CN106052492B

CN106052492B - 多线激光交汇编码式目标位置测试装置及测试方法

Info

Publication number: CN106052492B
Application number: CN201610298935.1A
Authority: CN
Inventors: 李翰山
Original assignee: Xian Technological University
Current assignee: Xian Technological University
Priority date: 2016-05-06
Filing date: 2016-05-06
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2036-05-06
Also published as: CN106052492A

Abstract

本发明涉及一种多线激光交汇编码式目标位置测试装置及测试方法，该测试装置包括测试装置主体、智能信号采集仪和上位机，其中，测试装置主体沿枪炮发射的延伸方向一定距离处设置并且与智能信号采集仪相连接，智能信号采集仪与上位机相连接，测试装置主体与水平面呈垂直布置，在测试装置主体上设有光电探测单元和激光发射单元，测试装置主体配置地用于将光电探测单元的信号传输到智能信号采集仪，信号经过处理后再传输至上位机，最后通过分析处理后得到目标着靶坐标。本发明涉及的多线激光交汇立靶测试装置和测试方法能够获得目标着靶的精确位置坐标，显著提高了测试系统精度，同时还可以有效地消除杂散光的干扰。

Description

多线激光交汇编码式目标位置测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及靶场光电测试领域，具体涉及一种多线激光交汇编码式目标位置测试装置及测试方法。

背景技术

在靶场测试领域，弹丸目标的飞行动态参数制约着武器的发展，如飞行速度、飞行方位角、立靶坐标等。这些参数的变化将会对武器的发射性能及毁伤性能有很大的影响，故而目标的飞行参数的获取是靶场测试中重要的技术指标。目前测试设备主要有靶板法测量、多光幕交汇测量法、双CCD交汇测量法。靶板法采用接触式测量，将木板、纸板或纺织布等材料在弹道终点与弹道垂直立一面靶，根据弹丸目标通过靶面留下的弹孔痕迹，用三角尺和圆规等工具测量出坐标等参数。这种方法虽然可靠性高，但是需要人工操作来完成，效率低、容易引起判读误差且测试真弹具有一定危险性，且对重孔无法识别。多光幕交汇测量法包括四光幕交汇法和六光幕交汇法。四光幕交汇测试装置是用光幕靶或天幕靶形成的四光个光幕以特定的位置与角度布置，当弹丸从光幕中穿过，数据计时采集仪将会捕获弹丸穿过四个光幕的是时刻值，根据四个时刻值和光幕的空间位置就可以计算出弹丸穿过光幕靶的空间位置坐标。该方法要求弹丸应垂直入射靶面，当弹丸不垂直穿过靶面时，则用公式推导的弹丸位置坐标与实际值之间将会存在一定的偏差。六光幕交汇测量系统是在原有的四光幕交汇立靶基础上，通过增加两个光幕实现对斜入光幕弹丸的速度、空间矢量角度，该系统成功的解决了四光幕交汇立靶测试装置对弹丸斜入射光幕的立靶点和速度测量不准的不足，但是六光幕交汇测试装置仍存在着系统结构复杂、探测灵敏度不足等问题。双CCD交汇立靶测量系统是用两台CCD相机在空中形成交汇面，以天空背景作为光源，CCD像元对交汇面进行细分。CCD器件的驱动和采集数据电路需要天幕靶或炮口信号作为触发源，从而影响了系统工作的可靠性，并且双CCD交汇立靶测量系统用于室外小口径弹丸测量时,存在探测灵敏度低的缺点。

发明内容

针对上述的不足，本发明提出了一种多线激光交汇编码式目标位置测试装置和测试方法，应用于飞行目标着靶坐标参数的测量。

本发明提出了一种多线激光交汇编码式目标位置测试装置，其包括测试装置主体、智能信号采集仪和上位机，其中，测试装置主体沿枪炮发射的延伸方向一定距离处设置并且与智能信号采集仪相连接，智能信号采集仪与上位机相连接，测试装置主体与水平面呈垂直布置，在测试装置主体上设有光电探测单元和激光发射单元，测试装置主体配置地用于将光电探测单元的信号传输到智能信号采集仪，信号经过处理后再传输至上位机，最后通过分析处理后得到目标着靶坐标。

