CN1080997A

CN1080997A - 计算机激光瞄准综合测试仪

Info

Publication number: CN1080997A
Application number: CN 93107750
Authority: CN
Inventors: 王广志; 丁海曙; 董德康; 丁辉; 宋华; 刘明哲
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1994-01-19

Abstract

本发明属于光电检测技术领域。本发明设计出一种计算机激光瞄准综合测试仪，包括与被准直物固定在一起的激光发射装置、二次成像光电接收装置、坐标检出装置，以及对检出信号进行处理、显示的微型计算机及其显示器、数据采集接口以及相应的控制、应用软件所组成。本发明具有使用方便、测量范围大、结果准确、速度快并能对结果进行分析、存贮、显示直观等诸多优点，可广泛用于体育、军事训练及各种工程技术测量领域。

Description

本发明属于光电检测技术领域，特别涉及光电检测技术在激光瞄准测试仪器中的应用。

在体育训练，军事训练以及很多工程测量工作中，需要对瞄准（准直）情况进行测量;在训练中通过测量可以对被测者的技术动作进行分析，科学地指导训练，提高运动成绩。在工程中通过测量可以对工程做出评价，提出改进意见。构成这样的系统应主要包括如下各部分：1）在被准直物（例如枪支）一方有一个与其瞄准情况相关联的光束发射单元。2）在瞄准参照点（例如靶）一方有一个与其相关联的光电接收单元，即可记录瞄准点在靶上运动情况的传感系统。3）坐标检出单元，它可以由传感器接收到的与被准直物位置相关的光信号解算出瞄准点在靶上的运动轨迹，进而得知枪支晃动情况，即准直的情况。4）检测结果的记录及结果的分析、比较、显示的信号处理与显示单元。

目前国外已有若干种射击瞄准测量与训练系统，在如何检测瞄准点的位移，系统是否可以在不影响被准直物工作的情况下完成测量，以及测量结果的显示、记录回放、分析比较等功能方面还存在着一些不足之处。主要表现为：1）为了检测瞄准点的位移，主要方式有（a）采用电视摄象机对由枪发出的光束在靶上形成的光斑进行拍摄从而记录该点晃动情况，然后从电视信号分离出位置，这种方法的设备复杂，不能及时反馈测量结果，而且精度较差;（b）采用光电器件组成光靶，对由枪发出的光束在靶上形成的光斑位置进行记录。它又可根据使用的光电器件不同分为连续式和阵列式两种，连续式是采用面状光电器件构成光靶，因此要求光电器件的面积比较大，目前在制造技术上存在困难;陈列式是采用多个点状光电器件密集排列构成光靶，通过编码记录光斑在靶上的晃动，这样为了得到较大的光靶需要很多器件，成本高，而且由于传感器不连续，检测精度较差。2）早期的光束发射装置比较笨重，因此无法装在实际的器械上使用，无法模拟真实训练和比赛情况，后来发展了红外发光二极管和红外半导体激光器，可制成微型光束发射装置，但发光装置的功率比较小，因此无法用于实际训练和比赛的场合（由于靶小，无法测大位移的晃动;由于光弱，只能用在很近的距离进行测试，因此仪器无法在真实比赛距离使用）。3）测试结果的处理及显示输出是仪器性能的最终体现，目前一般用数码显示瞄准点位置，数据不连续，无存贮数据、记录回放、分析比较等功能。

从国内情况看目前还没有这种瞄准综合训练测试仪的产品。

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提供一种激光瞄准综合测试仪器，包括具有较高转换效率及精度的吸收散射式光学成象屏，从而可以利用小面积的光电器件检测大面积光靶上光束的晃动轨迹;发光能力强，体积小，重量轻的微型可见激光发射装置，可附于实际器械上而不影响器械的正常使用;完整的同步测试、记录回放、结果分析、显示输出系统。使系统能够对各种测试情况进行记录分析，并能及时反馈结果，达到综合检测的目的。

