CN104655016A - 一种基于激光原向反射式光幕的弹丸着靶坐标测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光原向反射式光幕的弹丸着靶坐标测试方法，通过使用原向反射屏与激光器配合产生激光光幕，用以捕捉弹丸，增强了弹丸成像与背景之间的对比度，大大提高了系统对弹丸的捕获率；本发明的测试方法仅采用一个激光器和一个线阵CCD相机，通过图像中两点距离，以及系统的参数即可获得弹丸过靶坐标，克服了现有双线阵CCD相机测量系统中存在的结构笨重、调节繁琐以及坐标计算公式复杂等缺点，提高了测试效率。

Description

一种基于激光原向反射式光幕的弹丸着靶坐标测试方法

技术领域

本发明光电检测技术领域，具体涉及一种基于激光原向反射式光幕的弹丸着靶坐标测试方法。

背景技术

射击精度是指弹丸的实际过靶坐标同预期命中点之间接近程度的总体度量，它是评价武器性能好坏的一项重要指标。在相当长的时间里。国内一直采用传统接触式的测试方法，即在弹道的截面上立一道靶，人为测量在靶位上的弹孔的坐标位置来实现弹丸过靶坐标的测量。但是这种接触式的测量方法存在很多问题：一是资源不可再利用，每次射击完毕都需要换靶，耗费人力财力；二是测试的精度不高；三是处理的周期较长且难以实现远距离、快速的显示结果。由于接触式测量的这些不足之处，传统的接触式测量逐渐被非接触式方法所取代。目前国内外使用的测量方法主要有声靶、光电坐标靶、大面积LED光靶及双线阵CCD交汇测量系统等。声靶存在偏轴误差和边缘误差，只适用于超音速小口径弹丸的近距离测试。光电坐标靶所用的光敏探测器件如果是普通的光电二极管，其响应速度和测量精度可能难以满足要求。大面积LED靶的探测靶面较小。虽然双线阵CCD相机交汇测量系统精度较高且靶面区域可调，但其结构比较笨重、安装调试复杂且坐标计算公式比较繁琐。

发明内容

有鉴于此，本发明为克服现有双线阵CCD相机交汇测量系统中系统结构笨重、安装调试复杂且坐标计算公式比较繁琐等不足，提供了一种基于激光原向反射式光幕的弹丸着靶坐标测试方法。

一种基于激光原向反射式光幕的弹丸着靶坐标测试方法，包括如下步骤：

步骤1、搭建测试系统，具体为：

采用激光器产生一字线形激光投射至原向反射屏，形成激光光幕,作为靶面区域；采用线阵CCD相机接收经所述原向反射屏反射的激光；

步骤2、向与所述激光光幕垂直方向发射弹丸，通过所述线阵CCD相机获取弹丸穿过所述靶面区域时的图像；

步骤3、根据步骤1中测试系统的参数以及步骤2获得的图像，得到所述弹丸在测试系统坐标系中的坐标P(x,y)： $\left\{\begin{array}{c}x=\frac{b\·h\·l}{b\·h-l\·f-a\·h}\\ y=\frac{f\·h\·l}{l\·f-a\·h-b\·h}\end{array}\right.$

其中，所述测试系统坐标系定义为：以线阵CCD相机镜头中心为原点O，由原点O指向所述激光器的激光出射孔中心C的连线方向为x轴，在所述激光光幕面内且过原点O与x轴垂直方向为y轴；令弹丸遮挡激光照射原向反射屏所产生的阴影表示为E，E在所述图像中的像表示为M；令弹丸遮挡原向反射屏的反射光的位置表示为F，F在所述图像中的像表示为N；h表示所述线阵CCD相机镜头到原向反射屏的y轴方向距离；l为激光器到线阵CCD相机镜头的x轴方向距离，f为线阵CCD相机镜头的焦距；a和b分别为所述图像中像E和像F的像素中心在x轴上的坐标值。

较佳的，所述步骤2中获取弹丸穿过所述靶面区域的图像的方法为：在所述激光器的激光出射孔附近设置光电探测器，光电探测器将接收到光信号转换为电信号后送给后端连接的信号调理电路；所述信号调理电路中设置的放大器将所述电信号放大后输出模拟信号，再将该模拟信号送入信号调理电路中的比较器：当弹丸进入激光光幕后，所述比较器输出数字脉冲触发信号；采用图像采集存储及控制装置接收所述数字脉冲触发信号，并利用数字脉冲触发信号控制线阵CCD相机进行拍摄，同时，图像采集存储及控制装置对线阵CCD相机获取的图像进行存储。