作为优选，测试装置主体包括依次连接的第一柱体、第二柱体和第三柱体，第一柱体和第三柱体呈竖直布置，第二柱体呈水平布置，第一柱体和第三柱体底部通过连接杆相连接，第一柱体、第二柱体、第三柱体和连接杆构成矩形框架结构，在每个柱体上布置有光电探测单元。

作为优选，光电探测单元包括自适应调节电路板、光电探测器阵列、第二狭缝、滤光片和第一狭缝，其中，滤光片安装在第二狭缝上，光电探测器阵列安装在自适应调节电路板上，自适应调节电路板、光电探测器阵列、第二狭缝、滤光片和第一狭缝在每个柱体内由外侧向内侧依次布置。

作为优选，通过上位机对每个光电探测单元中的光电探测器阵列进行编码识别处理。

作为优选，在第一狭缝和滤光片之间设有光学透镜。

作为优选，激光发射单元包括线激光器，线激光器按照一定角度分别布置在测试装置主体的两侧底角处，每个线激光器能够发出扇形激光束，所有的扇形激光束交叉形成探测光幕即光幕探测靶面。

作为优选，在测试装置柱体的下部设有底座，测试装置主体通过底座固定放置在水平地面上。

本发明还提供一种多线激光交汇编码式目标位置测试方法，其采用上述任一项技术方案中的多线激光交汇编码式目标位置测试装置，方法的步骤如下：

(1)沿枪炮发射的延伸方向一定距离处正确摆放测试装置主体，将光电探测单元的输出信号端口与智能信号采集仪的数据接口连接；利用远程数据线将智能信号采集仪与上位机的通讯端口连接，分别给测试装置主体、智能信号采集仪和上位机供电；

(2)以测试装置的探测靶面区域的左下角为中心原点建立坐标系XOY，进行实弹射击，目标穿过探测光幕引起部分光通量变化，将光电探测单元中每个光电探测器的信号经智能信号采集仪传送给上位机；

(3)确定目标的着靶坐标(x,y)，当目标穿过探测光幕时，目标遮挡住激光发射单元发出的激光光束，使得对应的某些光电探测器上的信号由低电平变为高电平，即由0变为1，根据该光电探测器的信号变化对应的编码序号，结合交汇的线激光器固有坐标参数，可获得目标着靶的具体坐标。

作为优选，将测试装置的探测光幕按对角线分为四个区域，分别为区域I、区域II、区域III、区域IV，目标穿过不同区域对应目标几何中心的投影到光电探测单元的不同边上的坐标为：区域I(L,y_αI)，(0_,y_βI)；区域II(x_αII,L)，(0,y_βII)；区域III(x_αIII,L)，(x_βIII,L)；区域IV(L,y_αIV)，(x_βIV,L)，然后通过上位机进一步处理就可算出目标的着靶坐标(x,y)，其中，

上式中，L为测试装置探测靶面的边长，x_αI、x_αII、x_αIII、x_αIV分别为目标在不同区域内遮挡住一侧底角线激光器的激光光束，投影到光电探测单元三条边上暗影的中心位置；x_βI、x_βII、x_βIII、x_βIV分别为目标在不同区域遮挡住另一侧底角所述线激光器的激光光束，投影到光电探测单元三条边上暗影的中心位置。

作为优选，当目标穿过探测光幕时，由于目标的直径不同，穿过光幕的位置不同，其遮挡的激光光束也不同，测量存在误差，两底角的目标的位置即为最大误差位置，设a是一侧边界激光束与探测靶的夹角，由于激光束与目标边缘是外切的关系，因此，穿过质心的光束与两条外切的光束夹角相同，设为b，则测量误差Δx的关系式为