本发明设计出一种计算机激光瞄准综合测试仪，硬件主要由下列几部分构成：（1）固结在被测物上的光束发射装置（2）安装与发射光束同轴的二次成象光电接收检测装置;（3）硬件光电信号位置解算装置;（4）微型计算机及数据采集接口;（5）显示输出装置。系统硬件在控制软件和应用软件7的支持下可完成对被测物准直点位置，准直点晃动情况等的定量测量，还可以对测量得到的参数进行统计分析，以达到综合测试的目的。为能利用现有的较小面积的光电接收器件接收被测物在较大范围的位置变化情况，本发明设计出一种二次成象光电接收检测装置，包括具有较高转换效率及精度的吸收散射式光学成象屏，二次成象透镜和光电位置传感器。本发明具有使用方便，测量范围大，结果准确，速度快，能对检测结果进行分析、存贮，并能以各种直观的形象反映出综合测量数据等诸多优点，可广泛用于体育训练，军事训练，及各种工程技术测量领域。

本发明附图简要说明：

图1为本发明的总体构成示意图

图2为本发明的二次成象的光电接收检测装置原理

图3为本发明的吸收散射式光学成象屏的结构示意

图4为本发明的硬件信号位置解算装置的原理

图5为本发明的光电位置坐标检出电路原理

图6为本发明的微型激光发射装置结构示意

图7为本发明的声控同步装置的原理

图8为本发明的软件总体结构

本发明设计出一种计算机激光瞄准综合训练测试仪的实施例，各组成部分结构附图1-8的详细描述如下：图1为本发明实施例的总体结构示意图，当射手持枪瞄准时，固结在枪上的光束发射装置1发出一束很细的与瞄准线平行的光束，照射到位于靶方的二次成象的光电接收检测装置3的靶面上，光电接收检测装置3将接收到的光束位置转换成与位置相关的电信号，送入硬件信号位置解算装置4进行运算，得到表征光束在靶面上位置坐标[X，Y]的两路电平信号，此信号由计算机5在软件7的支持下通过数据采集接口进行采集，即可在计算机中生成表征光束晃动情况的数据文件。当射手击发时，由声控同步装置2检测到击发的音响，经放大滤波等处理后可转换成开关量送入计算机5，计算机即可知道击发时枪瞄准在何处。在软件7的支持下，计算机可及时将瞄准点晃动轨迹，击发位置等信息显示在屏幕6上，或由打印输出装置8打印输出，同时可将测试数据送入计算机磁盘存档。在一个射手多次试射后，计算机可对存档的多组数据进行统计分析，并反馈分析结果，供教练员和运动员参考。

本实施例各组成部分分别描述如下：

1）二次成象的光电接收检测装置：

本发明的核心目的是使系统能够用于实际训练和比赛场合，而且使用便利，结果能及时地显示和反馈给受试者。为此，首先要解决如何制造光靶，使其具有足够大的接收面积，较高的接收转换效率和良好的精度等技术难点。经过理论计算和实验研究，我们发明了二次成象的光电接收检测方法，并利用此方法设计了可以实际使用的二次成象的光电接收装置。装置由靶面31、二次成象透镜32和光电位置传感器33三个主要部分构成。其原理如图2所示，当一束光照射到具有吸收散射特性的靶面31上时，靶面31通过吸收散射可将接收到的光在靶面的另一侧转换成一个散射光斑，此光斑的位置即代表了光束瞄在靶上的位置。在靶面31的背后布置了光学成象透镜系统32及光电位置传感器33，靶面31上散射光斑将作为点光源由透镜32成象于光电位置传感器33的光敏面上供检出位置。若设成象透镜的焦距为f，靶面与透镜光心的距离为u，透镜光心与光电位置传感器光敏面的距离为v，根据几何光学原理，f，u，v之间满足方程：

1/(u) + 1/(v) ＝ 1/(f) （1）

若取u＞2f，则有v＜2f，即u＞v，由图2可见，此时光靶靶面直径D与光电位置传感器的光敏面直径d之间满足方程：

(D)/(d) ＝ (u)/(v) ＞1 （2）

因此，利用小尺寸的传感器可以检测大尺寸的靶面上的光斑位移（晃动）情况，通过合理选取u，v，f的值即可利用现有的小尺寸光电传感器设计出能与真实靶具有相同尺度的光靶。例如：选u＝10v，就可以利用光敏面直径为12mm的光电传感器检测直径为120mm的靶面上的光束晃动情况。（目前光电位置传感器的面积可达Φ22mm）。

