CN107560540B - 天幕立靶结构参数出厂标定系统及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及兵器靶场测试技术领域，具体涉及一种天幕立靶结构参数出厂标定系统及其标定方法。其对现有天幕立靶结构参数标定方法的技术现状，克服现有技术在出厂标定结构参数时存在的无法精确确定光幕中心面及获取光幕中心面上点坐标等不足。本发明包括天幕立靶、面光源、经纬仪、光幕接收装置和基准尺；所述光幕接收装置可实现圆环接收屏的升降、旋转和微调功能，接收屏垂直激光指示则可使接收屏垂直于面光源经过天幕立靶狭缝和镜头投射出的光幕，根据CCD相机拍摄的光幕条与圆环图像，通过微调机构使得光幕条的宽度对称分布在接收屏的圆环上。最后，双经纬仪观瞄圆环的中心点，获取光幕中心面上对应点坐标的俯仰角和方位角。

Description

天幕立靶结构参数出厂标定系统及其标定方法

技术领域

本发明涉及兵器靶场测试技术领域，具体涉及一种天幕立靶结构参数出厂标定系统及其标定方法。

背景技术

立靶密集度是衡量弹道武器系统的射击效果和评价其性能的主要特征参量之一，在兵器靶场中，现多采用天幕立靶测量装置测量立靶密集度，一次测量获得射击的弹道俯仰角和方位角、弹丸速度和着靶位置，能否精确测量武器系统的射击密集度对提高武器系统的战斗效能起到至关重要的作用，而天幕立靶结构参数直接影响测量系统的测量精度，因此，需要精确标定天幕立靶结构参数以提高立靶密集度。

天幕立靶是国内兵器靶场测试技术领域的主要装备，其结构参数为：光幕面G₁,G₃G₄,G₆与YOZ平面的夹角α，光幕面G₂G₅与YOZ平面的夹角β，如图1所示。在天幕立靶各性能参数中，出厂前结构参数的标定精度直接影响天幕立靶的测量精度，因此，对其标定工作是天幕立靶所测数据准确性和可靠性的有力保证，也是测量仪器在出厂前中不可缺少的关键环节之一。

传统的标定方法是：以N字形光幕为例，拆除天幕立靶内部的光电探测器件，在壳体内放置白炽灯，使得光线透过镜头狭缝向外投射。调整天幕立靶使得N字形的平行光幕垂直水平面投射到前方竖直的墙面上，人工在墙面上标定出每个光幕中线，并计算出各个光幕之间的夹角。该方法缺点在于：由于人为因素的存在，误差较大，不能够精确标定光幕结构参数。其次，节能灯光源照射到狭缝时易产生离轴照明现象，使得投射光幕与镜头主轴偏离，造成标定误差。专利CN 102944698与论文测速天幕靶检定装置与检定方法：记载了利用一维精密平移台带动天幕靶沿垂直基准面的方向移动，根据特制频闪小光源作用在天幕靶上信号输出有阶跃变化时天幕靶的相对位置，实现了天幕靶幕面空间位置参数检定的一种非拆卸式标定方法。论文多光幕天幕立靶结构参数标定技术：记载了根据频闪小光源作用在天幕立靶上输出信号阶跃变化时，确定光幕中心的位置，获得光幕上三个空间点坐标，得到平面方程，反解得到结构参数的一种非拆卸式标定方法。上述技术中存在以下不足：首先，非拆卸式标定方法必须有天幕立靶内部的光电探测器件配合才能实现，而出厂前标定天幕立靶结构参数时天幕立靶内部还未安装光电探测器件，若采用该方法进行标定出厂结构参数，则必然存在标定时安装、调校时拆卸光电探测器件的反复过程，直到标定结果符合误差要求。反复拆装光电探测器件造成标定步骤繁杂并易导致光电探测器件损坏，因此，非拆卸式标定方法不适用于天幕立靶出厂前结构参数的标定。其次，非拆卸式标定方法中多个频闪LED小光源，因其发散角大而无法确定发光轴线方向，影响标定精度。最后，采用非共线三点确定光幕平面方程，导致每一点的精度直接影响平面方程的标定精度，易产生非常大的误差，大大降低平面方程标定结果的可信性。