本发明涉及的多线激光交汇编码式目标位置测试装置和测试方法能够获得目标着靶的精确位置坐标，显著提高了测试系统精度，同时还可以有效地消除杂散光的干扰。

附图说明

图1是本发明的多线激光交汇编码式目标位置测试装置的布局示意图；

图2是本发明的多线激光交汇编码式目标位置测试装置的结构示意图；

图3是本发明的多线激光交汇编码式目标位置测试装置中光电探测单元的结构示意图；

图4是本发明的多线激光交汇编码式目标位置测试装置中光电探测器阵列的编码示意图；

图5是本发明的多线激光交汇编码式目标位置测试装置的着靶坐标计算示意图；

图6是本发明的多线激光交汇编码式目标位置测试装置中的误差分析示意图。

其中，1、测试装置主体；2、自适应调节电路板；3、光电探测器阵列；4、第二狭缝；5、滤光片；6、光学透镜；7、第一狭缝；8、线激光器；9、连接杆；10、底座；11、智能信号采集仪；12、上位机；13、第一柱体；14、第二柱体；15、第三柱体。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1和2所示，图1示出了一种多线激光交汇编码式目标位置测试装置，其包括测试装置主体1、智能信号采集仪11和上位机12，其中，测试装置主体1沿枪炮发射的延伸方向一定距离处设置并且通过电缆线与智能信号采集仪11相连接，智能信号采集仪11通过导线与上位机12相连接，上位机12优选采用计算机。

测试装置主体1的结构如图2所示，测试装置主体1与水平面呈垂直布置并且采用一体式设计，能够独立完成对目标着靶信号的采集、处理，最终得到目标的着靶坐标位置，具体地，其包括依次连接的第一柱体13、第二柱体14和第三柱体15，第一柱体13和第三柱体15呈竖直布置，第二柱体14呈水平布置，第一柱体13和第三柱15体底部通过连接杆9相连接，这样，第一柱体13、第二柱体14、第三柱体15和连接杆9构成矩形框架结构，在测试装置柱体1的下部设有底座10，测试装置主体1通过底座10固定放置在水平地面上。

在测试装置主体1上设有光电探测单元和激光发射单元，具体地，在测试装置主体1的第一柱体13、第二柱体14和第三柱体15中的每个柱体上布置有光电探测单元，每个柱体上的光电探测单元均与激光发射单元相对应，激光发射单元发射的激光光束被光电探测单元所感测。如图3所示，每个光电探测单元包括自适应调节电路板2、光电探测器阵列3、第二狭缝4、滤光片5和第一狭缝7，其中，滤光片5安装在第二狭缝4上，光电探测器阵列3安装在自适应调节电路板2上，上述自适应调节电路板2、光电探测器阵列3、第二狭缝4、滤光片5和第一狭缝7在每个柱体内由外侧向内侧依次布置，这样，线激光器8发射的激光依次穿过对应光电探测单元中的第一狭缝7、滤光片5、第二狭缝4并汇聚到光电探测器阵列3中，这种双狭缝的设计可有效减少外界杂散光照射到光电探测器阵列3的光敏面上。此外，作为优选的实施方式，在第一狭缝7和滤光片5之间设有光学透镜6，光学透镜6优选安装在第一狭缝7的内侧，这样能够利用光学透镜6的光束汇聚功能，使得入射到光电探测单元上的激光光束最大可能汇聚在光电探测器阵列3的光敏面上，引起光电探测器信号变化的概率增大，提高了测试装置的灵敏度同时减少激光光能的浪费。滤光片5配置地使得只允许波长为600nm以上的光通过，这样能够有效滤除自然光线对测试装置的干扰，使得外界杂光散光对光电探测单元的干扰大幅降低，提高了测试装置的稳定性。

在本实施例中，激光发射单元包括线激光器8，优选采用4个线激光器8，其中，2个线激光器8为一组，两组线激光器8按照一定角度分别布置在测试装置主体1的两侧底角处，每个线激光器8能够发出扇形激光束，所有的扇形激光束交叉形成探测光幕即光幕探测靶靶面，其中主要考虑到，两个按照特定角度布置线激光器8组成的激光发射单元放置于测试装置底角，可形成较大的线激光探测面，但还是不足以覆盖整个测试装置的探测靶面，所以在另一侧底角处又增加同样的两个线激光发射器8，这样两组线激光发射器8相互配合，形成的线激光探测面可完全覆盖整个测试装置的探测靶面。

由于线激光器8具有一定的发散角度，当线激光器8的发散角度过大时，发射到光电探测器阵列3的光敏面上的激光光能太弱，不足以引起光电探测器8信号的变化，将导致整个测试装置的不稳定，因此在本发明涉及的技术方案中，线激光器8采用较小的发散角度，例如采用48°的发散角度，这样，具有较小发散角度的线激光器8所形成的探测光幕，能够满足光电探测器对激光光能的要求，两侧线激光器8发射的激光光束在中间形成一定的重合区域，具体地，中间的重合区域为角度为3°的扇形区域。

