CN101929824B - 单排光源双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双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，该第一道光幕经四个反射镜反射后形成五道光幕，在第五道光幕末端放置光探测器；通过靶体尺寸与时间差等信息间接求出弹丸过靶速度以及弹丸与各光幕相交点在与各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；弹丸与光幕的三个相交点的空间坐标进行拟合，求出弹道方程，将诸如弹道方程或者弹道上某点坐标等类似有用的信息传输给显示设备或者计算机作进一步处理。本发明可以方便地测量出弹丸的弹道，可用于推算出弹丸在空间平面上任意的着靶点坐标以及弹丸在各方向的速度分量等信息。

Description

单排光源双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双Z型反射式光幕靶测速定位方法。

背景技术

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，且对斜向入射的弹丸测量误差较大；在实际应用中光电靶法是较常用的测量弹丸落点的方法。

目前现有的测量弹道的方法有雷达法、高速摄影法、多光幕靶法等。雷达法适用于远距离测量弹道；高速摄影法测量弹道至少需要在两个方向上同时测量以确定弹道，而高速摄影机费用动辄百万；多光幕法是进行弹道测量的一个经济实惠方便的方法。

西安工业学院(冯斌，倪晋平等.六光幕结构立靶坐标测量原理.弹道学报2008，20(01)：59-61.)提出了一种六光幕结构，根据6个光幕布置的几何关系，运用空间解析几何的方法建立6个光幕面的平面方程，并与含有未知参数的弹道方程联立，将测到的弹丸依次穿过6个幕面的时间代入联立方程组，求得弹道方程中的未知参数，获得弹道线与预定光幕面的交点坐标，可解决弹道不垂直预定靶面入射的问题。此方法需要用6套光源及6套光探测器，解算方法较为复杂。

南京理工大学(Yu Jiyan，Li Yongxin，Wang Xiaoming，Theory of ballistic trajectorymeasurement using a multi-reflective laser light screen target，International Symposium onPhotoelectronic Detection and Imaging 2009(ISPDI 2009))采用2套光源及2套光探测器外加5面反射镜构建了7道光幕，实现对弹丸弹道的测量。此方法采用的光源为不可定位式光源，对空间坐标的求取均通过测时来得到，此方法解算相对简单，但由于采用了2套光源及探测器，安装调试要求的精度较高。

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弹道测量的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种单排光源双Z型反射式光幕靶弹道测量方法，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，在该第三道光幕经过第三反射镜反射后形成第四道光幕，该第四道光幕经过第四反射镜反射后形成第五道光幕，在该第五道光幕末端放置光探测器，第一道光幕、第三道光幕、第五道光幕相互平行，第二道光幕与第四道光幕平行。第一道光幕、第二道光幕、第三道光幕、第四道光幕、第五道光幕共同构成一个光幕靶体，且所述的第一、二、三、四、五道光幕在与该第一、二、三、四、五道光幕垂直平面上的投影是首尾相接的两个Z字形或者是两个反Z字形；

(2)当弹丸依次穿越第一、二、三、四、五道光幕时对应测得穿越各光幕的时刻，通过靶体尺寸与时间差等信息间接求出弹丸过靶速度以及弹丸与第二道光幕、第三道光幕、第四道光幕相交点在与第一、二、三、四、五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、三、四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)弹丸与第二、三、四道光幕的3个相交点的空间坐标进行拟合，求出弹道方程；

(4)根据弹道方程计算需要的数据，将诸如弹道方程或者弹道上某点坐标等类似有用的信息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)节省成本，只用单排光源，光幕成本为现有测试方法的六分之一或二分之一。(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道及弹丸各方向速度分量，得到的信息量大，可以推算出靶区附近弹丸行进过程中的任一点的空间三维坐标。(6)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。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是双正Z型靶体示意图。

