面内的投影为Z字形或反Z字形，光幕靶体在x方向的宽度记为a，第一、三道光幕[S₁、S₃]相距为b；

弹丸穿越靶体过程中，会三次穿越光幕，弹丸遮挡住相应的光线后光探测器[2]将会有相应的信号输出，弹着点在z方向的坐标由光探测器[2]直接获得，但弹着点在x、y方向的坐标需要通过测时来进行计算，即假设弹丸入射时有一定倾角入射，DF为弹丸轨迹在xOy平面内投影，第一、二、三道光幕[S₁、S₂、S₃]在xOy平面内投影为AO、OB、BC，DF与AO、OB、BC交于点D、E、F；其中E点即为待测的弹着点，假设弹丸到达AO、OB、BC即到达第一、二、三道光幕[S₁、S₂、S₃]的时刻为t₁、t₂、t₃，计t_ij＝t_j-t_i，表示t_j与t_i的时间差；

设弹丸速度为v，由于△ODE∽△BEF，故

由于△OGE∽△OAB，

|OG|＝x_E，|OA|＝a，可得：

$x_E=\frac{t_{12}}{t_{13}}a$

同理可得：

$y_E=\frac{t_{12}}{t_{13}}b$

弹丸在y方向的速度：

$v_y=\frac{b}{t_{13}}$

则弹丸速度为

弹丸与第二道光幕[S₂]相交点的x方向坐标为

弹丸与第二道光幕[S₂]相交点的x方向坐标为

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