如图4所示，多线激光交汇编码式目标位置测试装置通过上位机12对每个光电探测单元中的光电探测器阵列3进行编码处理，具体地，将不同柱体中光电探测单元中的光电探测器阵列3分为A、B和C三组，例如，第一柱体13中光电探测单元中的光电探测器阵列3为A组，第二柱体14中光电探测单元中的光电探测器阵列3为B组，第三柱体15中光电探测单元中的光电探测器阵列3为C组，每组光电探测器阵列3均由多个紧密排列的光电探测器组成，为了更进一步对光电探测器进行区分，又把每组光电探测器阵列3细分为三个部分，每部分由N/3个光电探测器组成，对应的上位机编号分别为A₁..........A_N/3，A_N/3..........A_2N/3，A_2N/3..........A_N；B₁..........B_N/3，B_N/3..........B_2N/3，B_2N/3..........B_N；C₁..........C_N/3，C_N/3..........C_2N/3，C_2N/3..........C_N。由于光电探测单元中的光电探测器阵列3内部是紧密排列的，且每个光电探测器的直径Φ，所以可以得到测试装置的探测靶面的边长为L＝Φ×N，因此，多线激光交汇编码式目标位置测试装置的有效探测靶面大小为M＝L×L。

具体到本实施例中，如图4所示，每组光电探测器阵列3包括240个紧密排列的光电探测器，同时，又把每组光电探测器阵列3细分为三个部分，每部分由80个光电探测器组成，对应的上位机编号分别为A₁...A₈₀，A₈₁...A₁₆₀，A₁₆₁...A₂₄₀；B₁...B₈₀，B₈₁...B₁₆₀，B₁₆₁...B₂₄₀；C₁...C₈₀，C₈₁...C₁₆₀，C₁₆₁...C₂₄₀，此外，每个光电探测器的直径Φ＝5mm，得到测试装置的探测靶面的边长为L＝Φ×N＝5×240＝1200mm，因此，多线激光交汇编码式目标位置测试装置的有效探测靶面大小为M＝1.2m×1.2m。在实际应用中，可以根据探测靶面大小需求，确定每组光电探测器阵列3中的光电探测器的个数。

在使用多线激光交汇编码式目标位置测试装置时，测试装置主体1将光电探测单元的信号传输到智能信号采集仪11，信号经过处理后再传输至上位机12，最后通过分析处理后得到目标着靶坐标。

如图5所示，图5示出了确定目标穿过多线激光交汇编码式目标位置测试装置时目标着靶坐标的实施方式。具体地，目标穿过多线激光交汇编码式目标位置测试装置所形成的探测光幕时，遮挡住了线激光器8照射到光电探测器阵列3上的部分激光光束，导致其中至少两个柱体上的光电探测器阵列3中某些光电探测器光通量的变化。这些光通量改变的光电探测器上产生信号由低电平变为高电平，即由0变为1，通过智能信号采集仪11采集所有光电探测器的电平状态并上传至上位机12，上位机12读取产生变化的光电探测器的编码号，找到发生光通量变化的光电探测器的位置，通过进一步分析计算可以得到目标投影在光电探测单元上的位置坐标。

具体地，以激光光幕靶的靶面区域的左下角为中心原点建立坐标系XOY，则目标的几何中心投影到光电探测单元三个柱体上的位置坐标分别为(x_A,y_A)，(x_B,y_B)，(x_C,y_C)。

假设测试装置主体1中被挡住的光电探测器的编号为B₂₁₆,B₂₁₇,B₂₁₈和C₁₁₁,C₁₁₂,C₁₁₃。则可以确定目标暗影在光电探测单元上的位置坐标(x_B,y_B)，(x_C,y_C)分别为(1200,793.3),(560,1200)。

如图6所示，当目标穿过探测光幕时，由于目标的直径不同，穿过光幕的位置不同，其遮挡的激光光束也不同。左/右下角的目标的位置即为最大误差位置。设a是右边界激光束与探测靶的夹角，由于激光束与目标边缘是外切的关系，因此，穿过质心的光束与两条外切的光束夹角相同，设为b，则测量误差Δx的关系式为