图2是xOy平面投影图。

图3是yOz平面投影图。

图4是连续型平行光幕构成示意图。

图5是点对点激光光幕示意图。

图6是点对点光源双Z型光幕靶结构。

图7是报靶应用示意图。

图8是实验原理图。

图9是实验xOy平面图。

图10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经过第三反射镜R₃反射后形成第四道光幕S₄，该第四道光幕S₄经过第四反射镜R₄反射后形成第五道光幕S₅，在该第五道光幕S₅末端放置光探测器2，第一道光幕S₁、第三道光幕S₃、第五道光幕S₅相互平行，第二道光幕S₂与第四道光幕S₄平行。第一道光幕S₁、第二道光幕S₂、第三道光幕S₃、第四道光幕S₄、第五道光幕S₅共同构成一个光幕靶体，且所述的第一、二、三、四、五道光幕S₁、S₂、S₃、S₄、S₅在与该第一、二、三、四、五道光幕S₁、S₂、S₃、S₄、S₅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、四、五道光幕S₁、S₂、S₃、S₄、S₅时对应测得穿越光幕的时刻t₁、t₂、t₃、t₄、t₅，通过靶体尺寸与时间差等信息间接求出弹丸过靶速度以及弹丸与第二道光幕S₂、第三道光幕S₃、第四道光幕S₄相交点在与第一、二、三、四、五道光幕S₁、S₂、S₃、S₄、S₅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、三、四道光幕S₂、S₃、S₄相交点在光探测器2的光敏元器件排列方向上的坐标；

(4)弹丸与第二、三、四道光幕S₂、S₃、S₄的3个相交点的空间坐标进行拟合，求出弹道方程。

(4)根据弹道方程计算需要的数据，将诸如弹道方程或者弹道上某点坐标等类似有用的信息传输给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

图1中，假设弹丸入射时有一定倾角入射，弹丸与第一、二、三道、四、五道光幕S₁、S₂、S₃、S₄、S₅的交点为F、G、H、I、J。假设弹丸到达F、G、H、I、J的时刻为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅，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。

在xOy平面内FJ为弹丸轨迹投影，FJ与AO、OB、BC交于点F、G、H、I、J，由于△BGH∽△OGF，△OKG∽△OAB，故

可得：

$x_G=\left|\mathrm{OK}\right|=\left|\mathrm{KA}\right|\frac{\left|\mathrm{FG}\right|}{\left|\mathrm{GH}\right|}=(1-x_G)\frac{{\mathrm{vt}}_{12}}{{\mathrm{vt}}_{23}}$

解得：

$x_G=\frac{t_{12}}{t_{13}}l$

同理可得：

$y_G=l\·\frac{t_{12}}{t_{13}}\tan \mathrm{\α}$

$x_H=\frac{t_{34}}{t_{24}}l$

y_H＝l·tanα

$x_I=\frac{t_{34}}{t_{35}}l$

$y_I=l\·(1+\frac{t_{34}}{t_{35}})\tan \mathrm{\α}$ FJ在xOy平面内的方程y＝ax+b可由G、H、I三点的坐标通过拟合的方法得到。

弹丸在y方向的速度：

$v_y=\frac{\left|\mathrm{OE}\right|}{t_{15}}=\frac{2l\tan \mathrm{\α}}{t_{15}}$

弹丸在x方向的速度：

$v_x=\frac{1}{a}{v}_y$

如图3所示，弹丸轨迹在yOz平面内的投影为直线FJ，弹丸与五道光幕相交于点F、G、H、I、J。这五个点的z坐标值可以通过弹丸遮挡住的光敏二极管得到。yOz平面内的投影FJ的方程可以通过F、G、H、I、J。这五个点的z坐标值采用数学的方法得到。

比如通过F、J点的坐标值直接求取出FJ方程z＝cy+d

再比如可以将F、G、H、I、J五点的坐标值进行最小二乘线性拟合出FJ方程。G、H、I的y坐标值可以通过v_yt₀₁、v_yt₀₂、v_yt₀₃得到。

弹丸z方向的速度v_z为：

v_z＝cv_y

弹丸进入光幕时第一点个交点F的坐标为：

$F(x,y,z)=(-\frac{b}{a},0,-\frac{\mathrm{cb}}{a}+d)$

弹丸飞出第五道光幕时交点坐标J为：

$J(x,y,z)=(\frac{2l\tan \mathrm{\α}-b}{a},2l\tan \mathrm{\α},\frac{2l\tan \mathrm{\α}-b}{a}c+d)$