较佳的，所述步骤3中，确定图像中像M和像N的方法为：将所述图像进行中值滤波处理，然后再将图像中像素值大于设定值的点的二值化值设为1，将像素值小于或等于设定值的点的二值化值设为0，则找到图像中二值化值为0的点，即为像M和像N。

优选的，所述激光器为半导体激光器。

优选的，所述激光器使用鲍威尔棱镜进行扩束。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明的测试方法使用了原向反射屏与激光器配合产生激光光幕，用以捕捉弹丸，增强了弹丸成像与背景之间的对比度，大大提高了系统对弹丸的捕获率；

2)本发明的测试方法仅采用一个激光器和一个线阵CCD相机，通过图像中两点距离，以及系统的参数即可获得弹丸过靶坐标，克服了现有双线阵CCD相机测量系统中存在的结构笨重、调节繁琐以及坐标计算公式复杂等缺点，提高了测试效率。

附图说明

图1为本发明的测试方法原理图；

图2为本发明的测试方法终坐标计算数学模型示意图；

其中，1-半导体激光器，2-线阵CCD相机，3-原向反射屏，4-光电探测器，5-信号调理电路，6-图像采集存储及控制装置。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的基于激光原向反射式光幕的弹丸着靶坐标测试方法，如图1所示，先搭建测试系统，包括激光器1、线阵CCD相机2和原向反射屏3：激光器1使用鲍威尔棱镜进行扩束，产生发散角大于线阵CCD相机2视场角且光强均匀分布的一字线形激光，并投射至原向反射屏3，形成激光光幕；采用线阵CCD相机2放置于激光器附近，接收经原向反射屏反射的激光。为保证经原向反射屏3反射的光能够照射整个线阵CCD相机的镜头，须调整激光器1产生的光幕与线阵CCD相机2的线阵共面。

其中，原向反射屏3原则上是将激光原路返回，但实际上激光并不会原向返回，会有一定的发散，将线阵CCD相机2放置在激光器1附近，发散的激光就会进入到线阵CCD相机2的镜头中，当弹丸入射激光光幕，线阵CCD相机2会捕捉到弹丸的图像。由于弹丸的速度很快，因此，控制弹丸向与激光光幕垂直方向发射，当弹丸进入激光光幕的瞬时，要打开线阵CCD相机2对其进行拍照，并获取图像，然后根据图像获得弹丸的坐标，具体如下：

为拍摄到清晰的弹丸过靶图像，提高测量精度，拍摄前需要调节镜头，将焦平面调节到原向反射屏3上，这样原向反射屏3反射的光在线阵CCD相机2上就会成一条较细且较亮的像。为了提高对比度，我们将镜头的光圈尽量调小，以确保不受弹丸反射光的干扰。

当有弹丸通过光幕时，控制线阵CCD相机2进行拍摄，由于弹丸遮挡激光器1发射的激光，在原向反射屏3上会出现一个阴影E，这个阴影就会在线阵CCD相机2上成一个像，用M表示；同时，由于弹丸还遮挡了原向反射屏3反射回线阵CCD相机2上的激光，因此，在线阵CCD相机2上会出现另一个像，用N表示，即当弹丸通过激光光幕探测区域时，可以在线阵CCD相机2上成两个像。

由于拍摄到的图像包含了噪声，为滤除噪声，得到有用信号，必须对图像进行相应的处理。本系统采用了中值滤波和二值化处理，使得弹丸过靶图像像素值为0，其余背景像素值均为1。通过寻找像素为0的点，并对其进行相应的计算，即可获得弹丸所成像的尺寸及在CCD上的成像位置，具体方法如下：

如图2所示，O为相机2镜头的中心，C为激光器1的出光孔，为方便计算弹丸的过靶坐标，在放置CCD相机2时，使相机2的镜头中心O和激光器出光孔C的连线与原向反射屏3平行；△OAD为相机2的视场面，△CBD为激光光幕，E为弹丸遮挡激光器出射光在原向反射屏3上产生的阴影位置，F为弹丸遮挡相机1接收原向反射屏3反射光的位置，M和N分别为E和F在CCD相机2上的成像位置。设h为原向反射屏3到相机2镜头的y轴方向距离，l为激光器1出光孔到相机镜头中心的x轴方向距离，f为相机镜头的焦距。

以相机镜头中心O为坐标原点，向右为x轴正方向，向上为y轴正方向建立直角坐标系Oxy。P点为弹丸过靶位置，坐标为P(x，y)，弹丸在CCD相机2上成像位置分别为M(a，-f)、N(b，-f)。因此：