通过上述分析，目前测量天幕立靶结构参数的方法操作复杂、测量精度低，无法实现对天幕立靶出厂时光幕结构参数的高精度测量；天幕立靶在出厂前必须检测光幕结构参数，目前尚缺乏有效的出厂光幕结构参数检测手段。

发明内容

本发明为解决现有技术在出厂标定结构参数时存在的无法精确确定光幕中心面及获取光幕中心面上点坐标等不足的问题，提供一种天幕立靶结构参数出厂标定系统及其标定方法。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种天幕立靶结构参数出厂标定系统，其特征在于：包括天幕立靶一、天幕立靶二、面光源、经纬仪一、经纬仪二光幕接收装置和基准尺；

所述的面光源设置于天幕立靶一或者天幕立靶二内，天幕立靶一和天幕立靶二设置于同一轴线上，经纬仪一、经纬仪二设置于同一轴线上，其轴线与两个天幕立靶的轴线相垂直，基准尺设置于光幕接收装置的一侧；

所述的光幕接收装置的结构包括支撑机构、升降机构、旋转机构、水平微调机构、上下微调机构、CCD相机和接收屏；

所述的支撑机构和升降机构分别设置有两个，两个升降机构上下可调节插设于支撑机构内，两个升降机构的顶端分别设置有旋转机构，两个旋转机构之间通过支撑杆连接有内凹式外框，所述的外框的伸出面的边框上通过支杆设置有CCD相机，外框上相对伸出面的面上通过上下微调机构设置有接收屏固定板，所述的接收屏固定板上通过水平微调机构连接有接收屏，所述的接收屏内设置有半透明硫酸纸，半透明硫酸纸上印设有圆环，接收屏相互垂直的边框上分别设置有一字型激光器一和一字型激光器二，所述的一字型激光器一和一字型激光器二的激光交线经过圆环的圆心。

所述的水平微调机构、上下微调机构两层分布，分别沿着各自的滑轨移动，且移动方向互相垂直；

所述的一字型激光器、一字型激光器的发光面相互垂直，两个发光面的交线通过接收屏上圆环中心点且垂直于接收屏，构成了垂直接收光幕的激光指示线。

所述的圆环为多个间距为0.5mm的同心细圆环，圆心为靶心标志；

所述的CCD相机的拍摄角度与接收屏屏幕垂直。

所述的接收屏为矩形框，矩形边框内侧设置为凹槽式轨道。

一种天幕立靶结构参数出厂标定系统的标定方法的步骤为：

1)放置天幕立靶以及两台经纬仪，将天幕立靶调平；双经纬仪调平、互瞄、置零，记录标定坐标系的原点与坐标系方向；

2)双经纬仪观测基准尺，分别瞄准基准尺上不同刻度，并分别记录两台经纬仪读数，由双经纬仪点坐标计算公式(1)以及空间中两点距离公式(2)，可反解求出双经纬仪基线b与高度差h。

其中(1)式中α_A、β_A、α_B、β_B为双经纬仪测点的俯仰角和方位角，(2)式中L为基准尺上对应两点的距离。

双经纬仪测量天幕立靶的指示弹道的激光出光口坐标作为天幕立靶的测量坐标系原点；

3)将面光源置于天幕立靶壳体内狭缝处，使其经过狭缝及镜头投射出光幕，其次，光幕接收装置通过脚轮移动到接收光幕的位置，然后固定，调节接收屏的升降机构与旋转机构，使其一字型激光器一和一字型激光器二射出的激光指示线沿面光源投射出的光幕对称入射到天幕立靶的镜头上，使接收屏垂直接收投射出的光幕，调整镜头焦距与面光源，使面光源通过狭缝投射出的光幕清晰成像，根据CCD相机拍摄的光幕条与圆环图像，判断光幕条与圆环的位置关系，若光幕条的宽度在接收屏的圆环上不是对称分布，则通过水平微调机构和上下上下微调机构调整其至对称分布，然后，双经纬仪观瞄圆环的中心点，获取光幕中心面上该点坐标的俯仰角和方位角；

4)对于同一个投射光幕，选取相距较大的非共线的五点，重复步骤3)，分别记录经纬仪显示的俯仰角和方位角数值。

5)根据计算公式(1)，求解出对于同一个投射光幕上的多个空间点的坐标，对于一系列的n个点(x_i,y_i,z_i)，利用最小二乘法拟合得到光幕平面方程表达式z＝ax+by+c，其中a,b,c可由公式(3)获得：