弹丸运动轨迹的参数方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=v_x(t-t_0)+x_F\\ y=v_y(t-t_0)\\ z=v_z(t-t_0)+z_F\end{array}\right.$

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4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5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xz方向上靶面尺寸为0.1875m*0.1875m。采用本文方法改造，如图6所示，组建双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xz方向上靶面为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，且可以测量多个着靶点乃至弹道方程，测量得到的信息量更大。

四、双Z型反射式光幕靶报靶应用

如图7所示，在双Z型靶体前摆放一常规坐标靶纸，传统的方法靠人工判读弹孔来获得环数。射击者对着靶纸射击，弹丸穿越靶纸后由采用本发明方法的双Z型光幕靶测量弹丸轨迹，然后回推出弹丸轨迹在靶纸上的坐标，通过语音的方式将环数进行播报。

五、原理性实验

为验证镜单排双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弹丸轨迹及速度的可行性。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。实验主要完成了测速对比、检验位置测定以及通过拟合小球轨迹方程推测其它靶面着靶点位置的可行性。

实验采用双Z结构，如图8所示，在一平面桌面上由四小面表面光学反射镜R₁、R₂、R₃、R₄及光源1(如激光笔)及光探测器2(如光敏检测装置)构成，激光经四次反射后形成5道拦截“光靶”，记为光路Ⅰ、光路Ⅱ、光路Ⅲ、光路Ⅳ、光路Ⅴ。各光路之间夹角均为45°即α为45°，靶面尺寸l取为40cm，小球与光路有五个交点，记为P₁、P₂、P₃、P₄、P₅，如图9所示。

为进行测速对比，在距光路Ⅰ与光路Ⅲ的前后方各10cm处安置测速对比光靶，光靶由激光笔和光敏检测装置构成。假设v_y′为区截装置测得的y方向速度，v_y为“Z”反射式测得的y方向速度，测速相对误差ε_v为：

${\mathrm{\ϵ}}_v=\frac{v_y-v_y^{\′}}{v_y^{\′}}\×100\%$

为检测位置测量及估算能力，采用了高速摄影机拍摄弹丸轨迹的方式来进行定位对比，摄影机型号为Redlake HG XL，布置在正对弹丸运动方向与光路Ⅴ相距1.8m处，相对于桌面高出0.8m。由于室内光线较暗，因此拍摄帧频为250f/s，曝光时间3997us，像素分辨率1504×1128。

通过测时的方法可以测出P₂、P₃、P₄的位置，P₁与P₅的位置可以通过拟合出轨迹方程后推算得知。因高速摄影机视场范围的限制，摄影机视场锁定在小球运动的后半部分的光路Ⅲ与光路Ⅴ之间，通过事后判读图像可以读出弹丸与光路Ⅲ与光路Ⅴ的交点坐标。因此实验的整体思路是通过双“Z”原理测量出P₂、P₃、P₄的位置，并拟合出小球轨迹方程，继而推算出P₅的位置。分别对比测时得到的P₃、P₅的位置与高速摄影图像判读出的位置坐标。

小球的轨迹方程y＝ax+b根据P₂、P₃、P₄三点的坐标进行最小二乘线性拟合方法得到，其中：

$a=\frac{\mathrm{N\Σxy}-\left(\mathrm{\Σx}\right)\left(\mathrm{\Σy}\right)}{\mathrm{N\Σ}{x}^2-{\left(\mathrm{\Σx}\right)}^2}$

$b=\frac{\left(\mathrm{\Σy}\right)\left(\mathrm{\Σ}{x}^2\right)-\left(\mathrm{\Σxy}\right)\left(\mathrm{\Σx}\right)}{\mathrm{N\Σ}{x}^2-{\left(\mathrm{\Σx}\right)}^2}$

