CN104121805B - 一种靶道空间基准装置及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种靶道空间基准装置及其调节方法，它以激光、PSD、精密多维步进电机控制台等为基础，通过PSD感应激光光束所在的位置，将光斑位置信号转换为电信号，根据产生的电信号，控制步进电机的运行方向和步进，带动多维步进电机控制台运行，使前后激光光斑精确的照射在PSD的中心位置，从而完成弹道靶道空间基准系统的建立。本发明不仅能使激光光束与枪口或炮口火线方向保持水平，使激光光束精确地照射在田字网格的标准参考点上；而且不用靠实验人员目测光斑位置，通过安装在田字网格上的PSD可以精确测量光斑的能量密度中心所在位置，降低了对光斑直径和质量的要求。

Description

一种靶道空间基准装置及其调节方法

技术领域

本发明属于测试计量技术领域，具体涉及一种靶道空间基准装置及其调节方法。

背景技术

弹道靶道在各类常规弹丸的设计研究中发挥了十分重要的作用，成为必不可少的试验手段，高精度的时间和空间基准是弹道靶道的主要特征。传统的弹道靶道的空间基准装置水平一般是通过连通器的水箱来实现的，射向则通过悬链线来提供，标定时通过人眼观察望远装置来调节水平和射向，使田字网格处于照相站的标准位置处。由于该方法随机性较大，特别是长距离的悬链线很难架设。因此，产生了以激光发射装置、田字网格载体、液压小车组成的基准系统。现有的激光发射装置为空间基准装置提供一条准直的激光光束，调节激光发射装置，使激光达到水平状态，并且光束方向在枪、炮口的水平火线方向上。田字网格载体作为空间基准装置的标准参考面安装在液压小车上，通过手动调节液压小车，使激光光束照射在田字网格的标准参考点上。此时，田字网格便可以作为标定弹道靶道照相站的基准面。该方法由于激光装置发射的光斑很难准直得比较小而且比较圆，通过目测的方法也比较难保证较高的精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种靶道空间基准装置及其调节方法，本发明不仅能使激光光束与枪管或炮管的火线方向保持水平，使激光光束精确地照射在田字网格的标准参考点上；而且不用靠实验人员目测光斑位置，通过安装在田字网格上的光电位置传感器PSD可以精确测量光斑的能量密度中心所在位置，降低了对光斑的直径和质量的要求。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种靶道空间基准装置，其特征在于：包括两组完全相同的激光发射站和标定装置，其中一组激光发射站设置在靶道发射端，另一组激光发射站设置在靶道末端，标定装置位于两组激光发射站之间；激光发射站包括光学支架、精密位移台和激光光源，精密位移台固定在光学支架上，激光光源固定在精密位移台上；位于靶道发射端的激光光源的激光发射端位于枪管或炮管的火线等高位置处。

上述标定装置包括双重田字网格、精密多维步进电机控制台、PSD、位置控制计算机、光学望远装置和信号处理模块；两个相同的光学望远装置对称设置在双重田字网格的两侧，PSD固定在光学望远装置与双重田字网格的交界处；双重田字网格底部固定在精密多维步进电机控制台上；信号处理模块和精密多维步进电机控制台分别与位置控制计算机相连；信号处理模块再与PSD相连。

上述信号处理模块包括I/V转换单元、放大单元和加减除法运算模块，I/V转换单元分别与PSD和放大单元相连，放大单元再与加减除法运算模块相连，加减除法运算模块与位置控制计算机相连，PSD将采集到的光斑位置信号传输到I/V转换单元转换为电信号，再经过放大单元放大后，传输到加减除法运算模块，加减除法运算模块用于计算激光光斑在PSD上具体位置坐标，再将具体位置坐标传输到位置控制计算机，通过位置控制计算机控制精密多维步进电机控制台移动。

上述加减除法运算模块计算激光光斑在光电位置传感器PSD上具体位置坐标的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{2x}{L}=\frac{(X_2+Y_1)-(X_1+Y_2)}{X_1+X_2+Y_1+Y_2}\\ \frac{2y}{L}=\frac{(X_2+Y_2)-(X_1+Y_1)}{X_1+X_2+Y_1+Y_2}\end{array}\right.$

