CN109141272B - 基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统及测量方法，属于高速运动目标形变测量技术领域。本发明的系统包括菲涅尔匀光照明一级子系统、振镜扫描一级子系统、接收采集一级子系统、激光器、准直扩束模块、反射屏、激光测距仪、电源及高速运动目标。采用菲涅尔匀光照明一级子系统、振镜扫描一级子系统、准直扩束模块协同工作进行激光束的匀光扩束与二次放大，实现对高速运动目标的大视场匀光照明。本发明还公开基于所述系统实现的基于扫描振镜的高速运动目标形变测量方法。本发明能够模拟高速运动目标形变过程，并实现对高速运动目标微形变尺寸的准确测量。本发明能应用于高速磨损量测试、高温形变量测试、高压形态测试等领域。

Description

基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统及测量方法

技术领域

本发明属于高速运动目标形变测量技术领域，特别涉及基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统及测量方法。

背景技术

形变是由于目标在特定或异常情况下，受外界温度、压力、摩擦、腐蚀等影响引起的物理变化，诸如：尺寸、形态等发生变化，它是目标与外界交互的直观体现。因此，形变测量是了解目标状态，判断目标是否可靠运行、是否达标等关键指标，是人们了解目标同环境作用关系的重要途径。静态目标形变测量，从宏观到微观都被人们通过诸如物理卡尺、光学相干、生物显微等方式实现，然而，动态目标微观形变测量却从目标特性、实时性、精度等方面提出了更高要求，简单的接触式测量或静态非接触式测量已不能满足实际需求，为了高效、准确、快速的实现动态目标微观形变测量，开发动态目标形变测量系统与方法势在必行。因此，基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统及测量方法，实现高速运动目标微尺寸测量，对诸如：高速磨损测试、高温形变测试、高压形态测试等至关重要。

传统的静态或低速目标形变测量，往往依靠物理接触或光学长焦、大景深、短曝光等方式实现，以尽可能消除远距离、抖动、运动带来的测量误差，例如北京信息科技大学的CN104215193A号专利“物面形变测量方法和测量系统”提出一种光学三维形貌测量方法，通过采集物面的三维形貌数据与激光散斑干涉形变数据，实现对一定曲率物面形变数据的精密测量和校正，但需要长时间对目标周视数据采集，难以实现实时测量；如北京航天控制仪器研究所的 CN108317965A号专利“一种具有光纤光栅的测量形变结构和方法”提出了一种单根光纤多点刻制光栅的方式实现单根光纤多点检测，实现诸如桥梁、飞机机翼等梁式结构形变测量，难以实现高速目标微形变测量。因此，提出基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统及测量方法，用于模拟目标的高速运动，同时通过调节扫描角度实现对目标尺寸的调节，为形变测量提供保障；在模拟形变过程中通过调节线阵CCD放置角度、采样频率、光圈口径等参数实现动态模拟目标轮廓尺寸测量；实现模拟动态目标尺寸测量后，固定光学系统结构与参数，实现速度匹配的高速运动目标微尺寸测量。

发明内容

本发明公开的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统及测量方法要解决的技术问题是：模拟高速运动目标形变过程，并在模拟或目标高速运动的条件下，实现对高速运动目标微形变尺寸的准确测量。本发明能应用于高速磨损量测试、高温形变量测试、高压形态测试等领域。

所述的高速运动目标是指目标运动速度为0.9马赫～1.1马赫。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统，包括菲涅尔匀光照明一级子系统、振镜扫描一级子系统、接收采集一级子系统、激光器、准直扩束模块、反射屏、激光测距仪、电源及高速运动目标。所述的菲涅尔匀光照明一级子系统用于对目标视场的均匀光照射。所述的振镜扫描一级子系统用于模拟高速运动目标及其尺寸形变过程，同时为高速实物目标测量提供光学系统结构与参数支持。所述的接收采集一级子系统用于对接收视场内高速运动目标激光照射强度的快速采集。激光器用于为系统提供光源。准直扩束模块用于二次扩大匀光视场，提供大视场照明。反射屏用于投影模拟出的高速运动目标轮廓图案，并反射目标轮廓光强。激光测距仪用于测量接收采集一级子系统与反射屏之间的距离，为测量光学系统提供物距。电源用于为振镜扫描一级子系统、接收采集一级子系统、激光器、激光测距仪提供能量。高速运动目标用于为系统标定及测量提供对象。

所述的菲涅尔匀光照明一级子系统包括显微透镜、光阑、非球面透镜、菲涅尔透镜、非球面准直镜。所述的菲涅尔匀光照明一级子系统采用显微透镜会聚激光器发射光束；在显微透镜焦点处放置光阑，用于滤除外界杂散光和高次谐波，提高光束照明质量；非球面透镜用于将光阑出射光线准直后平行入射至菲涅尔透镜；菲涅尔透镜用于将平行入射的光束均匀扩展，实现匀光照明；非球面准直镜用于将菲涅尔透镜扩展的均匀光准直后平行出射，为高速运动目标视场匀光照明提供支持。

所述的接收采集一级子系统包括滤光片、会聚透镜、视场光阑、线阵CCD 探测器、线阵探测器采集卡和计算机。所述的探测接收一级子系统将从目标反射回的光经过滤光片滤波，实现对杂散光的滤除，对特定波长强度的探测；会聚透镜用于对经滤光片的波束聚焦会聚；视场光阑放置于会聚透镜焦点处，用于限制经会聚透镜光束的视场，同时抑制背景光的干扰；线阵CCD探测器用于感应经视场光阑滤波后的光束强度；线阵探测器采集卡用于采集光束强度，同时实现与计算机的通讯；计算机用于光束强度-像素数的曲线绘制，以及高速目标轮廓像素数的提取，最终实现高速运动目标微尺寸形变量测量。

所述的振镜扫描一级子系统包括X轴振镜、X轴振镜电机、Y轴振镜、Y 轴振镜电机、电机驱动板、控制模块、ILDA接口板、电位器板、计算机。所述的振镜扫描一级子系统采用控制模块实现对振镜扫描一级子系统的整体控制，控制模块用于设置模拟扫描模式功能，所述的模拟扫描模式功能包括扫描模式、扫描图案、通讯设置、是否自定义扫描功能；电机驱动板用于驱动X轴振镜电机与Y轴振镜电机，实现X轴振镜与Y轴振镜按自定义的规律偏转；ILDA 接口板用于接收在控制模块处于非主机模式时与上位机通讯，实现自定义图案的生成与传输；电位器板用于对外部模拟高速目标图案大小的调节；计算机用于以编程和参数设置的方式自定义目标形状，并通过ILDA接口与控制模块通讯；X轴振镜与Y轴振镜用于反射激光束，实现X轴振镜与Y轴振镜在X轴振镜电机与Y轴振镜电机控制下按规律偏转后扫描出高速模拟目标轮廓。