由于采用二次成象的光电接收检测方法，光靶的效率和精度是设计的关键，本发明采用了特制的吸收散射式光学成象屏作为光靶靶面，其具体结构如图3所示。吸收散射式光学成象屏由三层材料组成：光学玻璃311构成了靶面的基板，为了保证其转换效率，应选用对系统所用特定波长的光源透过率高的光学玻璃，例如，当光源选用中心波长为930nm的红外激光时，可以选近红外截止型玻璃，如HB820等。若选用红光激光管作光源则应选对红光通透性好而对其它波长衰减的玻璃。这样，一方面保证了较高的转换效率，同时还使光靶具有较好的抗杂散光干扰的能力。为了进一步提高靶面的转换效率和抗干扰能力，在光学玻璃基板的前方镀有合适的膜层312，它的作用有两个：一方面是增透，另一方面是对杂散光进行衰减，这两个作用是通过合理选择膜层的材料和厚度而达到的。上述两层材料使靶面具备了良好的吸收特性，为了将入射光转换为可由光学透镜成象的点光源，需要将入射光进行散射，为此在光学玻璃的后方制备了散射面层313，理想的散射面层的特性是能够将入射光完全散射，形成点光源，因此在制备散射面层时应精细地控制工艺，使散射面层具有充分细腻的随机分布结构，在一般条件下可采用精细磨砂工艺，若有条件可采用特殊工艺，如激光磨砂工艺，微棱体散射面等，以保证良好的散射性能。

利用上述二次成象的光电接收检测方法和特制的吸收散射式光学成象屏，可以通过光学成象透镜，将大尺度的光学成象屏（光靶靶面）上的散射光斑成象于小尺度的光电传感器的光敏面上。从原理上讲，可以采用能够检出坐标的任何光电器件，如CCD器件，四象限器件，以至光电管陈列等，但为了保证系统具有良好的精度，应当采用连续型的光电传感器。本发明中采用可以检出连续位置坐标的光电位置传感器构成坐标检测装置，光电位置传感器为特制的半导体硅光器件，当光束照射在其光敏面上形成光斑时，传感器会输出与光斑位置相关的四个电流信号分量，这四个电流信号分量[I₁，I₂，I₃，I₄]与光斑在传感器光敏面上的位置[X，Y]及传感器光敏面的尺寸L之间满足方程：

X = L \times \frac{[(I_{2} + I_{3}) - (I_{1} + I_{4})]}{I_{1} + I_{2} + I_{3} + I_{4}} (3)

Y = L \times \frac{[(I_{3} + I_{4}) - (I_{1} + I_{2})]}{I_{1} + I_{2} + I_{3} + I_{4}} (4)

因此利用上述方程，通过信号处理电路对各电流分量进行放大和解算，即可以由传感器输出电流分量[I₁，I₂，I₃，I₄]解算出光斑的位置[X，Y]。

2）硬件光电信号位置解算装置

本发明采用硬件电路进行光电信号位置解算，可以检出光束在靶面上连续运动的位置轨迹，得到表征光斑连续运动轨迹位置坐标的电平信号，供数据采集装置进行采集，检测精度高，速度快。硬件信号处理电路的原理如图4所示：当光束照射在光电位置传感器33的光敏面上，在[X，Y]位置形成光斑时，光电位置传感器输出的四个电流信号分量[I₁，I₂，I₃，I₄]与光斑位置[X，Y]及传感器光敏面的尺寸L间满足方程（3），（4），硬件信号处理电路就是完成方程中的一系列运算。处理时四个电流信号分量[I₁，I₂，I₃，I₄]首先送入四路并行滤波器进行滤波以消除不需要的信号成分，这样可以减小或消除外界杂散光的干扰，使系统工作可靠，精度高。信号滤波后，为了运算方便，将四路电流信号分量分别转换成了四路电压信号分量，通过加法运算分别求出上述方程中各小括号中的因子，即（I₂+I₃），（I₁+I₄），（I₃+I₄）和（I₁+I₂），接下来对这些因子再进行求和及求差值运算，即可分别得到方程中分子和分母因式，最后将分子，分母因式分别相除即得到了与光斑位置坐标X和Y对应的两路连续电压信号分量，这两路信号分量可以被计算机采集下来，并由此重建出光斑的运动轨迹位置坐标。在前面的方程中还有一个系数L，由于它是固定常数，因此不必进行硬件运算处理，在计算机进行位置重建时将其加权即可。

按照上述硬件信号处理原理，可以利用集成运算放大器（如 LF411等）和阻容元件构成信号滤波、放大和加法器、减法器，除法的硬件运算则需要专用的集成电路芯片，如AD533，AD534等。在实际系统中可以根据二次成象的光电接收检测系统的尺寸要求和精度要求选用合适的光电位置传感器，如S1880，S1300等。具体的信号处理电路如图5所示。

