CN109489551A - 一种破片群空间散布参数测试装置和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种破片群空间散布参数测试装置和测试方法，测试装置包括高速面阵CCD靶和图像采集仪，高速面阵CCD靶放置于探测区域内，图像采集仪与高速面阵CCD相机和上位机分别通过线缆相连接，高速面阵CCD靶包括三角底座和壳体，在壳体的上表面设有光学镜头，在壳体内设有面阵CCD相机和图像采集单元，在壳体内还设有激光发射单元，其用于形成相互交汇的第一线激光探测光幕和第二线激光探测光幕，激光发射单元包括发射激光器、第一激光光学镜头、第二激光光学镜头、第一准直镜、第二准直镜和分光镜。本发明能够实现破片群参数的高精度测量，节约了成本，方便搬运，标定灵活。

Description

一种破片群空间散布参数测试装置和测试方法

技术领域

本发明涉及光电测试领域，特别涉及一种的破片群空间散布参数测试装置和测试方法。

背景技术

武器弹药爆炸破片群的散布、速度等参数是目标毁伤效能评估的重要参数，目标毁伤效能评估与破片群参数的精确获得密切相关，尤其是空间弹丸近炸破片对空间目标的毁伤效能评估，由于爆炸瞬间产生破片群的随机性和不确定性，使战斗部破片散布、速度等参数测量非常困难，导致破片毁伤目标的效能无法衡量，因此高精度测量破片群空间散布、速度等参数具有极高的研究意义，为分析目标毁伤评价体系提供有效的理论依据。

目前，对于弹丸速度、散布参数的测试装置主要有光幕靶测试系统、多光幕交汇测试系统以及多CCD交汇测试系统等，在测试破片群时都存在一定问题；光幕靶采用阵列光电发射接收原理对目标参数进行测试，其为一体靶架式，结构复杂，靶面受限制不能设置较大，不能灵活布置，当多个破片目标经过探测区时，测试原理很难对其匹配识别，无法进行分辨；多光幕交汇测试系统采用阵列探测光幕对目标位置进行测量，在对破片群进行测试时至少需要七个光幕才能通过一定逻辑关系匹配多个破片目标，结构和算法非常复杂，实际工程实现十分困难；多CCD交汇测试系统利用多个线阵CCD构成多个靶面，利用时空匹配的方法对破片目标散布参数进行测试，现场布置复杂，无法精准控制多个面重合度，同时也无法精确获得交汇角度，导致测量目标参数精度低，存在漏测现象，无法满足破片群散布参数测试要求。

综上所述，目前的现有技术无法满足破片参数测试要求，迫切需要一种新型且能满足破片群空间散布参数测试要求的装置和方法。

发明内容

鉴于现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种破片群空间散布参数测试装置和测试方法，结构简易且可以实现破片群空间散布参数的高精度测量。

为了实现上述目的，本发明提供一种破片群空间散布参数测试装置，其包括高速面阵CCD靶和图像采集仪，高速面阵CCD靶放置于探测区域内，图像采集仪与高速面阵CCD相机和上位机分别通过线缆相连接，高速面阵CCD靶包括三角底座和壳体，在壳体的上表面设有光学镜头，光学镜头面向探测区域设置，在壳体内设有面阵CCD相机和图像采集单元，在壳体内还设有激光发射单元，通过激光发射单元形成相互交汇的第一线激光探测光幕和第二线激光探测光幕，激光发射单元包括发射激光器、第一激光光学镜头、第二激光光学镜头、第一准直镜、第二准直镜和分光镜。

在一些实施例中，壳体通过调整转盘安装在三角底座上，调整转盘可转动地布置在三角底座上，壳体固定安装在调整转盘上。

在一些实施例中，调整转盘包括连接凸起盘和连接座，连接凸起盘和连接座相互嵌套连接，三角底座的上表面与连接凸起盘固定连接，连接座与壳体下表面固定连接，在调整转盘上设有锁紧旋钮。

在一些实施例中，在三角底座的三个角部位置处分别设置有调整装置，每个调整装置包括旋钮、螺柱和底角，其中，旋钮位于螺柱的上端，螺柱的下端与底角相连接。

在一些实施例中，面阵CCD相机位于光学镜头的垂直下方，在面阵CCD相机内部设有微透镜阵列。

在一些实施例中，在壳体内并且在光学镜头的垂直下方设置电气盒，电气盒与壳体的上表面的内侧相连接，面阵CCD相机位于电气盒内。

在一些实施例中，在壳体内还设有自适应调焦单元，自适应调焦单元包括调整电机盒，调整电机盒配置为当面阵CCD相机采集图像序列的某时刻出现多个破片目标重合或者遮挡的情况，调整盒内电机以调整面阵CCD相机内部的微透镜阵列的参数，从而改变面阵CCD相机的调焦平面。