所述的振镜扫描一级子系统优选如下方法模拟高速运动目标轮廓及高速运动目标形变过程，具体实现步骤如下：

高速运动目标为特殊形状目标或异型目标，控制模块中尚未提前存储其目标形态，所述的目标形态即外形轮廓，因此，需要设置控制模块的工作模式为非主机模式，在计算机中通过软件编程与参数设置的方式自定义目标形状，模拟出的高速运动目标轮廓在反射屏上的尺寸为：

L₀＝2L·tanα (1)

公式(1)中，L₀为目标尺寸，L为由激光测距仪测得的物距，α为振镜偏转角度。

振镜的参数指标通过参数手册查询，振镜在β偏转角下的扫描速度为V(单位为:Kpps)，则在时间为1s，物距L下，振镜偏模拟目标的运动速度为：

即模拟的目标运动速度为V₁m/s。

β已知，振镜扫描速度v通过振镜参数手册查询，因此，模拟目标速度取决于物距L，则，若要模拟的高速运动目标速度为V₁时，需要的物距L为：

因此，通过调节反射屏至接收采集一级子系统的距离即物距L，实现对高速模拟目标速度的调节。同时，为了在高速目标模拟的过程中实现模拟目标微形变，通过旋转电位器板上的旋钮实现手动目标尺寸调节，或通过上位机目标激光自定义软件实现对目标尺寸的自动调节。

所述激光自定义软件优选美国穿山甲Pangolin QuickShow软件。

基于所述的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统实现的基于扫描振镜的高速运动目标形变测量方法，包括如下步骤：

步骤一、通过菲涅尔匀光照明一级子系统提升激光束照明质量，为目标模拟或大视场匀光照明作支撑；通过振镜扫描一级子系统与接收采集一级子系统实现目标模拟与静态目标系统误差标定。

接收采集一级子系统对高速运动目标强度采集时，为了避免背景杂散光的干扰，以及匹配接收采集一级子系统中线阵CCD探测器对目标强度的采集，需要大视场匀光照明，同时为了测量高速运动目标形变，需要预先固定光学系统结构与参数，并标定系统误差。

步骤一具体实现步骤如下：

步骤1.1：高能激光束经菲涅尔匀光照明一级子系统匀光，提升激光束照明质量，为目标模拟或大视场匀光照明作支撑。

激光器出射激光束依次经过菲涅尔匀光照明一级子系统、振镜扫描一级子系统和准直扩束模块后形成大视场匀光照明。

步骤1.1具体实现方法如下：

步骤1.1.1：从激光器出射的激光束进入匀光照明系统中的显微透镜形成会聚激光束；再经过放置于显微透镜焦点处的光阑，滤除外界杂散光和高次谐波，提高光束照明质量；再经过非球面透镜准直后平行入射至菲涅尔透镜；经菲涅尔透镜对入射平行光束均匀扩展，实现匀光照明；再将菲涅尔透镜扩展的均匀光经非球面准直镜准直后平行出射，入射至振镜扫描一级子系统的X轴振镜、 Y轴振镜。

步骤1.1.2：振镜扫描一级子系统的X轴振镜、Y轴振镜在控制模块的控制下，按一定规律在X、Y方向偏转，X轴振镜、Y轴振镜偏转时将从菲涅尔匀光照明一级子系统非球面准直镜出射的平行光经X轴振镜反射至Y轴振镜，再从 Y轴振镜反射至准直扩束模块；准直扩束模块采用开普勒光学系统模式实现对振镜扫描一级子系统出射光束的二次准直与扩大，再以物距L投射至反射屏，为目标模拟或目标大视场匀光照明作支撑。

步骤1.2：在步骤1.1匀光照明视场内，通过振镜扫描一级子系统在反射屏上模拟出静态目标轮廓，通过接收采集一级子系统采集计算，实现静态目标系统误差标定。

将菲涅尔匀光照明一级子系统的出射光束入射至振镜扫描一级子系统的X 轴振镜、Y轴振镜，X轴振镜和Y轴振镜的偏转方式决定反射屏上模拟的目标图案，振镜偏转方式与控制模块的控制模式有关，偏转时可以设置控制模块为主机，调用控制模块中预先存储的图案模式偏转，也可以设置控制模块为非主机，在计算机中通过软件编程或激光自定义软件参数设置的方式通过ILDA接口板与控制模块通讯加载自定义目标轮廓，同时设置目标不移动，即可模拟出静态目标轮廓。

模拟出静态目标轮廓后，采用接收采集一级子系统探测目标反射光强度，得到光强-像素数曲线，具体方法如下：目标反射光束经滤光片滤波后入射至会聚透镜，在会聚透镜焦点处放置视场光阑滤除背景杂散光，将经视场光阑出射光束入射至线阵CCD探测器，通过线阵探测器采集卡实现对目标光强的探测。

在计算机中使用数学分析制图软件对采集到的光强-像素数曲线高斯滤波和低频滤波得到平滑曲线，取平滑曲线光强最大处的像素点为尺寸边界点。由于通过振镜扫描一级子系统模拟出的目标为空心边缘目标，通过接收采集一级子系统采集到的每幅强度-像素数曲线具有两个类高斯曲线，因此取两个类高斯曲线的最高点处的像素数之差为目标尺寸在线阵CCD上所占的像素数，计算目标像方大小为：

L₁＝P*D (4)

公式(4)中，L₁为目标轮廓像方大小，P为目标轮廓所占线阵CCD探测器像素数， D为线阵CCD探测器的像元尺寸，所述D根据线阵CCD参数手册查询。

根据理想光学系统物像关系式：

公式(5)中，l′为像方主点到像平面的距离，l为物方主点到物体的距离，f′为光学系统的焦距。当l、f′已知时，可以求得l′。根据物像位置公式：

l′＝f′+x′ (7)

公式(6)中-y′为像大小，所述像大小-y′为L₁，

为物大小，x′为焦像距，即为像方焦点到像平面的距离。

在进行测量之前，光学系统的焦距f′通过镜头参数手册查询；l为物方主点到物体的距离，即物距L，为光学系统镜头主点到反射屏的距离，由激光测距仪测得；由公式(5)求得l′，将求得的l′代入公式(7)，可以得到x′＝l′-f′；将x′代入公式(6)，求得在该光学系统下测得的目标尺寸

将测得的目标尺寸

与目标实际尺寸y比较，得到静态目标系统误差△L为：

步骤二、采用振镜扫描一级子系统在反射屏上模拟高速运动目标以及高速微形变运动目标；通过接收采集一级子系统采集反射光束强度，结合步骤一得到的系统标定误差，计算动态模拟高速运动目标轮廓尺寸，得到并固定动态高速目标测量时的光学系统结构与参数。

