CN104101726A - 反射式激光幕测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于火炮射弹初速测量技术领域，具体涉及一种反射式激光幕测速方法。为解决上述技术问题，本发明提供的测速方法对炮火初速进行校准，其相隔预设定间距的激光幕结构，依靠弹丸通过时产生的反射光，光电探测器将携带时间差的光信号转换为电信号，信号处理器对电信号进行分析，结合预设定的间距，从而解算出弹丸在经过两个扇形面光源期间的平均速度。其测速精度不大于0.5‰，不仅能够提供高精度的炮弹初速测量工艺，同时亦满足运载轻便、测量口径适用范围广的要求。

Description

反射式激光幕测速方法

技术领域

本发明属于火炮射弹初速测量技术领域，具体涉及一种反射式激光幕测速方法。

背景技术

在火炮及弹药设计和生产过程中，炮弹的初速是重要技术指标之一，从而，初速测量设备也是火炮及弹药设计和生产部门的必装设备。目前，常规使用的初速测量设备存在很多种类，其中，基于区截测量原理的有：通断网靶、线圈靶、天幕靶、框架式激光靶等等。这一类初速测量设备的测量原理为：在已知靶距的前提下，测取炮弹的过靶时间，计算靶距中点位置的平均速度。此外，还有借助于测速雷达来进行测量的方案，这类方案则是通过多普勒原理来进行测速。

现有的基于区截测量原理的初速测量设备由于种种原因，基本都存在现场靶距长度误差大、炮弹过靶时间测量不够准确、抑或测量火炮口径范围受限等问题；而对于多普勒测速雷达，则在测速点位置存在不确定性的问题，其测速精度误差达到1‰左右，难以满足精度方面的要求。

有鉴于此，对于本领域技术人员而言，如何改善现有技术中炮弹初速测量过程精度不足的现状，已成为当前迫切需要解决的重要问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是，如何提供一种炮弹初速测量方法，通过该方法能够提供高精度的炮弹初速测量工艺，同时亦需满足运载轻便、测量口径适用范围广的要求。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种反射式激光幕测速方法，所述反射式激光幕测速方法基于反射式激光幕测速装置来实施，所述测速装置包括：第一激光幕系统、第二激光幕系统及信号处理器；所述两套激光幕系统分别包括：扇形激光器、成像镜头、光学狭缝、窄带滤光片以及光电探测器；所述两个扇形激光器分为第一扇形激光器及第二扇形激光器，每一所述扇形激光器均为超薄的扇形面光源，其设置为光源发出后形成的扇形面垂直于弹丸运动方向，所述两个扇形激光器沿弹丸的发射方向相隔预设定的距离依次设置，以使得弹丸出膛后以垂直的角度依次穿过所述第一扇形激光器及第二扇形激光器的扇形面光源；所述两个光电探测器也分为第一光电探测器及第二光电探测器，所述两个光电探测器分别对应紧贴设置于所述第一扇形激光器及第二扇形激光器上；在所述两个光电探测器上方，分别设置有一成像镜头、一光学狭缝以及一窄带滤光片，所述光电探测器、成像镜头、光学狭缝以及窄带滤光片均与对应扇形激光器的扇形面光源处于同一平面内；所述两个光电探测器分别连接所述信号处理器；每一所述扇形激光器均连接设有一激光器驱动电源；所述第一激光幕系统及第二激光幕系统各自设置有一机械转台支撑结构；每个所述机械转台支撑结构中设可固定于地面的底座，所述底座上设有螺丝孔组，所述螺丝孔组通过螺丝可拆卸地设置可沿水平方向旋转的转台，所述转台上部设有可前后移动的拉杆丝杠，所述拉杆丝杠上部设有固定支架，该固定支架通过可转动的连接轴来与所述激光幕系统相连接；

其中，反射式激光幕测速方法具体包括如下步骤：

步骤S1：在火炮炮口前方沿弹丸的发射方向以预设定的距离依次设置所述两个扇形激光器；

步骤S2：开启激光器驱动电源，扇形激光器放射出扇形面光源；

步骤S3：通过测量所述扇形面光源的发射方向与弹丸的发射方向之间的角度关系，调节所述机械转台支撑结构的转台、拉杆丝杠以及连接轴来调整扇形激光器的光源发射方向，以使得扇形面光源的发射方向与弹丸的发射方向相互垂直；

步骤S4：火炮发射弹丸，弹丸通过所述两个扇形面光源时，部分挡住激光光束，部分激光被反射，分别产生具有时间差的两束发射光；

步骤S5：所述两束反射光分别经光学狭缝、窄带滤光片及成像镜头后成像于不同的光电探测器上，光电探测器生成携带具有时间差的光信号；

步骤S6：光电探测器将所述光信号转换为电信号，再由信号处理器分析解算含有时间差数据的电信号，最终生成弹丸在经过第一扇形激光器及第二扇形激光器的扇形面光源期间的平均速度。