在一些实施例中，发射激光器设置在壳体的底部，第一激光光学镜头和第二激光光学镜头设置在壳体的上表面上并且位于光学镜头的一侧，在第一激光光学镜头和第二激光光学镜头上分别设有第一发射狭缝和第二发射狭缝，第一准直镜和第二准直镜分别位于第一激光光学镜头和第二激光光学镜头的下方，分光镜设置在发射激光器的上方并且位于第一激光光学镜头的下方。

在一些实施例中，在壳体的正面设有面板，在面板上设有LED显示屏、航空插头、状态显示旋钮和控制开关。

为了实现上述目的，本发明还提供一种破片群参数测试方法，其采用上述一种破片群空间散布参数测试装置，包括以下步骤：

(1)当破片群进入探测区域并依次穿过第一线激光探测光幕和第二线激光探测光幕后，通过面阵CCD相机采集并获取图像序列；

(2)以采集图像序列的像素中心点为原点建立图像坐标系uov，图像中的亮目标为破片目标，列出所采集破片目标的图像坐标(u_i,v_i)，其中，i＝1,2Λ,m；

(3)确定第i个破片目标在经过第一线激光探测光幕和第二线激光探测光幕时与面阵CCD光学系统中心的夹角α_i1、α_i2表达式：

α_i1＝u_i1/N·ω

α_i2＝u_i2/N·ω

(4)确定第i个破片目标在经过第一线激光光幕时的高度h：

(5)确定第i个破片目标飞行方向与yoz平面的夹角γ_i，确定第i个破片目标飞行方向与yox平面的夹角β_i:

(6)以面阵CCD相机的视场中心为原点建立空间位置坐标系xyz，目标实际长度为D，所占图像像素数为r，第一激光光学镜头的中心与目标靶面的距离为L，则第i个破片目标经过探测区域的空间位置(x_i,y_i,z_i)为：

x_i＝D/r·u_i1+L·tanβ_i

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够实现破片群空间散布参数的高精度测量，改善了传统测试装置结构复杂，不利于布置且无法满足破片群空间散布参数测试要求的缺点，节约了成本，方便搬运，标定灵活，同时可以测量破片群位置参数。

应当理解，前面的一般描述和以下详细描述都仅是示例性和说明性的，而不是用于限制本公开。

本申请文件提供本公开中描述的技术的各种实现或示例的概述，并不是所公开技术的全部范围或所有特征的全面公开。

附图说明

在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所公开的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。

图1为本发明的实施例的一种破片群空间散布参数测试装置的布置示意图；

图2为本发明的实施例的一种破片群空间散布参数测试装置的结构示意图；

图3为本发明的实施例的一种破片群空间散布参数测试装置中高速面阵CCD靶的结构示意图；

图4为本发明的实施例的一种破片群空间散布参数测试装置中高速面阵CCD靶的结构示意图；

图5为本发明的实施例的一种破片群空间散布参数测试装置中高速面阵CCD靶的面板示意图；

图6为本发明的实施例的一种破片群空间散布参数测试装置中高速面阵CCD靶的仰视图；

图7为本发明的实施例的一种破片群空间散布参数测试装置中高速面阵CCD采集图像的图像坐标系uov示意图；

图8为本发明的实施例的一种破片群空间散布参数测试方法中yoz坐标解算的示意图；

图9为本发明的实施例的一种破片群空间散布参数测试方法中yox坐标解算的示意图；

附图标记：

1-高速面阵CCD靶；2-图像采集仪；3-上位机；4-破片目标；5-光学镜头；6-第一激光光学镜头；7-连接凸起盘；8-壳体；9-调整转盘；10-锁紧旋钮；11-螺柱；12-底角；13-旋钮；14-连接座；15-目标靶面；16-图像采集单元；17-水平水泡；18-调整电机盒；19-调焦平面；20-面阵CCD相机；21-面板；22-LED显示屏；23-控制开关；24-状态显示旋钮；25-航空插头；26-三角底座；27-第二激光光学镜头；28-电源模块；29-第一准直镜；30-第一发射狭缝；31-发射激光器；32-第二发射狭缝；33-分光镜；34-第二准直镜。