步骤2.1：通过振镜扫描一级子系统，在反射屏上模拟出高速运动目标以及高速微形变运动目标。

将激光束匀光扩束后的光束入射至振镜扫描一级子系统，通过振镜扫描一级子系统中X轴振镜、Y轴振镜的偏转实现光束扫描，其中X轴振镜、Y轴振镜的偏转方式取决于控制模块，从控制模块中直接调用预先存储的目标图案，也可以通过计算机编程或在激光自定义软件中设置参数的方式自定义目标轮廓，再通过ILDA接口板与控制模块通讯控制X轴振镜、Y轴振镜的偏转方式扫描出自定义目标轮廓；同时将扫描出的自定义目标轮廓投射至反射屏的视场左侧边缘处，再设置扫描图案由左向右移动，模拟出高速运动目标，公式(1)、(2)、 (3)已建立需模拟的速度V₁和物距L之间的关系，当调节物距L，基于公式(1)、 (2)、(3)既能够计算需模拟的速度V₁。

模拟出高速运动目标后，通过旋转电位器板上的电位器旋钮，实现高速运动目标在反射屏上由左向右移动时其尺寸发生微改变，或通过在计算机上自定义微形变的方式实现高速目标运动时轮廓尺寸微改变，以此来模拟出高速微形变运动目标。

步骤2.2：通过接收采集一级子系统采集高速运动目标轮廓强度-像素曲线，提取轮廓尺寸像素数，结合步骤一的系统标定误差计算高速运动目标轮廓实际测量尺寸，得到并固定动态高速目标测量时的光学系统结构与参数。

通过接收采集一级子系统中的线阵CCD探测器，采集模拟高速运动目标外形轮廓的强度反射值，同时调节视场光阑口径抑制背景杂散光、调节积分时间采集弱反射信号光强，通过线阵探测器采集卡实现与计算机的数据通讯，采集时需要满足奈奎斯特采样定理，即：

f_s≥2f_max (9)

公式(9)中f_s为采样频率，f_max为模拟信号频谱中的最高频率。对目标轮廓反射光强数据采样后，在数学分析绘图软件中绘制出光强-像素数曲线，再对曲线进行高斯滤波或低频滤波处理得到类高斯状的平滑曲线，取同一幅图像中两个类高斯曲线强度最大值处的像素数之差为目标轮廓尺寸像素数，通过公式(4)、(5)、 (6)、(7)即得到高速运动目标轮廓测量尺寸

再加上步骤一中的系统标定误差△L，根据公式(8)得到高速运动目标实际测量尺寸：

通过上述过程测得速度为V₁时的高速运动目标实际测量尺寸y′后，固定该光学系统结构不发生变化；同时记录采样频率、视场光阑口径、积分时间接收采集一级子系统参数，为实物高速运动目标形变量测量提供支撑。

步骤三、基于步骤二得到的光学系统结构，采用菲涅尔匀光照明一级子系统、振镜扫描一级子系统与准直扩束模块匀光照射目标视场；微调光学系统参数，实现高速实物运动目标形变量测量。

步骤3.1：基于步骤二得到的光学系统结构，采用菲涅尔匀光照明一级子系统、振镜扫描一级子系统与准直扩束模块匀光照射目标视场。

固定步骤二中模拟高速运动目标光学系统结构，使得激光器出射光束经菲涅尔匀光照明一级子系统匀光扩束；再经振镜扫描一级子系统，此时振镜扫描一级子系统中的X轴振镜和Y轴振镜不发生偏转，即只是反射来自菲涅尔匀光照明一级子系统的均匀扩大光束；再经准直扩束模块实现对目标的大视场均匀光照射。

步骤3.2：微调光学系统参数，通过接收采集一级子系统采集目标强度-像素曲线，提取高速运动目标像素数，结合系统标定误差△L，实现高速实物运动目标形变量测量。

当高速实物运动目标以大约V₁的速度运行至均匀光照射视场时，微调步骤二中的接收采集一级子系统参数，实现对均匀光照射下目标反射光强的探测，同时通过线阵探测器采集卡将采集数据传输至计算机，在计算机中利用数学分析绘图软件绘制目标强度-像素数曲线，采集过程同步骤2.2；采用激光测距仪测量物距L，利用公式(4)、(5)、(6)、(7)得到高速运动目标轮廓测量尺寸

再利用系统标定误差△L，根据公式(10)得到高速运动目标实际测量尺寸y′_t，y′_t为不同时刻测量到的目标实测测量尺寸。

当高速目标运动时，能够在时间上连续采集目标强度值，得到多幅高速运动目标强度-像素数曲线，提取像素数后通过计算得到y′_t，则高速运动目标在时间上的形变量为：

△L′＝y′_t-y′_t+1，(t＝1,2,3,…,n) (11)

至此，测量得到高速实物运动目标形变量，实现对高速运动目标微形变尺寸的准确测量。

本发明的系统及方法的应用领域包括高速磨损量测试、高温形变量测试、高压形态测试领域。

所述数学分析制图软件优选MATLAB。

有益效果：

1、本发明专利公开的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统及测量方法，采用菲涅尔匀光照明一级子系统、振镜扫描一级子系统、准直扩束模块协同工作进行激光束的匀光扩束与二次放大，实现对高速运动目标的大视场匀光照明。

2、本发明专利公开的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统及测量方法，以振镜扫描的方式模拟高速运动目标及其形变过程，可自定义模拟目标形态，通过调节光学系统物距、振镜偏转角、振镜扫描频率模拟高速运动目标速度；通过设置接收采集一级子系统的采样频率、视场光阑口径、积分时间等实现模拟目标轮廓尺寸测量，同时固定光学系统结构与参数，为高速实物运动目标形变测量提供支撑。

3、本发明专利公开的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统及测量方法，采用高频线阵CCD探测器采集目标轮廓强度值，结合目标尺寸像素数提取算法测量高速运动目标轮廓尺寸及其尺寸形变量，避免面阵探测器对目标轮廓外冗余信息的采集，减少计算量，能够实现高速运动目标形变量在线测量。

4、本发明专利公开的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统及测量方法，能够应用于高速磨损量测试、高温形变量测试、高压形态测试等领域。

附图说明

图1为本发明的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统原理图；

图2为本发明的高速运动目标轮廓尺寸及形变量测量示意图；

图3为本发明的振镜扫描的高速运动目标形变模拟、测量流程图；

图4为本发明的线阵CCD采集目标尺寸计算像素数示意图；

图5为本发明的尺寸像素数提取流程图；

图6为本发明的模拟并测量高速运动目标形变流程图；

图7为本发明的高速实物运动目标形变测量流程图；

其中：1-激光器、2-菲涅尔匀光照明一级子系统、2.1-显微透镜、2.2- 光阑、2.3-非球面透镜、2.4-菲涅尔透镜、2.5-非球面准直镜、3-振镜扫描一级子系统、3.1-X轴振镜、3.2-X轴振镜电机、3.3-Y轴振镜、3.4-Y轴振镜电机、3.5-电机驱动板、3.6-电位器板、3.7-控制模块、3.8-ILDA接口板、 4-准直扩束模块、4.1-目镜、4.2-物镜、5-高速运动目标、6-反射屏、7- 激光测距仪、8-电源、9-接收采集一级子系统、9.1-滤光片、9.2-汇聚透镜、 9.3-视场光阑、9.4-线阵CCD探测器、9.5-线阵探测器采集卡、9.6-计算机。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