同理，重复步骤2)至5)，可标定天幕立靶其他光幕面的空间平面方程；

通过数学解算夹角公式(4)，可得知实现天幕立靶结构参数的标定。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、本发明采用面光源作为投射光幕的光源，避免了传统节能灯光源在经过狭缝和镜头后易产生离轴照明的现象，确保了投射光幕宽度方向以镜头主轴为中心对称分布；

2.、本发明采用的光幕接收装置设计了垂直接收光幕的激光指示、用于光幕条中心面识别的圆环与CCD相机等，具有升降、旋转、微调、图像拍摄与处理等功能，大大提高了寻找与识别光幕条中心面的精度；

3、本发明采用最小二乘法多点拟合方法获得平面方程，降低了传统标定法中每个测量点对平面方程的影响，提高了结构参数的标定精度；

4.、本发明功能齐全，标定精度高，结果可靠。

附图说明

图1六光幕阵列在坐标系平面的投影；

图2是本发明系统组成示意图；

图3是本发明接收装置示意图；

图4是本发明光幕接收装置侧视图；

图5是本发明装置标定天幕立靶系统布置图。

图中标记

1-1天幕立靶一、1-2天幕立靶二、2-1-经纬仪一、2-2-经纬仪二、3-面光源、4-光幕接收装置、5-支撑机构、6-升降机构、7-旋转机构、8-1-水平微调机构、8-2-上下微调机构、9-1-一字型激光器一、9-2-一字型激光器二、10-CCD相机、11-接收屏外框、12-圆环、13-接收屏、14-基准尺，15-外框、16-接收屏固定板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供一种天幕立靶结构参数出厂标定系统(参见图2-图5)，包括天幕立靶一1-1、天幕立靶二1-2、面光源3、经纬仪一2-1、经纬仪二2-2光幕接收装置4和基准尺14；

所述的面光源3设置于天幕立靶一1-1内，天幕立靶一1-1和天幕立靶二1-2设置于同一轴线上，经纬仪一2-1、经纬仪二2-2设置于同一轴线上，其轴线与两个天幕立靶的轴线相垂直，基准尺14设置于光幕接收装置4的一侧；

所述的光幕接收装置4的结构包括支撑机构5、升降机构6、旋转机构7、水平微调机构8-1、上下微调机构8-2、CCD相机10和接收屏13；所述的支撑机构5和升降机构6分别设置有两个，两个升降机构6上下可调节插设于支撑机构5内，两个升降机构6的顶端分别设置有旋转机构7，升降机构6、旋转机构7和微调机构可实现接收屏的升降、旋转和微调功能；

两个旋转机构7之间通过支撑杆连接有内凹式外框15，所述的外框15的伸出面的边框上通过支杆设置有CCD相机10，外框15上相对伸出面的面上通过上下微调机构8-2设置有接收屏固定板16，所述的接收屏固定板16上通过水平微调机构8-1连接有矩形接收屏13，所述的水平微调机构8-1、上下微调机构8-2两层分布，分别沿着各自的滑轨移动，且移动方向互相垂直；

所述的水平微调机构8-1、上下微调机构8-2均为滑轨设计；分别设置于外框15的边框槽内和接收屏外框11的边框槽内；

所述的接收屏13内设置有半透明硫酸纸，半透明硫酸纸上印设有圆环12，所述的圆环12为多个间距为0.5mm的同心细圆环，圆心为靶心标志，所述的CCD相机10的拍摄角度与接收屏13屏幕垂直。

接收屏13相互垂直的边框上分别设置有一字型激光器一9-1和一字型激光器二9-2，所述的一字型激光器9-1、一字型激光器9-2的发光面相互垂直，两个发光面的交线通过接收屏上圆环12中心点且垂直于接收屏13，构成了垂直接收光幕的激光指示线。

接收屏13的激光指示线可辅助实现接收屏13垂直接收面光源3投射的光幕，根据CCD相机10拍摄的光幕条与圆环12图像，判断光幕条与圆环12的位置关系，若光幕条的宽度在接收屏的圆环12上不是对称分布，则通过微调机构调整其至对称分布。最后，双经纬仪观瞄圆环12的中心点，获取光幕中心面上该点坐标的俯仰角和方位角。