3）可附于实际器械上的微型可见激光发射装置：

由微型半导体红光激光器11和光学透镜系统12及调节环节13组成，其中微型半导体红光激光器是半导体技术的新成果，可发出波长为680nm左右的可见红光，发光效率很高。采用红光的好处是系统在使用中光束可见，这就为使用和调整带来了极大方便。激光器的发光经透镜系统精确聚扰，形成近乎平行的可见激光光束，从而使其有效照射距离远，可达到几十公尺。调节环节的作用是使光束与枪支的瞄准线相关联起来，从而可在真实训练环境时进行测试。激光发射装置的具体结构如图6所示：激光器11和聚光透镜12同轴地置于发射装置外壳14内，激光器置于聚光透镜的焦点上，因此聚光透镜可将激光器发出的光束会聚成平行光;转动调节螺旋13可以调节发射装置的方位，使其光束与瞄准线平行。

4）系统的定标控制、信号采集、位置重建以及数据结果显示反馈和综合分析部分。

为了达到综合测试训练的目的，使仪器具有良好的性能，采用微型计算机作为系统的控制，信号采集与处理，以及记录显示装置。这样，在上述系统基本硬件的基础上还必须完成系统的同步控制、信号采集等接口硬件以及位置重建以及结果显示、数据结果反馈和综合分析等软件。

在实施例采用了声控同步装置，这样可以在仪器使用中自动记录下当枪支击发瞬间其瞄准点在何处，从而可在采集到的数据中找到枪支于何处击发，并在数据处理中将此点与射击成绩相关处理，使测量数据可用于对受试者技术特征的综合分析，达到技术诊断和辅导训练的目的。为了保证在测试系统使用声控同步装置不影响枪支的正常使用和射手技术水平的发挥，要求其体积小，重量轻，因此实现此装置的电路应尽可能简化。声控同步装置的原理如图7所示：当射手击发时，传声器接收到枪支的击发音响，并将其转换成电信号，此信号经放大滤波处理后送入阈值比较器进行比较，根据传声器接收到的声音信号的强度和频率的不同，阈值比较器将输出高电平或低电平，从而确定本枪是否击发。低通滤波器、高通滤波器和阈值比较器可以分别从频率和幅度上对信号进行选择，去掉由于其它枪支击发等因素造成的干扰，保证声控同步装置的可靠工作。在具体设计中，传声器可选用体积小，重量轻的驻极体电容式传声器;放大电路选用低功耗，单电源能工作的运算放大器;低通滤波器，高通滤波器均选取可调截止频率的二阶有源滤波，可以由运算放大器和阻容元件构成;阈值比较也用运算放大器和阻容无件构成，这样仅需用1片4运算放大器（如LM324）和若干微型阻容元件即可完成声控同步信号的提取。将此信号送入计算机由计算机查询或触发计算机的中断即可知道射手在什么时候击发，从而知道击发时候枪到底瞄在靶上的什么位置，以便将射击成绩与瞄准情况相关起来。在多次记录击发情况后，可以由击发时瞄准点位置分布来分析射手的技术特点。为了保证声控装置可靠运行并具有良好的抗干扰能力，应合理设计声控同步装置的通频带和触发阈值，使之不会由于其它声音而动作。

为了将光电检测装置硬件电路处理解算得到的，表征光斑连续运动轨迹位置坐标的电平信号记录下来，采用了具有12位分辨率的A/D转换芯片构成了信号数据采集接口电路，目前信号数据采集接口电路板已有多种商品，在设计时可根据所选用计算机的类型进行选用，从而保证系统具有良好的精度和一定的速度。

为了使系统具有良好的使用性能，使系统能够对各种测试情况进行记录分析，并能及时反馈结果，使用方便。设计了专用的测试记录回放、结果显示输出及综合分析软件。由于系统的软件是完成测试和结果反馈的最终环节，系统的性能在很大程度上受到软件的影响，因此对软件提出了使用方便，易操作，结果显示生动，直观等使用要求。设计中为达到这些要求，采用了模块化设计方法，采用分级下拉式中文菜单进行操作，简便易学，操作方便;结果以曲线，表格，图形等多种方式显示，保证了系统良好的使用性能