以高速动能弹为例，如图1所示，本实施例公开的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统包括包括菲涅尔匀光照明一级子系统2、振镜扫描一级子系统3、接收采集一级子系统9、激光器1、准直扩束模块4、反射屏6、激光测距仪7、电源8及高速运动目标5。所述的菲涅尔匀光照明一级子系统2用于对目标视场的均匀光照射。所述的振镜扫描一级子系统3用于模拟高速运动目标5 及其尺寸形变过程，同时为高速实物目标测量提供光学系统结构与参数支持。所述的接收采集一级子系统9用于对接收视场内高速运动目标5激光照射强度的快速采集。激光器1用于为系统提供光源。准直扩束模块4用于二次扩大匀光视场，提供大视场照明。反射屏6用于投影模拟出的高速运动目标5轮廓图案，并反射目标轮廓光强。激光测距仪7用于测量接收采集一级子系统9与反射屏6之间的距离，为测量光学系统提供物距。电源8用于为振镜扫描一级子系统3、接收采集一级子系统9、激光器激光测距仪7提供能量。高速运动目标 5用于为系统标定及测量提供对象。

所述的菲涅尔匀光照明一级子系统2包括显微透镜2.1、光阑2.2、非球面透镜2.3、菲涅尔透镜2.4、非球面准直镜2.5。所述的菲涅尔匀光照明一级子系统2采用显微透镜2.1会聚激光器发射光束；在显微透镜2.1焦点处放置光阑2.2，用于滤除外界杂散光和高次谐波，提高光束照明质量；非球面透镜2.3用于将光阑2.2出射光线准直后平行入射至菲涅尔透镜2.4；菲涅尔透镜2.4用于将平行入射的光束均匀扩展，实现匀光照明；非球面准直镜2.5用于将菲涅尔透镜2.4 扩展的均匀光准直后平行出射，为高速运动目标5视场匀光照明提供支持。

所述的接收采集一级子系统9包括滤光片9.1、会聚透镜9.2、视场光阑9.3、线阵CCD探测器9.4、线阵探测器采集卡9.5和计算机9.6。所述的探测接收一级子系统9将从目标反射回的光经过滤光片9.1滤波，实现对杂散光的滤除，对特定波长强度的探测；会聚透镜9.2用于对经滤光片9.1的波束聚焦会聚；视场光阑9.3放置于会聚透镜9.2焦点处，用于限制经会聚透镜9.2光束的视场，同时抑制背景光的干扰；线阵CCD探测器9.4用于感应经视场光阑滤波后的光束强度；线阵探测器采集卡9.5用于采集光束强度，同时实现与计算机9.6的通讯；计算机9.6用于光束强度-像素数的曲线绘制，以及高速目标轮廓像素数的提取，最终实现高速运动目标5微尺寸形变量测量。

所述的振镜扫描一级子系统3包括X轴振镜3.1、X轴振镜电机3.2、Y轴振镜3.3、Y轴振镜电机3.4、电机驱动板3.5(优选DQ30驱动板)、控制模块 3.7(优选SD模块)、ILDA接口板3.8、电位器板3.6、计算机9.6。所述的振镜扫描一级子系统3采用控制模块3.7实现对扫描系统的整体控制，控制模块3.7 用于设置扫描模式、扫描图案、通讯设置、是否自定义扫描等功能；电机驱动板3.5用于驱动X轴振镜电机3.2与Y轴振镜电机3.4，实现X轴振镜3.1与Y轴振镜3.3按一定规律偏转；ILDA接口板3.8用于接收在控制模块3.7处于非主机模式时与上位机通讯，实现自定义图案的生成与传输；电位器板3.6用于对外部模拟高速目标图案大小的调节；计算机9.6用于以编程和参数设置的方式自定义目标形状，并通过ILDA接口3.8与控制模块3.7通讯；X轴振镜3.1与Y轴振镜3.3用于反射激光束，实现X轴振镜3.1与Y轴振镜3.3在X轴振镜电机 3.2与Y轴振镜电机3.4控制下按规律偏转后扫描出高速模拟目标轮廓。

所述的振镜扫描一级子系统3优选如下方法模拟高速运动目标5轮廓及高速运动目标5形变过程，具体实现步骤如下：

如图2所示，模拟的高速运动目标5为特殊形状目标或异型目标，如弹体形状，而控制模块3.7中尚未提前存储其目标形态(即外形轮廓)，因此，需要设置控制模块3.7的工作模式为非主机模式，在计算机9.6中通过软件编程与参数设置的方式自定义目标形状(上位机软件优选美国穿山甲Pangolin QuickShow 软件)，模拟出的高速运动目标5轮廓在反射屏上的尺寸为：

L₀＝2L·tanα (12)

公式(1)中，L₀为目标尺寸，L为由激光测距仪7测得的物距，α为振镜偏转角度。

振镜的参数指标一般在参数手册中可以查询，振镜在β偏转角下的扫描速度为V(单位为:Kpps)，则在时间为1s，物距L下，振镜偏模拟目标的运动速度为：

即可模拟的目标运动速度为V₁m/s。

实际中，一般β已知，振镜扫描速度v可查询振镜参数手册，因此，模拟目标速度取决于物距L，则，若要模拟的高速运动目标速度为V₁时，需要的物距L为：

因此，通过调节反射屏6至接收采集一级子系统9的距离即物距L，实现对高速模拟目标5速度的调节。同时，为了在高速目标模拟的过程中实现模拟目标微形变，可以通过旋转电位器板3.6上的旋钮实现手动目标尺寸调节，或通过上位机目标激光自定义软件实现对目标尺寸的自动调节。

基于所述的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统实现的基于扫描振镜的高速运动目标形变测量方法，包括如下步骤：

如图3所示，振镜扫描的高速运动目标形变模拟、测量过程分为3部分，即：静态目标系统误差标定、动态目标尺寸测量和高速运动目标形变测量。

步骤一、通过菲涅尔匀光照明一级子系统2提升激光束照明质量，为目标模拟或大视场匀光照明作支撑；通过振镜扫描一级子系统3与接收采集一级子系统9实现目标模拟与静态目标系统误差标定。

接收采集一级子系统9对高速运动目标5强度采集时，为了避免背景杂散光的干扰，以及匹配接收采集一级子系统9中线阵CCD探测器9.4对目标强度的采集，需要大视场匀光照明，同时为了测量高速运动目标形变，需要预先固定光学系统结构与参数，并标定系统误差，如图3所示的第一部分为静态目标系统误差，具体如下：

步骤1.1：高能激光束经菲涅尔匀光照明一级子系统2匀光，提升激光束照明质量，为目标模拟或大视场匀光照明作支撑。

激光器1出射激光束依次经过菲涅尔匀光照明一级子系统2、振镜扫描一级子系统3和准直扩束模块4后形成大视场匀光照明。具体过程如下：从激光器1 出射的激光束进入匀光照明系统中的显微透镜2.1形成会聚激光束；再经过放置于显微透镜焦点处的光阑2.2，滤除外界杂散光和高次谐波，提高光束照明质量；再经过非球面透镜2.3准直后平行入射至菲涅尔透镜2.4；经菲涅尔透镜2.4对入射平行光束均匀扩展，实现匀光照明；再将菲涅尔透镜2.4扩展的均匀光经非球面准直镜2.5准直后平行出射，入射至振镜扫描一级子系统的X轴振镜3.1、 Y轴振镜3.3。