P₅在x方向的位置：

$x_5=\frac{2l-b}{a}$

用x₃′来表示高速摄影图像判读出的P₃点x方向位置，则与双Z结构测量得到的P₃点x方向位置的相对误差ε_x3为：

ε_x3＝x₃-x₃′

用x₅′来表示高速摄影图像判读出的P₅点x方向位置，则与双Z结构测量得到的P₅点x方向位置的相对误差ε_x5为：

ε_x5＝x₅-x₅′

实验共成功进行25次，实验结果见表1所示。由于坐标纸刻度为1cm，因此对于P₃、P₅的坐标x₃′、x₅′的判读只能估计到0.1cm。双Z结构测出的P₃、P₅的坐标x₃、x₅精确到0.01cm。两者测量都存在误差，因此ε_x3、ε_x5只是两种测试方法的结果差异，至于那种方式距离真实值近是很难做界定的。

速度的相对测量误差ε_v最大值为0.17％最小的相对测量误差ε_v为0.01％，与前一节测量值相吻合，再次证明了测速的可行性。P₃点的位置测量误差ε_x3最大值为0.18cm，ε_x3最小值为0.02cm；P₅点位置测量误差ε_x5最大值为0.19cm，最小值为0cm。由测量结果可知，利用双Z型反射式光幕靶测量弹丸速度、弹丸轨迹位置以及估算轨迹上任一点的坐标的方法是可行的。

表1实验结果

	vym/s	vy′m/s	εv％	x3cm	x3′cm	εx3cm	x5cm	x5′cm	εx5cm
										1	11.8363	11.8227	0.12	20.98	20.8	0.18	21.78	21.8	-0.02
2	12.3286	12.3372	-0.07	21.06	21.0	0.06	17.9	17.8	0.10
										3	10.5496	10.5563	-0.06	20.16	20.3	-0.14	27.04	27.0	0.04
4	12.7398	12.7476	-0.06	17.89	17.8	0.09	15.3	15.3	0.00
										5	10.3539	10.3648	-0.11	18.43	18.3	0.13	15.88	15.9	-0.02

6	8.7309	8.7221	0.10	16.49	16.4	0.09	19.42	19.5	-0.08
										7	11.9976	12.0087	-0.09	18.86	18.7	0.16	17.9	17.8	0.10
8	9.0384	9.0420	-0.04	17.54	17.5	0.04	22.69	22.6	0.09
										9	10.5477	10.5540	-0.06	13.75	13.7	0.05	11.39	11.2	0.19
10	10.4484	10.4496	-0.01	18.60	18.5	0.10	21.53	21.5	0.03
										11	12.7614	12.7829	-0.17	17.12	17.1	0.02	15.18	15.1	0.08
12	9.5408	9.5266	0.15	21.12	21.0	0.12	28.3	28.5	-0.20
										13	8.0663	8.0629	0.04	15.16	15.0	0.16	13.13	13.0	0.13
14	10.0787	10.0697	0.09	15.88	15.7	0.18	14.55	14.5	0.05
										15	9.5607	9.5543	0.07	18.93	18.9	0.03	18.72	18.7	0.02
16	10.5360	10.5239	0.11	13.93	14.0	-0.07	12.17	12.0	0.17
										17	10.1509	10.1406	0.10	20.34	20.5	-0.16	19.69	19.7	-0.01
18	9.3008	9.2960	0.05	16.08	16.0	0.08	13.11	13.0	0.11
										19	6.5616	6.5653	-0.06	14.82	14.9	-0.08	10.32	10.2	0.12
20	9.0000	8.9897	0.11	19.19	19.1	0.09	18.32	18.2	0.12
										21	8.4216	8.4121	0.11	15.85	15.9	-0.05	12.55	12.4	0.15
22	9.8406	9.8535	-0.13	14.43	14.3	0.13	11.78	11.7	0.08
										23	9.5364	9.5257	0.11	17.60	17.5	0.10	16.14	16.0	0.14
24	9.5802	9.5697	0.11	21.02	21.0	0.02	22.32	22.3	0.02
										25	10.9701	10.9628	0.07	16.54	16.5	0.04	16.89	16.8	0.09