所述面光源3是功率为10W的高亮COB面光源，光源尺寸为100mm×20mm，电压为6V；

所述经纬仪2-1、经纬仪2-2型号为Leica TM6100A工业经纬仪，测角精度为0.5″；

所述基准尺14为长度1000mm的玻璃线纹尺，精度为8μm，可实现双经纬仪基线长度的标定；

本发明装置可用于天幕立靶系统出厂结构参数的标定，其标定方法包括以下步骤：

1、按实际测试状态置放天幕立靶一1-1、天幕立靶二1-2，在天幕立靶连线的垂直方向置放经纬仪一2-1和经纬仪二2-2，将天幕立靶一1-1和天幕立靶二1-2调平，指示激光互瞄对准；经纬仪一2-1和经纬仪二2-2调平、互瞄、置零，记录标定坐标系的原点与坐标系方向；

2、经纬仪一2-1和经纬仪二2-2观测基准尺14(基准尺放置于光幕接收装置的一侧即可，通常位于距离经纬仪基线2m左右，分别瞄准基准尺14上一定间距的端点刻度(一定距离是受基准尺的长度限定，工程上通常取基准尺刻度上距离较远的两个端点)，并分别记录两台经纬仪读数，由计算公式(1)以及空间中两点距离公式(2)，可反解求出双经纬仪基线b与高度差h。

其中(1)式中α_A、β_A、α_B、β_B为双经纬仪测点的俯仰角和方位角，(2)式中L为基准尺上对应两点的距离；

经纬仪一2-1和经纬仪二2-2测量天幕立靶的指示弹道的激光出光口作为天幕立靶的测量坐标系原点；

3、对天幕立靶1-1进行结构参数的标定，将面光源3置于天幕立靶1-1壳体内狭缝处，调整镜头焦距和面光源3，使面光源3通过狭缝投射出的光幕清晰成像，将光幕接收装置4移动到适当位置，然后固定，调节升降机构5与旋转机构6，使一字型激光器一9-1和一字型激光器二9-2的交线入射到天幕立靶的镜头上，微调水平微调机构8-1和上下微调机构8-2，利用CCD相机10拍摄光幕条与圆环图像，通过图像处理与反复微调，使得光幕条的宽度以接收屏13上圆环12对称分布，经纬仪一2-1和经纬仪二2-2观瞄圆环12的中心点，记录光幕中心面上该点在经纬仪显示屏上显示的俯仰角和方位角；

4、对于同一个投射光幕，选取相距较大的非共线的五点，重复步骤3，分别记录经纬仪2-1和经纬仪2-2显示的俯仰角和方位角数值；

5、根据计算公式(1)，求解出对于同一个投射光幕上的多个空间点的坐标，对于一系列的n个点(x_i,y_i,z_i)，根据计算公式(3)，利用最小二乘法拟合得到光幕平面方程表达式z＝ax+by+c，其中a,b,c可由公式(3)获得：

得到天幕立靶1-1某一光幕的空间平面方程为z＝a₀x+a₁y+a₂；

同理，重复步骤2)至5)，可标定天幕立靶其他光幕面的空间平面方程；

通过数学解算夹角公式(4)，可实现天幕立靶1-1结构参数的标定。

6、天幕立靶1-2的标定步骤与天幕立靶1-1相似，将面光源3置于天幕立靶1-2壳体内狭缝处，重复上述步骤二至五即可。

以上所述，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。

Claims (7)

1.一种天幕立靶结构参数出厂标定系统，其特征在于：包括天幕立靶一(1-1)、天幕立靶二(1-2)、面光源(3)、经纬仪一(2-1)、经纬仪二(2-2)光幕接收装置(4)和基准尺(14)；

所述的面光源(3)设置于天幕立靶一(1-1)或者天幕立靶二(1-2)内，天幕立靶一(1-1)和天幕立靶二(1-2)设置于同一轴线上，经纬仪一(2-1)、经纬仪二(2-2)设置于同一轴线上，其轴线与两个天幕立靶的轴线相垂直，基准尺(14)设置于光幕接收装置(4)的一侧；

所述的光幕接收装置(4)的结构包括支撑机构(5)、升降机构(6)、旋转机构(7)、水平微调机构(8-1)、上下微调机构(8-2)、CCD相机(10)和接收屏(13)；