振镜扫描一级子系统3的X轴振镜3.1、Y轴振镜3.3在控制模块3.7的控制下，按一定规律在X、Y方向偏转，X轴振镜3.1、Y轴振镜3.3偏转时将从菲涅尔匀光照明一级子系统非球面准直镜3.5出射的平行光经X轴振镜3.1反射至Y轴振镜3.3，再从Y轴振镜3.3反射至准直扩束模块4；准直扩束模块采用开普勒光学系统模式实现对振镜扫描一级子系统3出射光束的二次准直与扩大，再以物距L投射至反射屏6，为目标模拟或目标大视场匀光照明作支撑。

步骤1.2：在步骤1.1匀光照明视场内，通过振镜扫描一级子系统3在反射屏6上模拟出静态目标轮廓，通过接收采集一级子系统采集计算，实现静态目标系统误差标定。

将菲涅尔匀光照明一级子系统2的出射光束入射至振镜扫描一级子系统3 的X轴振镜3.1、Y轴振镜3.3，X轴振镜3.1和Y轴振镜3.3的偏转方式决定反射屏6上模拟的目标5图案，振镜偏转方式与控制模块3.7的控制模式有关，偏转时可以设置控制模块3.7为主机，调用控制模块3.7中预先存储的图案模式偏转，也可以设置控制模块3.7为非主机，在计算机9.6中通过软件编程或穿山甲 Pangolin QuickShow软件参数设置的方式通过ILDA接口板3.8与控制模块3.7 通讯加载自定义目标轮廓，同时设置目标不移动，即可模拟出静态目标轮廓。

模拟出静态目标轮廓后，采用接收采集一级子系统9探测目标反射光强度，得到光强-像素数曲线。具体过程如下：目标反射光束经滤光片9.1滤波后入射至会聚透镜9.2，在汇聚透镜9.2焦点处放置视场光阑9.3滤除背景杂散光，将经视场光阑9.3出射光束入射至线阵CCD探测器9.4，通过线阵探测器采集卡 9.5实现对目标光强的探测。

在计算机9.6中使用MATLAB对采集到的光强-像素数曲线高斯滤波和低频滤波得到平滑曲线，取平滑曲线光强最大处的像素点为尺寸边界点(CCD采集到的目标图案可能出现类矩形图案或类高斯曲线，若出现类高斯曲线，则取曲线光强最大处的像素点为尺寸边界点；若出现类矩形图案，是由于光强值太大出现消顶现象形成近乎二值矩形图，则取矩形图案的中间点为边界点)，如图 4所示，A、B为振镜扫描一级子系统3模拟出的目标边界点。由于通过振镜扫描一级子系统3模拟出的目标为空心边缘目标，通过接收采集一级子系统采集到的每幅强度-像素数曲线具有两个类高斯曲线，因此取两个类高斯曲线的最高点处的像素数之差为目标尺寸在线阵CCD上所占的像素数，如图4中A、B 点所对应的横坐标P₁、P₂点像素值之差为目标尺寸在线阵CCD上所占的像素数，尺寸像素数提取的具体流程图如图5所示，可以计算目标像方大小为：

L₁＝P*D (15)

公式(4)中，L₁为目标轮廓像方大小，P为目标轮廓所占线阵CCD探测器像素数， D为线阵CCD探测器的像元尺寸(D可根据线阵CCD参数手册查询，默认像元之间无间隔，即填充因子为1)。

根据理想光学系统物像关系式：

公式(5)中，l′为像方主点到像平面的距离，l为物方主点到物体的距离，f′为光学系统的焦距。当l、f′已知时，可以求得l′。根据物像位置公式：

l′＝f′+x′ (18)

公式(6)中-y′为像大小(即为L₁)，

为物大小，x′为焦像距(即为像方焦点到像平面的距离)。

在进行测量之前，光学系统的焦距f′可查询镜头参数手册；l为物方主点到物体的距离，即物距L，为光学系统镜头主点到反射屏的距离，可由激光测距仪测得；由公式(5)可以求得l′，将求得的l′代入公式(7)，可以得到x′＝l′-f′；将x′代入公式(6)，可以求得在该光学系统下测得的目标尺寸

将测得的目标尺寸

与目标实际尺寸y比较，得到静态目标系统误差△L为：

步骤二、采用振镜扫描一级子系统3在反射屏6上模拟高速运动目标5以及高速微形变运动目标；通过接收采集一级子系统9采集反射光束强度，结合步骤一得到的系统标定误差△L，计算动态模拟高速运动目标轮廓尺寸，得到并固定动态高速目标测量时的光学系统结构与参数。

如图3所示的第二部分为动态模拟目标尺寸测量部分。

步骤2.1：通过振镜扫描一级子系统3，在反射屏6上模拟出高速运动目标 5以及高速微形变运动目标。

将激光束匀光扩束后的光束入射至振镜扫描一级子系统3，通过振镜扫描一级子系统3中X轴振镜3.1、Y轴振镜3.3的偏转实现光束扫描，其中X轴振镜 3.1、Y轴振镜3.3的偏转方式取决于控制模块3.7，可以从控制模块3.7中直接调用预先存储的目标图案，也可以通过计算机9.6编程或在穿山甲Pangolin QuickShow软件中设置参数的方式自定义目标轮廓，再通过ILDA接口板3.8与控制模块3.7通讯控制X轴振镜3.1、Y轴振镜3.3的偏转方式扫描出自定义目标轮廓；同时可将扫描出的自定义目标轮廓投射至反射屏6的视场左侧边缘处，再设置扫描图案由左向右移动，模拟出高速运动目标5，具体可模拟的速度V₁可以通过调节物距L，通过公式(1)、(2)、(3)计算得到，具体过程如图6所示。

模拟出高速运动目标5后，通过旋转电位器板3.6上的电位器旋钮，实现高速运动目标5在反射屏上由左向右移动时其尺寸发生微改变，也可以通过在计算机9.6上自定义微形变的方式实现高速目标运动时轮廓尺寸微改变，以此来模拟出高速微形变运动目标。

步骤2.2：通过接收采集一级子系统9采集高速运动目标轮廓强度-像素曲线，提取轮廓尺寸像素数，结合步骤一的系统标定误差△L计算高速运动目标轮廓实际测量尺寸，得到并固定动态高速目标测量时的光学系统结构与参数。

通过接收采集一级子系统9中的线阵CCD探测器9.4，采集模拟高速运动目标5外形轮廓的强度反射值，同时调节视场光阑9.3口径抑制背景杂散光、调节积分时间采集弱反射信号光强，通过线阵探测器采集卡9.5实现与计算机9.6 的数据通讯，采集时需要满足奈奎斯特采样定理，即：

f_s≥2f_max (20)