其中，L为PSD感光面长度，X₁、X₂、Y₁、Y₂为各个电极的输出电压，(x,y)为入射光点在PSD光敏感面上相对于PSD中心的位置坐标。

上述激光光源为基于激光器的准直光源或平行光管。

一种靶道空间基准装置的调节方法，方法步骤如下：

步骤1、激光发射站包括光学支架、精密位移台和激光光源，精密位移台固定在光学支架上，激光光源固定在精密位移台上；一组激光发射站放置在靶道发射端，另一组激光发射站放置在靶道末端，将位于靶道发射端的激光发射站的激光光源的激光发射端保持与枪管或炮管火线位等高，调节精密位移台使得激光光源产生的激光光束在枪管或炮管的火线方向上。

步骤2、以步骤1产生的激光光束为依据，在两组激光发射站的中间位置设置光斑重合检测装置，调节靶道末端激光发射站的精密位移台，判断其上的激光光源产生的激光光束在光斑重合检测装置上的光斑与步骤1的激光光束在光斑重合检测装置上的光斑是否重合，在靶道的不同位置反复几次进行光斑重合检测，确保两光束完全重合后，将两条完全重合的激光光束作为靶道空间基准线，撤除光斑重合检测装置；

步骤3、标定装置包括双重田字网格、精密多维步进电机控制台、PSD、位置控制计算机、光学望远装置和信号处理模块；两个相同的光学望远装置对称设置在双重田字网格的两侧，PSD固定在光学望远装置与双重田字网格的交界处；双重田字网格底部固定在精密多维步进电机控制台上；信号处理模块和精密多维步进电机控制台分别与位置控制计算机相连；信号处理模块再与PSD相连；标定装置设置在两组激光发射站之间；使得上述完全重合的激光光束，穿过在位于双重田字网格的两侧的光学望远装置，照射在PSD上，给精密多维步进电机控制台上电，通过PSD传输的光斑位置信号操控位置控制计算机，位置控制计算机控制精密多维步进电机控制台在X、Y、Z、俯仰、水平旋转方向上移动，直至激光发射站产生的激光光束精确地垂直照射在双重田字网格的基准点，即PSD的中心原点上；此时，双重田字网格的基准面便可以作为靶道照相站空间坐标标定的标准参考面。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1、激光发射站的稳定性能强，不会由于激光发射器本身稳定性能差，从而导致在做实验时光斑位置发生随机的移动；2、本发明可以判定光斑在田字网格上的精确位置，通过PSD可以测量激光光斑的精确位置，不会因为实验人员目测激光光斑位置导致实验结果的巨大误差；3、电动精确调节基准装置的可实施性强，采用多维步进电机控制台可以方便精确的调节基准装置的空间姿态，解决了手动精确调节基准装置难度大这一难题。

附图说明

图1是本发明的空间基准装置的主要组成示意图。

图2是本发明的空间基准装置调节方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种靶道空间基准装置，包括两组完全相同的激光发射站1和标定装置2，其中一组激光发射站1放置在靶道发射端，另一组激光发射站1放置在靶道末端，标定装置2位于两组激光发射站1之间；激光发射站1包括光学支架(市购，产自:宁波伟峰电子工业有限公司)、精密位移台(市购，产自：北京华维浩润仪器有限公司，各型号为：25平移台BP25-2C、82旋转台BR82-1C、回旋台BG101、5升降台BS5-1C)和激光光源3，精密位移台固定在光学支架上，激光光源3固定在精密位移台上，位于靶道发射端的激光发射站1的激光光源3的激光发射端位于枪管或炮管火线等高位置处。

标定装置2包括双重田字网格4(见：兵工学报第3期第21卷，弹道靶道数据判读与处理方法研究，作者：刘世平、易文俊、顾金良、陈平、夏言)、精密多维步进电机控制台5(市购，产自：北京华维浩润仪器有限公司，各型号为：电控平移台A033M、水平旋转台A012、弧摆电控倾斜台ABG202、电动升降台ABS100-1)、光电位置传感器PSD6(市购，产自：深圳达瑞鑫光电科技有限公司)、位置控制计算机7、光学望远装置8(市购，产自：狩猎者光学科技(北京)有限公司)和信号处理模块。双重田字网格4两侧分别装有光学望远装置8，PSD6固定在光学望远装置8与双重田字网格4的交界处；双重田字网格4固定在精密多维步进电机控制台5上。

双重田字网格4的作用：基准载体，用来调节相机正交用的。

光学望远装置8的作用：光学望远装置用于接收激光发射站1发射的激光光束，经过会聚透镜将较小直径的光束会聚到PSD6光敏面上，解决了激光光束因长距离传播照射到PSD6上光斑过于分散的现象。