如果光电探测器阵列3的长度L＝1200mm，两个紧密排列的光电探测器中心间距d＝5mm，通过计算可以得到最大误差为2.48mm。因此，测试装置对目标着靶坐标位置的测量误差小于3mm。

通过采用上述的多线激光交汇编码式目标位置测试装置，本发明还提供一种多线激光交汇编码式目标位置测试装置的测试方法，具体操作步骤如下：

(1)沿枪炮发射的延伸方向一定距离处正确摆放测试装置主体1，将测试装置主体1固定好，将光电探测单元中的光电探测器阵列3的输出信号端口与智能信号采集仪11的数据接口连接；利用远程数据线将智能信号采集仪11与上位机12的通讯端口连接，分别给测试装置主体1、智能信号采集仪11和上位机12供电；

(2)以测试装置的探测靶面区域的左下角为中心原点建立坐标系XOY，进行实弹射击，目标穿过探测光幕引起部分光通量变化，将每个光电探测器的信号经智能信号采集仪11传送给上位机12；

(3)确定目标的着靶坐标(x,y)，当目标穿过探测光幕时，目标遮挡住线激光器8发出的激光光束，使得对应的某些光电探测器上的信号由低电平变为高电平，即由0变为1，假设将测试装置的探测光幕按对角线分为四个区域，如图5所示，分别为区域I、区域II、区域III、区域IV，目标穿过不同区域对应目标几何中心的投影到光电探测单元的不同边上的坐标为：区域I(L，y_αI)，(0,y_βI)；区域II(x_αII,L)，(0,y_βII)；区域III(x_αIII,L)，(x_βIII,L)；区域IV(L,y_αIV)，(x_βIV,L)，然后通过上位机11进一步处理就可算出目标的着靶坐标(x,y)，其中，

上式中，L为测试装置探测靶面的边长，x_αI、x_αII、x_αIII、x_αIV分别为目标在不同区域内遮挡住左侧底角线激光器的激光光束，投影到光电探测单元三条边上暗影的中心位置；x_βI、x_βII、x_βIII、x_βIV分别为目标在不同区域遮挡住右侧底角所述线激光器的激光光束，投影到光电探测单元三条边上暗影的中心位置。

本发明的一个代表性实施例参照附图得到了详细的描述。这些详细的描述仅仅给本领域技术人员更进一步的相信内容，以用于实施本发明的优选方面，并且不会对本发明的范围进行限制。仅有权利要求用于确定本发明的保护范围。因此，在前述详细描述中的特征和步骤的结合不是必要的用于在最宽广的范围内实施本发明，并且可替换地仅对本发明的特别详细描述的代表性实施例给出教导。此外，为了获得本发明的附加有用实施例，在说明书中给出教导的各种不同的特征可通过多种方式结合，然而这些方式没有特别地被例举出来。

Claims

1.一种多线激光交汇编码式目标位置测试装置，其包括测试装置主体(1)、智能信号采集仪(11)和上位机(12)，其中，所述测试装置主体(1)沿枪炮发射的延伸方向一定距离处设置并且与所述智能信号采集仪(11)相连接，所述测试装置主体(1)包括依次连接的第一柱体(13)、第二柱体(14)和第三柱体(15)，所述智能信号采集仪(11)与所述上位机(12)相连接，所述测试装置主体(1)与水平面呈垂直布置，在所述测试装置主体(1)上设有光电探测单元和激光发射单元，所述测试装置主体(1)配置地用于将所述光电探测单元的信号传输到所述智能信号采集仪(11)，信号经过处理后再传输至所述上位机(12)，最后通过分析处理后得到目标着靶坐标，所述光电探测单元包括自适应调节电路板(2)、光电探测器阵列(3)、第二狭缝(4)、滤光片(5)和第一狭缝(7)，其中，所述滤光片(5)安装在所述第二狭缝(4)上，所述光电探测器阵列(3)安装在所述自适应调节电路板(2)上，所述自适应调节电路板(2)、所述光电探测器阵列(3)、所述第二狭缝(4)、所述滤光片(5)和所述第一狭缝(7)在每个所述柱体内由外侧向内侧依次布置。