公式(9)中f_s为采样频率，f_max为模拟信号频谱中的最高频率。对目标轮廓反射光强数据采样后，在MATLAB中可以绘制出光强-像素数曲线，再对曲线进行高斯滤波或低频滤波处理得到类高斯状的平滑曲线，取同一幅图像中两个类高斯曲线强度最大值处的像素数之差为目标轮廓尺寸像素数，具体流程如图5所示，通过公式(4)、(5)、(6)、(7)即可得到高速运动目标轮廓测量尺寸

再加上系统标定误差，根据公式(8)得到高速运动目标实际测量尺寸：

通过上述过程测得速度为V₁时的高速运动目标实际测量尺寸y′后，固定该光学系统结构不发生变化；同时记录采样频率、视场光阑口径、积分时间等接收采集一级子系统参数，为实物高速运动目标5形变量测量提供支撑。

步骤三、基于步骤二得到的光学系统结构，采用菲涅尔匀光照明一级子系统2、振镜扫描一级子系统3与准直扩束模块4匀光照射目标视场；微调光学系统参数，实现高速实物运动目标5形变量测量。

如图3所示的第三部分为高速运动目标形变测量部分。

步骤3.1：基于步骤二得到的光学系统结构，采用菲涅尔匀光照明一级子系统2、振镜扫描一级子系统3与准直扩束模块4匀光照射目标视场。

固定步骤二中模拟高速运动目标光学系统结构，使得激光器1出射光束经菲涅尔匀光照明一级子系统2匀光扩束；再经振镜扫描一级子系统3，此时振镜扫描一级子系统中的X轴振镜3.1和Y轴振镜3.3不发生偏转，即只是反射来自菲涅尔匀光照明一级子系统2的均匀扩大光束；再经准直扩束模块4实现对目标的大视场均匀光照射。

步骤3.2：微调光学系统参数，通过接收采集一级子系统9采集目标强度- 像素曲线，提取高速运动目标像素数，结合系统标定误差，实现高速实物运动目标5形变量测量。

当高速实物运动目标5以大约V₁的速度运行至均匀光照射视场时，微调步骤二中的接收采集一级子系统9参数，实现对均匀光照射下目标反射光强的探测，同时通过线阵探测器采集卡9.5将采集数据传输至计算机9.6，在计算机9.6 中利用MATLAB绘制目标强度-像素数曲线，采集过程同步骤2.2；采用激光测距仪7测量物距L，利用公式(4)、(5)、(6)、(7)得到高速运动目标5轮廓测量尺寸

再利用系统标定误差△L，根据公式(10)得到高速运动目标实际测量尺寸 y′_t，y′_t为不同时刻测量到的目标实测测量尺寸，具体过程如图7所示。

当高速目标运动时，可以在时间上连续采集目标强度值，得到多幅高速运动目标强度-像素数曲线，提取像素数后通过计算得到y′_t，则高速运动目标在时间上的形变量为：

△L′＝y′_t-y′_t+1，(t＝1,2,3,…,n) (22)

综上所述，通过步骤一、二、三即可通过测量得到高速实物运动目标形变量。

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 (10)

1.基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统，其特征在于：包括菲涅尔匀光照明一级子系统(2)、振镜扫描一级子系统(3)、接收采集一级子系统(9)、激光器(1)、准直扩束模块(4)、反射屏(6)、激光测距仪(7)、电源(8)及高速运动目标(5)；所述的菲涅尔匀光照明一级子系统(2)用于对目标视场的均匀光照射；所述的振镜扫描一级子系统(3)用于模拟高速运动目标及其尺寸形变过程，同时为高速实物目标测量提供光学系统结构与参数支持；所述的接收采集一级子系统(9)用于对接收视场内高速运动目标激光照射强度的快速采集；激光器(1)用于为系统提供光源；准直扩束模块(4)用于二次扩大匀光视场，提供大视场照明；反射屏(6)用于投影模拟出的高速运动目标轮廓图案，并反射目标轮廓光强；激光测距仪(7)用于测量接收采集一级子系统与反射屏之间的距离，为测量光学系统提供物距；电源(8)用于为振镜扫描一级子系统(3)、接收采集一级子系统(9)、激光器(1)、激光测距仪(7)提供能量；高速运动目标(5)用于为系统标定及测量提供对象。

2.如权利要求1所述的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统，其特征在于：所述的菲涅尔匀光照明一级子系统(2)包括显微透镜(2.1)、光阑(2.2)、非球面透镜(2.3)、菲涅尔透镜(2.4)、非球面准直镜(2.5)；所述的菲涅尔匀光照明一级子系统(2)采用显微透镜(2.1)会聚激光器发射光束；在显微透镜(2.1)焦点处放置光阑(2.2)，用于滤除外界杂散光和高次谐波，提高光束照明质量；非球面透镜(2.3)用于将光阑(2.2)出射光线准直后平行入射至菲涅尔透镜(2.4)；菲涅尔透镜(2.4)用于将平行入射的光束均匀扩展，实现匀光照明；非球面准直镜(2.5)用于将菲涅尔透镜(2.4)扩展的均匀光准直后平行出射，为高速运动目标(5)视场匀光照明提供支持。

3.如权利要求1所述的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统，其特征在于：所述的接收采集一级子系统(9)包括滤光片(9.1)、会聚透镜(9.2)、视场光阑(9.3)、线阵CCD探测器(9.4)、线阵探测器采集卡(9.5)和计算机(9.6)；所述的接收采集一级子系统(9)将从目标反射回的光经过滤光片(9.1)滤波，实现对杂散光的滤除，对特定波长强度的探测；会聚透镜(9.2)用于对经滤光片的波束聚焦会聚；视场光阑(9.3)放置于会聚透镜(9.2)焦点处，用于限制经会聚透镜(9.2)光束的视场，同时抑制背景光的干扰；线阵CCD探测器(9.4)用于感应经视场光阑(9.3)滤波后的光束强度；线阵探测器采集卡(9.5)用于采集光束强度，同时实现与计算机(9.6)的通讯；计算机(9.6)用于光束强度—像素数的曲线绘制，以及高速目标轮廓像素数的提取，最终实现高速运动目标(5)微尺寸形变量测量。

4.如权利要求1所述的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统，其特征在于：所述的振镜扫描一级子系统(3)包括X轴振镜(3.1)、X轴振镜电机(3.2)、Y轴振镜(3.3)、Y轴振镜电机(3.4)、电机驱动板(3.5)、控制模块(3.7)、ILDA接口板(3.8)、电位器板(3.6)、计算机(9.6)；所述的振镜扫描一级子系统(3)采用控制模块(3.7)实现对振镜扫描一级子系统(3)的整体控制，控制模块(3.7)用于设置模拟扫描模式功能，所述的模拟扫描模式功能包括扫描模式、扫描图案、通讯设置、是否自定义扫描功能；电机驱动板(3.5)用于驱动X轴振镜电机(3.2)与Y轴振镜电机(3.4)，实现X轴振镜(3.1)与Y轴振镜(3.3)按自定义的规律偏转；ILDA接口板(3.8)用于接收在控制模块(3.7)处于非主机模式时与上位机通讯，实现自定义图案的生成与传输；电位器板(3.6)用于对外部模拟高速运动目标(5)图案大小的调节；计算机(9.6)用于以编程和参数设置的方式自定义目标形状，并通过ILDA接口与控制模块(3.7)通讯；X轴振镜(3.1)与Y轴振镜(3.3)用于反射激光束，实现X轴振镜(3.1)与Y轴振镜(3.3)在X轴振镜电机(3.2)与Y轴振镜电机(3.4)控制下按规律偏转后扫描出高速模拟目标轮廓。