每一所述扇形激光器所发出的为频率在630nm～680nm且厚度为4mm～6mm的红光。

每一所述扇形激光器的功率不高于1W。

(三)有益效果

本发明技术方案所提供的反射式激光幕测速方法，用于对炮火初速进行测量，其借助两套相隔预设定间距的激光幕结构，依靠弹丸通过时产生的反射光，光电探测器将携带时间差的光信号转换为电信号，信号处理器对电信号进行分析，结合预设定的间距，从而解算出弹丸在经过两个扇形面光源期间的平均速度。经大量实弹验证，其测速精度不大于0.5‰，属国内首创，尚无国外测试方案可以借鉴，其不仅能够提供高精度的炮弹初速测量工艺，同时亦满足运载轻便、测量口径适用范围广的要求。

附图说明

图1为本发明技术方案中测速方法的流程图。

图2及图3为本发明技术方案中激光幕系统的结构示意图。

图4为本发明技术方案中激光幕系统搭载于机械转台支撑结构上的结构示意图。

【附图标记说明】

11：第一扇形激光器；12：第二扇形激光器；

21：第一光电探测器；22：第二光电探测器；

31/32：成像镜头；4：弹丸；51：激光器驱动电源；

61：光学隙缝；71：窄带滤光片；8：信号处理器；

91：机械转台支撑结构；

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为了解决现有技术的问题，本发明提供一种反射式激光幕测速方法，其主要涉及超簿激光幕发生技术、快速响应高灵敏度的微弱光电信号探测和滤波技术、高速信息采集和超高射频连发测速记录存储技术、精准靶距测量技术；具有小型轻便、测量准确度高和测量口径适用范围宽的特点；专门用于对常规初速测量设备的定期靶场计量和校准。具体而言，所述反射式激光幕测速方法基于反射式激光幕测速装置来实施，所述测速装置包括：第一激光幕系统、第二激光幕系统及信号处理器；所述两套激光幕系统分别包括：扇形激光器、成像镜头、光学狭缝、窄带滤光片以及光电探测器；

如图2及图3所示，所述两个扇形激光器分为第一扇形激光器11及第二扇形激光器12，每一所述扇形激光器均为超薄的扇形面光源，其设置为光源发出后形成的扇形面垂直于弹丸4的运动方向，所述两个扇形激光器沿弹丸的发射方向相隔预设定的距离依次设置，以使得弹丸出膛后以垂直的角度依次穿过所述第一扇形激光器11及第二扇形激光器12的扇形面光源；

所述两个光电探测器也分为第一光电探测器21及第二光电探测器22，所述两个光电探测器分别对应紧贴设置于所述第一扇形激光器11及第二扇形激光器12上；在所述两个光电探测器上方，分别设置有一成像镜头31/32、一光学狭缝以及一窄带滤光片，所述光电探测器、成像镜头、光学狭缝以及窄带滤光片均与对应扇形激光器的扇形面光源处于同一平面内；

所述两个光电探测器分别连接所述信号处理器，弹丸通过所述第一扇形激光器11及第二扇形激光器12的扇形面光源时，分别产生具有时间差的两束发射光，两束反射光分别经光学狭缝、窄带滤光片及成像镜头后成像于不同的光电探测器上，通过光电探测器将光信号生成电信号，再由信号处理器分析解算含有时间差数据的电信号，最终生成弹丸在经过第一扇形激光器11及第二扇形激光器12的扇形面光源期间的平均速度。每一所述扇形激光器均连接设有一激光器驱动电源。

所述第一激光幕系统11及第二激光幕系统12各自设置有一机械转台支撑结构；每个所述机械转台支撑结构中设可固定于地面的底座，所述底座上设有螺丝孔组，所述螺丝孔组通过螺丝可拆卸地设置可沿水平方向旋转的转台，所述转台上部设有可前后移动的拉杆丝杠，所述拉杆丝杠上部设有固定支架，该固定支架通过可转动的连接轴来与所述激光幕系统相连接。

其中，如图1所示，所述反射式激光幕测速方法具体包括如下步骤：

步骤S1：在火炮炮口前方沿弹丸的发射方向以预设定的距离依次设置所述两个扇形激光器；

步骤S2：开启激光器驱动电源，扇形激光器放射出扇形面光源；

步骤S3：通过测量所述扇形面光源的发射方向与弹丸的发射方向之间的角度关系，调节所述机械转台支撑结构的转台、拉杆丝杠以及连接轴来调整扇形激光器的光源发射方向，以使得扇形面光源的发射方向与弹丸的发射方向相互垂直；