具体实施方式

为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

本实施例提供一种破片群空间散布参数测试装置，如图1和2所示，图1和2示出了一种破片群空间散布参数测试装置的布置示意图，该破片群空间散布参数测试装置位于破片目标4的飞行弹道线轨迹上，采用线激光与单面阵相机相结合的方式对破片目标4的飞行参数进行测试，具体地，其包括高速面阵CCD靶1和图像采集仪2，其中，高速面阵CCD靶1放置于探测区域内，形成第一线激光探测光幕M1和第二线激光探测光幕M2，其中，第一线激光探测光幕M1和第二线激光探测光幕M2通过标定以一定的角度交汇，并且完全覆盖高速面阵CCD靶1的视场范围，破片目标4进入探测区域将依次穿过第一线激光探测光幕M1和第二线激光探测光幕M2；图像采集仪2与高速面阵CCD相机1和上位机3分别通过线缆相连接以进行数据传输。

高速面阵CCD靶1的结构如图3-6所示，具体地，高速面阵CCD靶1包括三角底座26和壳体8，壳体8通过调整转盘9安装在三角底座26上，具体地，调整转盘9可转动地布置在三角底座26上，壳体8固定安装在调整转盘9上，这样，壳体8能够随着调整转盘9在三角底座26上自由转动。在壳体8的上表面上设有两个相互垂直布置的水平水泡17，其配置为在测试时显示高速面阵CCD靶1水平度以供操作人员参考。

进一步地，为了使得调整转盘9与三角底座26可转动地连接，调整转盘9包括连接凸起盘7和连接座14，其中，连接凸起盘7和连接座14相互嵌套连接，三角底座26的上表面与连接凸起盘7固定连接，连接座14与壳体8下表面固定连接，通过连接凸起盘7和连接座14嵌套连接使得连接凸起盘7和连接座14能够相互转动，从而使得调整转盘9能够与三角底座26自由转动。在调增转盘9上设有锁紧旋钮10，其配置为锁紧调整转盘9与三角底座26之间的相对位置。

为了在水平面上固定放置高速面阵CCD靶1，在三角底座26的三个角部位置处分别设置有调整装置，其中，每个调整装置包括旋钮13、螺柱11和底角12，其中，旋钮13位于螺柱11的上端，螺柱11的下端与底角12相连接，旋钮13配置为调节螺柱11和三角底盘26之间的相对位置，从而调节三角底盘的高度和水平度，这样，三角底座26能够通过三个调整装置布置在水平面上，并且能通过调节每个旋钮13从而调节三角底座26的高度和水平度。

继续参照图3所示，在高速面阵CCD靶1的壳体8的上表面设有光学镜头5，光学镜头5面向探测区域设置，其配置为采集破片目标4在穿过第一线激光探测光幕M1和第二线激光探测光幕M2时的图像序列；在壳体8内设有面阵CCD相机20和图像采集单元16，其中，面阵CCD相机20位于光学镜头5的垂直下方，作为优选，在壳体8内光学镜头5的垂直下方设置电气盒，电气盒与壳体8上表面的内侧相连接，面阵CCD相机20位于电气盒内；面阵CCD相机20可以是光场相机，在面阵CCD相机20内部设有微透镜阵列，面阵CCD相机20配置为通过光学镜头5采集高速面阵CCD靶1的视场内的图像序列，并将图像序列信息传输给图像采集单元16。

进一步地，在壳体8内还设有自适应调焦单元，自适应调焦单元包括调整电机盒18，调整电机盒18配置为当面阵CCD相机20采集图像序列的某时刻出现多个破片目标重合或者遮挡的情况，调整盒内电机以调整面阵CCD相机20内部的微透镜阵列的参数，从而改变面阵CCD相机20的调焦平面19，使得重合或者遮挡的破片目标区域的成像景深变浅，在还原被遮挡破片时，能够将前方的离焦遮挡破片严重虚化，实现透视效果，以达到分辨识别破片群的目的。

在壳体8内还设有激光发射单元，激光发射单元包括发射激光器31、第一激光光学镜头6、第二激光光学镜头27、第一准直镜29、第二准直镜34和分光镜33，其中，发射激光器31作为激光光源设置在壳体8的底部，其配置为发射扇形激光束形成激光探测光幕，发射的视场角度优选在75°以上，其优选采用650nm线激光器；第一激光光学镜头6和第二激光光学镜头27设置在壳体8的上表面上并且位于光学镜头5的一侧，在第一激光光学镜头6和第二激光光学镜头27上分别设有第一发射狭缝30和第二发射狭缝32以通过发射狭缝发射线激光，其中，第一激光光学镜头6和第二激光光学镜头27配置为汇聚破片目标4穿过第一线激光探测光幕M1和第二线激光探测光幕M2时的反射的激光能量；第一准直镜29和第二准直镜34分别位于第一激光光学镜头6和第二激光光学镜头27的下方，其配置为调节发射线激光的发射方向；分光镜33设置在发射激光器31的上方并且位于第一激光光学镜头6的下方，其配置为将发射激光器31发射的线激光分束，其优选采用K9玻璃制成，入射波长范围为420-680nm。