5.如权利要求4所述的基于扫描振镜的高速运动目标形变模拟系统，其特征在于：所述的振镜扫描一级子系统(3)选如下方法模拟高速运动目标(5)轮廓及高速运动目标(5)形变过程，具体实现步骤如下，

高速运动目标(5)为特殊形状目标或异型目标，控制模块(3.7)中尚未提前存储其目标形态，所述的目标形态即外形轮廓，因此，需要设置控制模块(3.7)的工作模式为非主机模式，在计算机(9.6)中通过软件编程与参数设置的方式自定义目标形状，模拟出的高速运动目标(5)轮廓在反射屏上的尺寸为：

L₀＝2L·tanα (1)

公式(1)中，L₀为目标尺寸，L为由激光测距仪测得的物距，α为振镜偏转角度；

振镜的参数指标通过参数手册查询，振镜在β偏转角下的扫描速度为V(单位为:Kpps)，则在时间为1s，物距L下，振镜偏模拟目标的运动速度为：

即模拟的目标运动速度为V₁m/s；

β已知，振镜扫描速度v通过振镜参数手册查询，因此，模拟目标速度取决于物距L，则，若要模拟的高速运动目标速度为V₁时，需要的物距L为：

因此，通过调节反射屏至接收采集一级子系统的距离即物距L，实现对高速运动目标(5)速度的调节；同时，为了在高速目标模拟的过程中实现模拟目标微形变，通过旋转电位器板(3.6)上的旋钮实现手动目标尺寸调节，或通过上位机目标激光自定义软件实现对目标尺寸的自动调节。

6.基于如权利要求1、2、3、4或5所述的系统实现的基于扫描振镜的高速运动目标形变测量方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一、通过菲涅尔匀光照明一级子系统(2)提升激光束照明质量，为目标模拟或大视场匀光照明作支撑；通过振镜扫描一级子系统(3)与接收采集一级子系统(9)实现目标模拟与静态目标系统误差标定；

接收采集一级子系统(9)对高速运动目标(5)强度采集时，为了避免背景杂散光的干扰，以及匹配接收采集一级子系统(9)中线阵CCD探测器(9.5)对目标强度的采集，需要大视场匀光照明，同时为了测量高速运动目标(5)形变，需要预先固定光学系统结构与参数，并标定系统误差；

步骤二、采用振镜扫描一级子系统(3)在反射屏上模拟高速运动目标(5)以及高速微形变运动目标；通过接收采集一级子系统(9)采集反射光束强度，结合步骤一得到的系统标定误差，计算动态模拟高速运动目标轮廓尺寸，得到并固定动态高速目标测量时的光学系统结构与参数；

步骤三、基于步骤二得到的光学系统结构，采用菲涅尔匀光照明一级子系统(2)、振镜扫描一级子系统(3)与准直扩束模块(4)匀光照射目标视场；微调光学系统参数，实现高速运动目标(5)形变量测量。

7.如权利要求6所述的基于扫描振镜的高速运动目标形变测量方法，其特征在于：步骤一具体实现方法为，

步骤1.1：高能激光束经菲涅尔匀光照明一级子系统(2)匀光，提升激光束照明质量，为目标模拟或大视场匀光照明作支撑；

激光器(1)出射激光束依次经过菲涅尔匀光照明一级子系统(2)、振镜扫描一级子系统(3)和准直扩束模块(4)后形成大视场匀光照明；

步骤1.1具体实现方法如下：

步骤1.1.1：从激光器(1)出射的激光束进入匀光照明系统中的显微透镜(2.1)形成会聚激光束；再经过放置于显微透镜焦点处的光阑(2.2)，滤除外界杂散光和高次谐波，提高光束照明质量；再经过非球面透镜(2.3)准直后平行入射至菲涅尔透镜(2.4)；经菲涅尔透镜(2.4)对入射平行光束均匀扩展，实现匀光照明；再将菲涅尔透镜(2.4)扩展的均匀光经非球面准直镜(2.5)准直后平行出射，入射至振镜扫描一级子系统(3)的X轴振镜(3.1)、Y轴振镜(3.3)；

步骤1.1.2：振镜扫描一级子系统(3)的X轴振镜(3.1)、Y轴振镜(3.3)在控制模块(3.7)的控制下，按一定规律在X、Y方向偏转，X轴振镜(3.1)、Y轴振镜(3.3)偏转时将从菲涅尔匀光照明一级子系统非球面准直镜(2.5)出射的平行光经X轴振镜(3.1)反射至Y轴振镜(3.3)，再从Y轴振镜(3.3)反射至准直扩束模块(4)；准直扩束模块(4)采用开普勒光学系统模式实现对振镜扫描一级子系统(3)出射光束的二次准直与扩大，再以物距L投射至反射屏，为目标模拟或目标大视场匀光照明作支撑；

步骤1.2：在步骤1.1匀光照明视场内，通过振镜扫描一级子系统(3)在反射屏(6)上模拟出静态目标轮廓，通过接收采集一级子系统(9)采集计算，实现静态目标系统误差标定；

将菲涅尔匀光照明一级子系统(2)的出射光束入射至振镜扫描一级子系统的X轴振镜(3.1)、Y轴振镜(3.3)，X轴振镜(3.1)和Y轴振镜(3.3)的偏转方式决定反射屏上(6)模拟的目标图案，振镜偏转方式与控制模块的控制模式有关，偏转时可以设置控制模块(3.7)为主机，调用控制模块(3.7)中预先存储的图案模式偏转，也可以设置控制模块(3.7)为非主机，在计算机(9.6)中通过软件编程或激光自定义软件参数设置的方式通过ILDA接口板(3.8)与控制模块(3.7)通讯加载自定义目标轮廓，同时设置目标不移动，即可模拟出静态目标轮廓；

模拟出静态目标轮廓后，采用接收采集一级子系统(9)探测目标反射光强度，得到光强—像素数曲线，具体方法如下：目标反射光束经滤光片(9.1)滤波后入射至会聚透镜(9.2)，在会聚透镜(9.2)焦点处放置视场光阑(9.3)滤除背景杂散光，将经视场光阑(9.2)出射光束入射至线阵CCD探测器(9.4)，通过线阵探测器采集卡(9.5)实现对目标光强的探测；