步骤S4：火炮发射弹丸，弹丸通过所述两个扇形面光源时，部分挡住激光光束，部分激光被反射，分别产生具有时间差的两束发射光；

步骤S5：所述两束反射光分别经光学狭缝、窄带滤光片及成像镜头后成像于不同的光电探测器上，光电探测器生成携带具有时间差的光信号；

步骤S6：光电探测器将所述光信号转换为电信号，再由信号处理器分析解算含有时间差数据的电信号，最终生成弹丸在经过第一扇形激光器及第二扇形激光器的扇形面光源期间的平均速度。

上述技术方案适用于野外试验场环境，属于非接触式区截装置平均速度测量原理，其测速原理如下：平行放置距离为L的两个扇形激光器，形成两相距L的扇形激光幕。当没有弹丸遮挡激光扇面时，激光射向空中，一去不返，探测器就不会收到明亮的反射光信号。当有弹丸经过扇形区域时，就被扇形激光束照亮，照亮区域为一条线形亮带。从探测器里看到的是一条短亮线。通常固体目标表面都会有一定的反射率，弹丸也一样，由于激光束很明亮，因此该亮线比较明显。从而，当弹丸通过激光幕时，会部分挡住激光光束，有部分激光被反射回来，使用光电探测器捕获该反射信号的时刻，并记录下弹丸通过两激光幕的时间，就获得弹丸在区间内的飞行时间T。从而计算出平均速度V，即：V＝L/T。

扇形激光器所发出的光线为频率为630～680nm，厚度为4mm～6mm的红光，较为醒目，光束质量高，易于观察对准。其厚度约4mm有利于弹丸位置标记精度的提高。定制1W功率激光器体积和重量都较小。但是功率在1W以上时成本和体积重量迅速增大。出于体积、重量和成本的考虑，优选功率不高于1W的激光器。

激光器驱动控制电源半导体激光器(LD)与驱动发光二极管(LED)不同，一定功率以上的半导体激光器对驱动电源的要求比较高。

对于激光器的设置条件如下：

(1)温度控制：当激光器的温度超过一定值时，激光器功率输出不稳定，且会永久损坏。因此驱动电源必须有恒温控制系统，保证半导体激光器工作温度在允许范围内，且输出功率稳定。

(2)浪涌电流：半导体激光器为低压大电流驱动，正向电流从几十毫安到十几安培，而电压基本上小于5V。因此在启动和工作时极易受浪涌大电流冲击而永久损坏，所以驱动电源必须有可靠的浪涌电流消除性能。

(3)输出光功率的调制：在本方案中希望在没有弹丸射击时能够检查系统是否能够正常触发。由于信号滤波电路的的低频滤波功能，需要采用标记激光器快速闪烁，模拟弹丸的快速通过，产生触发信号，检测系统的各个测量功能模块是否正常工作。激光器功率越大，调制起来就越复杂，达到的允许调制频率就越低。设计的调制频率为20KHz，优良的激光器驱动电源能够达到该指标。

上述技术方案中，成像镜头用于汇聚来自弹丸上激光的反射光线。考虑到弹丸对激光的反射和散射方向，激光器与镜头尽量靠近，这样反射散射光的接收方向与标记激光的入射方向非常接近，基本上能够收集到最多的反射散射光线。

此外，由于弹丸表面有一定的粗糙度，不是镜面反射，而是一定角度范围的散射，所以能够有效接收弹丸反射散射的激光是能否实现有效探测的关键。因此，本发明技术方案设置光学狭缝的作用是让弹丸反射激光的光线能够全部到达探测器，拦截掉非激光反射以外的背景光，提高光电信号的信噪比，能使不同距离的标记激光斑成像全部落在狭缝内。

而窄带滤光片的作用则是只允许激光波长范围内的光线进入探测器，滤除范围以外的所有光线。窄带滤光片的中心波长与光源激光器的发射波长相匹配。如果采用650nm的激光器，则窄带滤光片的中心波长为650nm，带宽为±10nm。

对于光电探测器的选择，尽管光电探测器有许多种，但是满足本发明需求的探测器不多。本技术方案的光电探测器要求线型形状、响应速度快、光谱响应范围与标记激光器波长匹配，暗电流小，且灵敏度高。

本技术方案中优选的高速探测器，设计参数要求如下：

光敏面：          30×1.5(mm)

光谱范围R：       0.4～1.1(m)

暗电流密度ID：    58nA

响应度Re：        0.5uA/μW(λ＝0.9m)

结电容Cj：             250pF

工作温度范围TR：       40℃～60℃

对于信号处理器，由于探测的是弹丸的反射散射激光，因此原始信号幅度较小，且包含背景光直流信号、背景光交流噪声和其它随机干扰噪声。同时弹丸速度较快，不仅频率较高，而且频带宽度有特定要求，所以光电信号处理需要进行细致的设计和试验。要求如下：