结合图2，信号处理模块和精密多维步进电机控制台5分别与位置控制计算机7相连。信号处理模块与PSD6相连，信号处理模块包括I/V转换单元、放大单元、加减除法运算模块。加减除法运算模块用来计算激光光斑在PSD6上具体位置坐标，其计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{2x}{L}=\frac{(X_2+Y_1)-(X_1+Y_2)}{X_1+X_2+Y_1+Y_2}\\ \frac{2y}{L}=\frac{(X_2+Y_2)-(X_1+Y_1)}{X_1+X_2+Y_1+Y_2}\end{array}\right.$

式中，L为PSD感光面长度，X₁、X₂、Y₁、Y₂为各个电极的输出电压，(x,y)为入射光点在PSD光敏感面上相对于PSD中心的位置坐标。

实施例1

以200m靶道为例，两组完全相同的激光发射站1其中一组激光发射站1放置在靶道射击室，另一组激光发射站1放置在靶道末端，将位于靶道射击室的激光发射站1的平行光管3的激光发射端保持与炮管火线位等高，调节精密位移台使得平行光管3产生的激光光束在炮管的火线方向上。

以靶道射击室的激光发射站1产生的激光光束为依据，在两组激光发射站1的中间位置设置光斑重合检测装置，调节靶道末端激光发射站1的精密位移台，使得其上的平行光管3产生的激光光束在光斑重合检测装置上的光斑与靶道射击室的激光发射站1产生的激光光束在光斑重合检测装置上的光斑重合，在靶道的不同位置反复几次进行光斑重合检测，确保两光束完全重合后，将两条完全重合的激光光束作为靶道空间基准线，撤除光斑重合检测装置。

调节位于精密多维步进电机控制台5下方的机械小车，使得上述完全重合的激光光束，穿过在位于双重田字网格4的两侧的光学望远装置8，照射在PSD6上，给精密多维步进电机控制台5上电，通过PSD6传输的光斑位置信号操控位置控制计算机7，位置控制计算机7控制精密多维步进电机控制台5在X、Y、Z、俯仰、水平旋转方向上移动，直至激光发射站1产生的激光光束精确地垂直照射在双重田字网格4的基准点，即PSD6的中心原点上；此时，双重田字网格4的基准面便可以作为靶道照相站空间坐标标定的标准参考面。

实施例2

以100m靶道为例，两组完全相同的激光发射站1其中一组激光发射站1放置在靶道射击室，另一组激光发射站1放置在靶道末端，将位于靶道射击室的激光发射站1的基于激光器的准直光源3的激光发射端保持与枪管火线位等高，调节精密位移台使得基于激光器的准直光源3产生的激光光束在枪管的火线方向上。

以靶道射击室的激光发射站1产生的激光光束为依据，在两组激光发射站1的中间位置设置光斑重合检测装置，调节靶道末端激光发射站1的精密位移台，使得其上的基于激光器的准直光源3产生的激光光束在光斑重合检测装置上的光斑与靶道射击室的激光发射站1产生的激光光束在光斑重合检测装置上的光斑重合，在靶道的不同位置反复几次进行光斑重合检测，确保两光束完全重合后，将两条完全重合的激光光束作为靶道空间基准线，撤除光斑重合检测装置。

调节位于精密多维步进电机控制台5下方的机械小车，使得上述完全重合的激光光束，穿过在位于双重田字网格4的两侧的光学望远装置8，照射在PSD6上，给精密多维步进电机控制台5上电，通过PSD6传输的光斑位置信号操控位置控制计算机7，位置控制计算机7控制精密多维步进电机控制台5在X、Y、Z、俯仰、水平旋转方向上移动，直至激光发射站1产生的激光光束精确地垂直照射在双重田字网格4的基准点，即PSD6的中心原点上；此时，双重田字网格4的基准面便可以作为靶道照相站空间坐标标定的标准参考面。

光斑重合检测装置的作用：光斑重合检测装置用于检测靶道发射端与末端的激光发射站1产生的两束激光光束的空间位置。

Claims (6)

1.一种靶道空间基准装置，其特征在于：包括两组完全相同的激光发射站(1)和标定装置(2)，其中一组激光发射站(1)设置在靶道发射端，另一组激光发射站(1)设置在靶道末端，标定装置(2)位于两组激光发射站(1)之间；激光发射站(1)包括光学支架、精密位移台和激光光源(3)，精密位移台固定在光学支架上，激光光源(3)固定在精密位移台上；位于靶道发射端的激光发射站(1)的激光光源(3)的激光发射端位于枪管或炮管的火线等高位置处。