2.根据权利要求1所述的多线激光交汇编码式目标位置测试装置，其特征在于：所述第一柱体(13)和所述第三柱体(15)呈竖直布置，所述第二柱体(14)呈水平布置，所述第一柱体(13)和所述第三柱体(15)底部通过连接杆(9)相连接，所述第一柱体(13)、所述第二柱体(14)、所述第三柱体(15)和所述连接杆(9)构成矩形框架结构，在每个柱体上布置有所述光电探测单元。

3.根据权利要求2所述的多线激光交汇编码式目标位置测试装置，其特征在于：通过所述上位机(12)对每个所述光电探测单元中的所述光电探测器阵列(3)进行编码处理。

4.根据权利要求3所述的多线激光交汇编码式目标位置测试装置，其特征在于：在所述第一狭缝(7)和所述滤光片(5)之间设有光学透镜(6)。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的多线激光交汇编码式目标位置测试装置，其特征在于：所述激光发射单元包括线激光器(8)，所述线激光器(8)按照一定角度分别布置在所述测试装置主体(1)的两侧底角处，每个所述线激光器(8)能够发出扇形激光束，所有的扇形激光束交叉形成探测光幕即光幕探测靶面。

6.根据权利要求5所述的多线激光交汇编码式目标位置测试装置，其特征在于：在所述测试装置主体(1)的下部设有底座(10)，所述测试装置主体(1)通过所述底座(10)固定放置在水平地面上。

7.一种多线激光交汇编码式目标位置测试方法，其采用权利要求1-6中任一项所述的多线激光交汇编码式目标位置测试装置，所述多线激光交汇编码式目标位置测试装置，其包括测试装置主体(1)、智能信号采集仪(11)和上位机(12)，所述方法的步骤如下：

(1)沿枪炮发射的延伸方向一定距离处正确摆放测试装置主体(1)，将光电探测单元的输出信号端口与智能信号采集仪(11)的数据接口连接；利用远程数据线将所述智能信号采集仪(11)与上位机(12) 的通讯端口连接，分别给所述测试装置主体(1)、所述智能信号采集仪(11)和所述上位机(12)供电；

(2)以测试装置的探测靶面区域的左下角为中心原点建立坐标系XOY，进行实弹射击，目标穿过探测光幕引起部分光通量变化，将所述光电探测单元中每个光电探测器的信号经所述智能信号采集仪(11)传送给所述上位机(12)；

(3)确定目标的着靶坐标(x,y)，当目标穿过探测光幕时，目标遮挡住激光发射单元发出的激光光束，使得对应的某些光电探测器上的信号由低电平变为高电平，即由0变为1，根据该光电探测器的信号变化对应的编码序号，结合交汇的线激光器固有坐标参数，可获得目标着靶的具体坐标，所述方法还包括，将测试装置的所述探测光幕按对角线分为四个区域，分别为区域I、区域II、区域III、区域IV，目标穿过不同区域对应目标几何中心的投影到所述光电探测单元的不同边上的坐标为：区域I(L,y_αI)，(0,y_βI)；区域II(x_αII,L)，(0,y_βII)；区域III(x_αIII,L)，(x_βIII,L)；区域IV(L,y_αIV)，(x_βIV,L)，然后通过所述上位机(12)进一步处理就可算出目标的着靶坐标(x,y)，其中，

上式中，L为测试装置探测靶面的边长，x_αI、x_αII、x_αIII、x_αIV分别为目标在不同区域内遮挡住一侧底角线激光器(8)的激光光束，投影到所述光电探测单元上暗影的中心位置；x_βI、x_βII、x_βIII、x_βIV分别为目标在不同区域遮挡住另一侧底角所述线激光器(8)的激光光束，投影到所述光电探测单元上暗影的中心位置。

8.根据权利要求7所述的多线激光交汇编码式目标位置测试方法，其特征在于：当目标穿过探测光幕时，由于目标的直径不同，穿过光幕的位置不同，其遮挡的激光光束也不同，测量存在误差，两底角的目标的位置即为最大误差位置，设a是一侧边界激光束与探测靶的夹角，由于激光束与目标边缘是外切的关系，因此，穿过质心的光束与两条外切的光束夹角相同，设为b，则测量误差Δx的关系式为

。