在计算机(9.6)中使用数学分析制图软件对采集到的光强—像素数曲线高斯滤波和低频滤波得到平滑曲线，取平滑曲线光强最大处的像素点为尺寸边界点；由于通过振镜扫描一级子系统(3)模拟出的目标为空心边缘目标，通过接收采集一级子系统(9)采集到的每幅强度—像素数曲线具有两个类高斯曲线，因此取两个类高斯曲线的最高点处的像素数之差为目标尺寸在线阵CCD上所占的像素数，计算目标像方大小为：

L₁＝P*D (4)

公式(4)中，L₁为目标轮廓像方大小，P为目标轮廓所占线阵CCD探测器像素数，

D为线阵CCD探测器的像元尺寸，所述D根据线阵CCD参数手册查询；

根据理想光学系统物像关系式：

公式(5)中，l′为像方主点到像平面的距离，l为物方主点到物体的距离，f′为光学系统的焦距；当l、f′已知时，可以求得l′；根据物像位置公式：

l′＝f′+x′ (7)

公式(6)中-y′为像大小，所述像大小-y′为L₁，

为物大小，x′为焦像距，即为像方焦点到像平面的距离；

在进行测量之前，光学系统的焦距f′通过镜头参数手册查询；l为物方主点到物体的距离，即物距L，为光学系统镜头主点到反射屏的距离，由激光测距仪测得；由公式(5)求得l′，将求得的l′代入公式(7)，可以得到x′＝l′-f′；将x′代入公式(6)，求得在该光学系统下测得的目标尺寸

将测得的目标尺寸

与目标实际尺寸y比较，得到静态目标系统误差ΔL为：

8.如权利要求7所述的基于扫描振镜的高速运动目标形变测量方法，其特征在于：步骤2.1：通过振镜扫描一级子系统(3)，在反射屏(6)上模拟出高速运动目标(5)以及高速微形变运动目标；

将激光束匀光扩束后的光束入射至振镜扫描一级子系统(3)，通过振镜扫描一级子系统中X轴振镜(3.1)、Y轴振镜(3.3)的偏转实现光束扫描，其中X轴振镜(3.1)、Y轴振镜(3.3)的偏转方式取决于控制模块(3.7)，从控制模块(3.7)中直接调用预先存储的目标图案，也可以通过计算机(9.6)编程或在激光自定义软件中设置参数的方式自定义目标轮廓，再通过ILDA接口板(3.8)与控制模块(3.7)通讯控制X轴振镜(3.1)、Y轴振镜(3.3)的偏转方式扫描出自定义目标轮廓；同时将扫描出的自定义目标轮廓投射至反射屏(6)的视场左侧边缘处，再设置扫描图案由左向右移动，模拟出高速运动目标(5)，公式(1)、(2)、(3)已建立需模拟的速度V₁和物距L之间的关系，当调节物距L，基于公式(1)、(2)、(3)既能够计算需模拟的速度V₁；

模拟出高速运动目标(5)后，通过旋转电位器板(3.6)上的电位器旋钮，实现高速运动目标(5)在反射屏(6)上由左向右移动时其尺寸发生微改变，或通过在计算机(9.6)上自定义微形变的方式实现高速目标运动时轮廓尺寸微改变，以此来模拟出高速微形变运动目标；

步骤2.2：通过接收采集一级子系统(9)采集高速运动目标(5)轮廓强度—像素曲线，提取轮廓尺寸像素数，结合步骤一的系统标定误差计算高速运动目标轮廓实际测量尺寸，得到并固定动态高速目标测量时的光学系统结构与参数；

通过接收采集一级子系统(9)中的线阵CCD探测器(9.5)，采集模拟高速运动目标(5)外形轮廓的强度反射值，同时调节视场光阑(9.3)口径抑制背景杂散光、调节积分时间采集弱反射信号光强，通过线阵探测器采集卡(9.5)实现与计算机(9.6)的数据通讯，采集时需要满足奈奎斯特采样定理，即：

f_s≥2f_max (9)

公式(9)中f_s为采样频率，f_max为模拟信号频谱中的最高频率；对目标轮廓反射光强数据采样后，在数学分析绘图软件中绘制出光强—像素数曲线，再对曲线进行高斯滤波或低频滤波处理得到类高斯状的平滑曲线，取同一幅图像中两个类高斯曲线强度最大值处的像素数之差为目标轮廓尺寸像素数，通过公式(4)、(5)、(6)、(7)即得到高速运动目标轮廓测量尺寸

再加上步骤一中的系统标定误差ΔL，根据公式(8)得到高速运动目标实际测量尺寸：

通过上述过程测得速度为V₁时的高速运动目标实际测量尺寸y＇后，固定该光学系统结构不发生变化；同时记录采样频率、视场光阑口径、积分时间接收采集一级子系统参数，为实物高速运动目标形变量测量提供支撑。

9.如权利要求8所述的基于扫描振镜的高速运动目标形变测量方法，其特征在于：步骤3.1：基于步骤二得到的光学系统结构，采用菲涅尔匀光照明一级子系统(2)、振镜扫描一级子系统(3)与准直扩束模块(4)匀光照射目标视场；

固定步骤二中模拟高速运动目标光学系统结构，使得激光器(1)出射光束经菲涅尔匀光照明一级子系统(2)匀光扩束；再经振镜扫描一级子系统(3)，此时振镜扫描一级子系统中的X轴振镜(3.1)和Y轴振镜(3.3)不发生偏转，即只是反射来自菲涅尔匀光照明一级子系统(2)的均匀扩大光束；再经准直扩束模块(4)实现对目标的大视场均匀光照射；

步骤3.2：微调光学系统参数，通过接收采集一级子系统(9)采集目标强度—像素曲线，提取高速运动目标像素数，结合系统标定误差ΔL，实现高速运动目标(5)形变量测量；

当高速运动目标(5)以大约V₁的速度运行至均匀光照射视场时，微调步骤二中的接收采集一级子系统(9)参数，实现对均匀光照射下目标反射光强的探测，同时通过线阵探测器采集卡(9.5)将采集数据传输至计算机(9.6)，在计算机(9.6)中利用数学分析绘图软件绘制目标强度—像素数曲线，采集过程同步骤2.2；采用激光测距仪(7)测量物距L，利用公式(4)、(5)、(6)、(7)得到高速运动目标轮廓测量尺寸

再利用系统标定误差ΔL，根据公式(10)得到高速运动目标实际测量尺寸y′_t，y′_t为不同时刻测量到的目标实测测量尺寸；

当高速目标运动时，能够在时间上连续采集目标强度值，得到多幅高速运动目标强度—像素数曲线，提取像素数后通过计算得到y′_t，则高速运动目标在时间上的形变量为：

ΔL′＝y′_t-y′_t+1，(t＝1，2，3，…，n) (11)

至此，测量得到高速实物运动目标形变量，实现对高速运动目标微形变尺寸的准确测量。

10.如权利要求9所述的基于扫描振镜的高速运动目标形变测量方法，其特征在于：所述数学分析制图软件选MATLAB；所述激光自定义软件选美国穿山甲Pangolin QuickShow软件。

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