2.根据权利要求1所述的靶道空间基准装置，其特征在于：标定装置(2)包括双重田字网格(4)、精密多维步进电机控制台(5)、PSD(6)、位置控制计算机(7)、光学望远装置(8)和信号处理模块；两个相同的光学望远装置(8)对称设置在双重田字网格(4)的两侧，PSD(6)固定在光学望远装置(8)与双重田字网格(4)的交界处；双重田字网格(4)底部固定在精密多维步进电机控制台(5)上；信号处理模块和精密多维步进电机控制台(5)分别与位置控制计算机(7)相连；信号处理模块再与PSD(6)相连。

3.根据权利要求2所述的靶道空间基准装置，其特征在于：信号处理模块包括I/V转换单元、放大单元和加减除法运算模块，I/V转换单元分别与PSD(6)和放大单元相连，放大单元再与加减除法运算模块相连，加减除法运算模块与位置控制计算机(7)相连；PSD(6)将采集到的光斑位置信号传输到I/V转换单元转换为电信号，再经过放大单元放大后，传输到加减除法运算模块，加减除法运算模块用于计算激光光斑在PSD(6)上具体位置坐标，再将具体位置坐标传输到位置控制计算机(7)，通过位置控制计算机(7)控制精密多维步进电机控制台(5)移动。

4.根据权利要求3所述的靶道空间基准装置，其特征在于：上述加减除法运算模块计算激光光斑在PSD(6)上具体位置坐标的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{2x}{L}=\frac{(X_2+Y_1)-(X_1+Y_2)}{X_1+X_2+Y_1+Y_2}\\ \frac{2y}{L}=\frac{(X_2+Y_2)-(X_1+Y_2)}{X_1+X_2+Y_1+Y_2}\end{array}\right.$

其中，L为PSD感光面长度，X₁、X₂、Y₁、Y₂为各个电极的输出电压，(x,y)为入射光点在PSD光敏感面上相对于PSD中心的位置坐标。

5.根据权利要求1所述的靶道空间基准装置，其特征在于：上述激光光源(3)为基于激光器的准直光源或平行光管。

6.基于权利要求1所述的靶道空间基准装置的调节方法，其特征在于，方法步骤如下：

步骤1、激光发射站(1)包括光学支架、精密位移台和激光光源(3)，精密位移台固定在光学支架上，激光光源(3)固定在精密位移台上；一组激光发射站(1)放置在靶道发射端，另一组激光发射站(1)放置在靶道末端，将位于靶道发射端的激光发射站(1)的激光光源(3)的激光发射端保持与枪管或炮管火线位等高，调节精密位移台使得激光光源(3)产生的激光光束在枪管或炮管的火线方向上，并保证激光器光束处于水平线方向；

步骤2、以步骤1产生的激光光束为依据，在两组激光发射站(1)的中间位置设置光斑重合检测装置，调节靶道末端激光发射站(1)的精密位移台，判断其上的激光光源(3)产生的激光光束在光斑重合检测装置上的光斑与步骤1的激光光束在光斑重合检测装置上的光斑是否重合，在靶道的不同位置反复几次进行光斑重合检测，确保两光束完全重合后，将两条完全重合的激光光束作为靶道空间基准线，撤除光斑重合检测装置；

步骤3、标定装置(2)包括双重田字网格(4)、精密多维步进电机控制台(5)、PSD(6)、位置控制计算机(7)、光学望远装置(8)和信号处理模块；两个相同的光学望远装置(8)对称设置在双重田字网格(4)的两侧，PSD(6)固定在光学望远装置(8)与双重田字网格(4)的交界处；双重田字网格(4)底部固定在精密多维步进电机控制台(5)上；信号处理模块和精密多维步进电机控制台(5)分别与位置控制计算机(7)相连；信号处理模块再与PSD(6)相连；标定装置(2)设置在两组激光发射站(1)之间；使得上述完全重合的激光光束，穿过位于双重田字网格(4)的两侧的光学望远装置(8)，照射在PSD(6)上，给精密多维步进电机控制台(5)上电，通过PSD(6)传输的光斑位置信号操控位置控制计算机(7)，位置控制计算机(7)控制精密多维步进电机控制台(5)在X、Y、Z、俯仰、水平旋转方向上移动，直至激光发射站(1)产生的激光光束精确地垂直照射在双重田字网格(4)的基准点，即PSD(6)的中心原点上；此时，双重田字网格(4)的基准面便可以作为靶道照相站空间坐标标定的标准参考面。