所述的支撑机构(5)和升降机构(6)分别设置有两个，两个升降机构(6)上下可调节插设于支撑机构(5)内，两个升降机构(6)的顶端分别设置有旋转机构(7)，两个旋转机构(7)之间通过支撑杆连接有内凹式外框(15)，所述的外框(15)的伸出面的边框上通过支杆设置有CCD相机(10)，外框(15)上相对伸出面的面上通过上下微调机构(8-2)设置有接收屏固定板(16)，所述的接收屏固定板(16)上通过水平微调机构(8-1)连接有接收屏(13)，所述的接收屏(13)内设置有半透明硫酸纸，半透明硫酸纸上印设有圆环(12)，接收屏(13)相互垂直的边框上分别设置有一字型激光器一(9-1)和一字型激光器二(9-2)，所述的一字型激光器一(9-1)和一字型激光器二(9-2)的激光交线经过圆环(12)的圆心。

2.根据权利要求1所述的一种天幕立靶结构参数出厂标定系统，其特征在于：所述的水平微调机构(8-1)、上下微调机构(8-2)两层分布，分别沿着各自的滑轨移动，且移动方向互相垂直。

3.根据权利要求1或2所述的一种天幕立靶结构参数出厂标定系统，其特征在于：所述的一字型激光器(9-1)、一字型激光器(9-2)的发光面相互垂直，两个发光面的交线通过接收屏上圆环(12)中心点且垂直于接收屏(13)，构成了垂直接收光幕的激光指示线。

4.根据权利要求3所述的一种天幕立靶结构参数出厂标定系统，其特征在于：所述的圆环(12)为多个间距为0.5mm的同心细圆环，圆心为靶心标志。

5.根据权利要求4所述的一种天幕立靶结构参数出厂标定系统，其特征在于：所述的CCD相机(10)的拍摄角度与接收屏(13)屏幕垂直。

6.根据权利要求5所述的一种天幕立靶结构参数出厂标定系统，其特征在于：所述的接收屏(13)为矩形框，矩形边框内侧设置为凹槽式轨道。

7.根据权利要求1所述的一种天幕立靶结构参数出厂标定系统的标定方法，其特征在于：所述的标定方法的步骤为：

1)放置天幕立靶以及两台经纬仪，将天幕立靶调平；双经纬仪调平、互瞄、置零，记录标定坐标系的原点与坐标系方向；

2)双经纬仪观测基准尺，分别瞄准基准尺上不同刻度，并分别记录两台经纬仪读数，由双经纬仪点坐标计算公式(1)以及空间中两点距离公式(2)，可反解求出双经纬仪基线b与高度差h；

其中(1)式中α_A、β_A、α_B、β_B为双经纬仪测点的俯仰角和方位角，(2)式中L为基准尺上对应两点的距离；

双经纬仪测量天幕立靶的指示弹道的激光出光口坐标作为天幕立靶的测量坐标系原点；

3)将面光源(3)置于天幕立靶壳体内狭缝处，使其经过狭缝及镜头投射出光幕，其次，光幕接收装置(4)通过脚轮移动到接收光幕的位置，然后固定，调节接收屏的升降机构与旋转机构，使其一字型激光器一(9-1)和一字型激光器二(9-2)射出的激光指示线沿面光源(3)投射出的光幕对称入射到天幕立靶的镜头上，使接收屏(13)垂直接收投射出的光幕，调整镜头焦距与面光源(3)，使面光源(3)通过狭缝投射出的光幕清晰成像，根据CCD相机(10)拍摄的光幕条与圆环(12)图像，判断光幕条与圆环的位置关系，若光幕条的宽度在接收屏的圆环上不是对称分布，则通过水平微调机构(8-1)和上下上下微调机构(8-2)调整其至对称分布，然后，双经纬仪观瞄圆环(12)的中心点，获取光幕中心面上该点坐标的俯仰角和方位角；

4)对于同一个投射光幕，选取相距较大的非共线的五点，重复步骤3)，分别记录经纬仪显示的俯仰角和方位角数值；

5)根据计算公式(1)，求解出对于同一个投射光幕上的多个空间点的坐标，对于一系列的n个点(x_i,y_i,z_i)，利用最小二乘法拟合得到光幕平面方程表达式z＝ax+by+c，其中a,b,c可由公式(3)获得：

同理，重复步骤2)至5)，可标定天幕立靶其他光幕面的空间平面方程；

通过数学解算夹角公式(4)，可得知实现天幕立靶结构参数的标定；

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