系统软件按功能可分为两大部分，即系统控制软件和系统应用软件。

系统控制软件的功能是完成对系统的自检、定标、数据采集、数据存档和数据磁盘管理等工作。自检是开机后系统工作是否正常的例行检查，定标是指：（A）系统安装后，检查光束发射装置的光束是否与瞄准线一致，即当射手瞄在靶心位置时，光束是否照在了光靶靶心，若二者不一致，则应调节光束发射装置使其一致;（B）瞄准点移动时，它在光靶上移动单位距离而造成的供计算机采集的电平变化量有多大，这一比例关系确定后，计算机才能根据采集到的数据准确地将瞄准点位置重建。数据采集是指对由光靶检测并由位置解算装置解算出的表征瞄准点连续运动轨迹的电平信号进行采集，变成可由计算机处理的数字序列（数据文件）的过程。数据存档则指将每次射击后采集到的一定长度的数据及击发时刻等参数送入磁盘等介质中存储，以备多次射击后进行综合分析。为方便用户，在系统中设置了用户的数据磁盘管理功能，帮助用户完成积累的大量数据的日常的管理工作。

系统应用软件的主要功能是：（1）将测量结果即瞄准点晃动轨迹及击发时瞄准点位置信息及时直观地显示出来;（2）对多次测试存档的数据进行统计分析并将分析结果显示或打印出来。软件的总体结构如图8所示。可以看到：系统软件具有丰富的功能，可以完成对射击运动员的综合测试分析工作，以达到综合训练的目的。软件采用C语言编制，采用模块化结构，运用菜单和图形技术进行设计，结果的显示丰富生动，易于扩展功能，使用非常方便。

如上面的实施例所述，利用上述技术可以构成瞄准训练测试仪器。该仪器可用于实际射击比赛的距离（10m，20m，30，50m），仪器的测量不影响运动员对枪支的正常使用，从而可真实地模拟训练和比赛情况，经过定标，仪器可测试和记录射手在瞄准过程中瞄准点的晃动轨迹，击发位置，及击发后枪支的摆动情况等信息，通过对不同次击发过程中瞄准点晃动的统计特征，击发点位置分布，弹着点位置等信息的分析，可以抽象出射手的技术特点，从而辅助训练，提高运动成绩。通过对不同枪支、不同射手的测试，还可对枪支或射手的技术进行比较评价。系统测试结果以轨迹图，弹着点位置图，弹着点分布图，瞄准时晃动范围等图形方式显示，结果直观，系统可及时显示处理结果，便于及时纠正动作。

Claims

1、一种计算机激光瞄准综合测试仪，包括与被准直物固定在一起的光束发射单元、接收所说光束并转换成电信号的光电接收单元，对接收单元接收到的信号进行坐标检算的坐标检坐单元以及对检算出的信号进行处理，显示的信号处理显示单元，其特征在于所说的光电接收单元由二次成象光电接收检测装置组成；所说信号处理显示单元由微型计算机及其显器、数据采集接口以及相应的控制，应用软件所组成。

2、如权利要求1所述的综合测试仪，其特征在于所说的二次成象光电接收检测装置由在同一轴线上依次正交排列的散射光靶、光学成象透镜及光电位置传感器所组成，所说光靶、透镜、传感器之间的距离分别为u，v，且与透镜焦距f满足：

1/(u) + 1/(v) ＝ 1/(f) ，并设u＞2f;

所述光靶由光学玻璃基板，在该基板前表面镀有增透面层，其后表面制成散射面层构成。

3、如权利要求1所述的综合检测仪，其特征在于所说的光电信号位置解算装置包括对所说光电接收装置接收的四路电信号分别进行滤波放大、电流/电压变换及对所说四路信号进行加减运算的多个并、串联运算放大器、阻容元件及对四路信号进行除法运算，得到x，y坐标值的除法器。

4、如权利要求1所述的综合检测仪，其特征在于所说的光束发射单元由光束发射装置和声控击发同步装置所组成，所说的光束发射装置由微型半导体红光激光器、聚光透镜及调节螺旋所组成，所说的激光器和聚光透镜同轴地置于发射装置外壳内，激光器置于聚光透镜的焦点上，外壳安装有对透镜位置进行调节的调节螺旋。

5、如权利要求4所述的综合检测仪，其特征在于所说的声控击发同步装置由将击发声波转换成电信号的传器，对传声器输出的电信号进行放大、滤波的放大器、低通滤波器及高适滤器，对该高通滤波器输出的信号进行频率及幅度的比较得到控制信号的阈值比较电路所组成。