ME直线方程为： $y=-\frac{f}{a}\·x$

NF直线方程为： $y=-\frac{f}{b}\·x$

CE直线方程为： $y=\frac{h\·f\·(x-l)}{-l\·f-a\·h}$

由图可知，弹丸位置P为直线CE和直线NF的交点，联立NF、CE直线方程，则有P(x，y)：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{b\·h\·l}{b\·h-l\·f-a\·h}\\ y=\frac{f\·h\·l}{l\·f-a\·h-b\·h}\end{array}\right.$

如此得到弹丸的坐标P(x,y)，确定弹丸的过靶坐标。

为尽量保证触发与拍摄同步，即当弹丸穿过光幕时线阵CCD相机2便进行拍摄，采用光电探测器4置于激光器1的附近，且两者距离越近越好。当弹丸通过光幕时，使得照在光电探测器4上的光强发生变化，从而产生光信号，光电探测器4接收光信号并将其转化为电信号，再经过信号调理电路5放大。由于所采用的图像采集存储及控制装置6要求的相机2触发信号为数字脉冲电平，信号调理电路5中采用比较器和稳压管对放大后的模拟信号进行了处理，将其转换为数字脉冲电平信号，再发给图像采集存储及控制装置6，触发线阵CCD相机，驱动其开始拍摄，获得图像后，由图像采集存储及控制装置6进行存储，然后再采用上述方法进行计算，获得弹丸过靶坐标。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于激光原向反射式光幕的弹丸着靶坐标测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、搭建测试系统，具体为：

采用激光器(1)产生一字线形激光投射至原向反射屏(3)，形成激光光幕,作为靶面区域；采用线阵CCD相机(2)接收经所述原向反射屏(3)反射的激光；

步骤2、向与所述激光光幕垂直方向发射弹丸，通过所述线阵CCD相机(2)获取弹丸穿过所述靶面区域时的图像；

步骤3、根据步骤1中测试系统的参数以及步骤2获得的图像，得到所述弹丸在测试系统坐标系中的坐标 $P(x,y):\left\{\begin{array}{c}x=\frac{b\·h\·l}{b\·h-l\·f-a\·h}\\ y=\frac{f\·h\·l}{l\·f-a\·h-b\·h}\end{array}\right.$

其中，所述测试系统坐标系定义为：以线阵CCD相机(2)镜头中心为原点O，由原点O指向所述激光器(1)的激光出射孔中心C的连线方向为x轴，在所述激光光幕面内且过原点O与x轴垂直方向为y轴；令弹丸遮挡激光照射原向反射屏(3)所产生的阴影表示为E，E在所述图像中的像表示为M；令弹丸遮挡原向反射屏(3)的反射光的位置表示为F，F在所述图像中的像表示为N；h表示所述线阵CCD相机(2)镜头到原向反射屏(3)的y轴方向距离；l为激光器(1)到线阵CCD相机(2)镜头的x轴方向距离，f为线阵CCD相机(2)镜头的焦距；a和b分别为所述图像中像E和像F的像素中心在x轴上的坐标值。

2.如权利要求1所述的一种基于激光原向反射式光幕的弹丸着靶坐标测试方法，其特征在于，所述步骤2中获取弹丸穿过所述靶面区域的图像的方法为：在所述激光器(1)的激光出射孔附近设置光电探测器(4)，光电探测器(4)将接收到光信号转换为电信号后送给后端连接的信号调理电路(5)；所述信号调理电路(5)中设置的放大器将所述电信号放大后输出模拟信号，再将该模拟信号送入信号调理电路(5)中的比较器：当弹丸进入激光光幕后，所述比较器输出数字脉冲触发信号；采用图像采集存储及控制装置(6)接收所述数字脉冲触发信号，并利用数字脉冲触发信号控制线阵CCD相机(2)进行拍摄，同时，图像采集存储及控制装置(6)对线阵CCD相机获取的图像进行存储。

3.如权利要求1所述的一种基于激光原向反射式光幕的弹丸着靶坐标测试方法，其特征在于，所述步骤3中，确定图像中像M和像N的方法为：将所述图像进行中值滤波处理，然后再将图像中像素值大于设定值的点的二值化值设为1，将像素值小于或等于设定值的点的二值化值设为0，则找到图像中二值化值为0的点，即为像M和像N。

4.如权利要求1所述的一种基于激光原向反射式光幕的弹丸着靶坐标测试方法，其特征在于，所述激光器(1)为半导体激光器。

5.如权利要求1所述的一种基于激光原向反射式光幕的弹丸着靶坐标测试方法，其特征在于，所述激光器(1)使用鲍威尔棱镜进行扩束。