Claims (2)

1.一种单排光源双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]经过第三反射镜[R₃]反射后形成第四道光幕[S₄]，该第四道光幕[S₄]经过第四反射镜[R₄]反射后形成第五道光幕[S₅]，在该第五道光幕[S₅]末端放置光探测器[2]，第一道光幕[S₁]、第三道光幕[S₃]、第五道光幕[S₅]相互平行，第二道光幕[S₂]与第四道光幕[S₄]平行；第一道光幕[S₁]、第二道光幕[S₂]、第三道光幕[S₃]、第四道光幕[S₄]、第五道光幕[S₅]共同构成一个光幕靶体，且所述的第一、二、三、四、五道光幕[S₁、S₂、S₃、S₄、S₅]在与该第一、二、三、四、五道光幕[S₁、S₂、S₃、S₄、S₅]垂直平面上的投影是首尾相接的两个Z字形或者是两个反Z字形； 

(2)当弹丸依次穿越第一、二、三、四、五道光幕[S₁、S₂、S₃、S₄、S₅]时对应测得穿越光幕的时刻t₁、t₂、t₃、t₄、t₅，通过靶体尺寸与时间差间接求出弹丸过靶速度以及弹丸与第二道光幕[S₂]、第三道光幕[S₃]、第四道光幕[S₄]相交点在与第一、二、三、四、五道光幕[S₁、S₂、S₃、S₄、S₅]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、三、四道光幕[S₂、S₃、S₄]相交点在光探测器[2]的光敏元器件排列方向上的坐标； 

(4)弹丸与第二、三、四道光幕[S₂、S₃、S₄]的3个相交点的空间坐标进行拟合，求出弹道方程； 

(5)根据弹道方程计算需要的数据，将弹道方程或者弹道上某点坐标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所述的单排光源双Z型反射式光幕靶测速定位方法，其特征在于第一、二、三、四、五道光幕[S₁、S₂、S₃、S₄、S₅]形成的光幕结构在xOy平面内的投影为首尾相接的两个Z字形或两个反Z字型，光幕靶体在x方向的宽度记为l，第一、二道光幕[S₁、S₂]之间夹角为α； 

弹丸穿越靶体过程中，会五次穿越光幕，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，假设弹丸入射时有一定 倾角入射，弹丸与第一、二、三道、四、五道光幕[S₁、S₂、S₃、S₄、S₅]的交点为F、G、H、I、J；假设弹丸到达F、G、H、I、J的时刻为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅，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； 

在xOy平面内FJ为弹丸轨迹投影，FJ与AO、OB、BC交于点F、G、H、I、J，由于△BGH∽△OGF，△OKG∽△OAB，故

可得：

解得： 

同理可得： 

y_H＝l·tanα 

FJ在xOy平面内的方程y＝ax+b由G、H、I三点的坐标通过拟合的方法得到； 

弹丸在y方向的速度： 

弹丸在x方向的速度： 

弹丸轨迹在yOz平面内的投影为直线FJ，弹丸与五道光幕相交于点F、G、H、I、J，这五个点的z坐标值通过弹丸遮挡住的光敏二极管得到；yOz平面内的投影FJ的方程通过F、G、H、I、J，这五个点的z坐标值采用数学的方法得到； 

通过F、J点的坐标值直接求取出FJ方程z＝cy+d； 

将F、G、H、I、J五点的坐标值进行最小二乘线性拟合出FJ方程，G、H、I的y坐标值通过v_yt₀₁、v_yt₀₂、v_yt₀₃得到； 

弹丸z方向的速度v_z为： 

v_z＝cv_y

弹丸进入光幕时第一个交点F的坐标为： 

弹丸飞出第五道光幕时交点坐标J为： 

弹丸运动轨迹的参数方程为： 

。

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