放大调理过程是从背景噪声信号中提取弱光电信号的过程，首先对光信号和背景光信号的频谱进行分析，根据实验，找出探测信号的频谱范围。其次根据其频谱进行高通、低通、带通和带阻滤波，最后获得反射的光信号的前沿波形。淹没在强干扰背景噪声中的反射光电信号将被提取出来。放大、滤波调理后的信号经过驱动电路，送到信号控制系统中。在控制系统中解算处理得到弹丸速度，然后传送到远程计算机显示输出。

在现场测量火炮发射的弹丸速度时，将测速装置根据不同口径火炮初速测量要求安放在火炮前方一定的距离。在火炮处于水平射角条件下，通过机械转台支撑结构调校激光器光幕平面与火炮炮管轴线垂直，该机械转台支撑结构如图3所示，其设有两套，分别通过与前述第一激光幕系统及第二激光幕系统的连接轴实现激光幕系统的俯仰转动；通过机械转台支撑结构中拉杆丝杠实现激光幕系统的单方向平移；通过机械转台支撑结构中的转台实现激光幕系统的转动；通过机械转台支撑结构底座上的四个可调螺丝实现激光幕系统的水平调节。

当火炮射击后，弹丸先后经过两层激光幕，得到两层光幕中点的速度平均值。被校准的测速设备安装方式与此相同，它也要测量出两光幕中点位置的弹速，通过两者比较计算，给出对被校准测速设备的修正量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种反射式激光幕测速方法，其特征在于，所述反射式激光幕测速方法基于反射式激光幕测速装置来实施，所述测速装置包括：第一激光幕系统、第二激光幕系统及信号处理器；所述两套激光幕系统分别包括：扇形激光器、成像镜头、光学狭缝、窄带滤光片以及光电探测器；所述两个扇形激光器分为第一扇形激光器及第二扇形激光器，每一所述扇形激光器均为超薄的扇形面光源，其设置为光源发出后形成的扇形面垂直于弹丸运动方向，所述两个扇形激光器沿弹丸的发射方向相隔预设定的距离依次设置，以使得弹丸出膛后以垂直的角度依次穿过所述第一扇形激光器及第二扇形激光器的扇形面光源；所述两个光电探测器也分为第一光电探测器及第二光电探测器，所述两个光电探测器分别对应紧贴设置于所述第一扇形激光器及第二扇形激光器上；在所述两个光电探测器上方，分别设置有一成像镜头、一光学狭缝以及一窄带滤光片，所述光电探测器、成像镜头、光学狭缝以及窄带滤光片均与对应扇形激光器的扇形面光源处于同一平面内；所述两个光电探测器分别连接所述信号处理器；每一所述扇形激光器均连接设有一激光器驱动电源；所述第一激光幕系统及第二激光幕系统各自设置有一机械转台支撑结构；每个所述机械转台支撑结构中设可固定于地面的底座，所述底座上设有螺丝孔组，所述螺丝孔组通过螺丝可拆卸地设置可沿水平方向旋转的转台，所述转台上部设有可前后移动的拉杆丝杠，所述拉杆丝杠上部设有固定支架，该固定支架通过可转动的连接轴来与所述激光幕系统相连接；

其中，反射式激光幕测速方法具体包括如下步骤：

步骤S1：在火炮炮口前方沿弹丸的发射方向以预设定的距离依次设置所述两个扇形激光器；

步骤S2：开启激光器驱动电源，扇形激光器放射出扇形面光源；

步骤S3：通过测量所述扇形面光源的发射方向与弹丸的发射方向之间的角度关系，调节所述机械转台支撑结构的转台、拉杆丝杠以及连接轴来调整扇形激光器的光源发射方向，以使得扇形面光源的发射方向与弹丸的发射方向相互垂直；

步骤S4：火炮发射弹丸，弹丸通过所述两个扇形面光源时，部分挡住激光光束，部分激光被反射，分别产生具有时间差的两束发射光；

步骤S5：所述两束反射光分别经光学狭缝、窄带滤光片及成像镜头后成像于不同的光电探测器上，光电探测器生成携带具有时间差的光信号；

步骤S6：光电探测器将所述光信号转换为电信号，再由信号处理器分析解算含有时间差数据的电信号，最终生成弹丸在经过第一扇形激光器及第二扇形激光器的扇形面光源期间的平均速度。

2.如权利要求1所述的反射式激光幕测速方法，其特征在于，每一所述扇形激光器所发出的为频率在630nm～680nm且厚度为4mm～6mm的红光。

3.如权利要求1所述的反射式激光幕测速方法，其特征在于，每一所述扇形激光器的功率不高于1W。