这样，发射激光器31发射的线激光的第一部分通过第一发射狭缝30进入第一准直镜29，第二部分通过第二发射狭缝32进入第二准直镜34，其中，第一部分线激光和第二部分线激光之间的发散角优选在7°以内；经过第一准直镜29和第二准直镜34的准直光束照度均匀性高于90％以上的准直镜；这样，经过第一准直镜29的第一部分线激光通过第一激光光学镜头6形成第一线激光探测光幕M1，经过第二准直镜34的第二部分线激光通过第二激光光学镜头27形成第二线激光探测光幕M2，其中，第一线激光探测光幕M1和第二线激光探测光幕M2的激光发射光轴与水平方向具有不同的夹角。第一线激光探测光幕M1和第二线激光探测光幕M2使得在高速面阵CCD靶1采集的破片目标4的图像中，正在穿过第一线激光探测光幕M1和第二线激光探测光幕M2的破片目标4成为亮目标。此外，在壳体8内还设有电源模块28，其配置为发射激光器31提供电能。

如图5所示，图5示出了高速面阵CCD靶1的面板示意图，在壳体8的正面设有面板21，在面板21上设有LED显示屏22、航空插头25、状态显示旋钮24和控制开关23，其中，拨动状态显示旋钮24，可以通过LED显示屏22随时监测高速面阵CCD靶1的工作状态。

本发明还提供另一个实施例，其采用上述的一种破片群空间散布参数测试装置，提供一种破片群空间散布参数测试方法，依据建立的破片空间位置解算模型，在炮口处设置外部触发源，当触发源探测火光时，同步相机触发采集图像，包括以下步骤：

(1)当破片群进入探测区域并依次穿过第一线激光探测光幕M1和第二线激光探测光幕M2后，通过面阵CCD相机20采集并获取图像序列；

(2)如图7所示，以采集图像序列的像素中心点为原点建立图像坐标系uov，图像中的亮目标为破片目标4，列出所采集破片目标4的图像坐标(u_i,v_i)，其中，i＝1,2Λ,m；

(3)确定第i个破片目标4在经过第一线激光探测光幕M1和第二线激光探测光幕M2时与面阵CCD光学系统中心的夹角α_i1、α_i2表达式：

α_i1＝u_i1/N·ω

α_i2＝u_i2/N·ω

(4)确定第i个破片目标4在经过第一线激光光幕M1时的高度h：

(5)确定第i个破片目标4飞行方向与yoz平面的夹角γ_i，确定第i个破片标4飞行方向与yox平面的夹角β_i:

(6)如图8和9所示，以面阵CCD相机20的视场中心为原点建立空间位置坐标系xyz，目标实际长度为D，所占图像像素数为r，第一激光光学镜头6的中心与目标靶面15的距离为L，则第i个破片目标经过探测区域的空间位置(x_i,y_i,z_i)为：

x_i＝D/r·u_i1+L·tanβ_i

此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本公开的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本申请的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。

以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本公开。这不应解释为一种不要求保护的公开的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本发明的主题可以少于特定的公开的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种破片群空间散布参数测试装置，其包括高速面阵CCD靶和图像采集仪，所述高速面阵CCD靶放置于探测区域内，所述图像采集仪与所述高速面阵CCD相机和上位机分别通过线缆相连接，所述高速面阵CCD靶包括三角底座和壳体，在所述壳体的上表面设有光学镜头，所述光学镜头面向探测区域设置，在所述壳体内设有面阵CCD相机和图像采集单元，在所述壳体内还设有激光发射单元，通过所述激光发射单元形成相互交汇的第一线激光探测光幕和第二线激光探测光幕，所述激光发射单元包括发射激光器、第一激光光学镜头、第二激光光学镜头、第一准直镜、第二准直镜和分光镜。

2.根据权利要求1所述的一种破片群空间散布参数测试装置，其特征在于，所述壳体通过调整转盘安装在所述三角底座上，所述调整转盘可转动地布置在所述三角底座上，所述壳体固定安装在所述调整转盘上。

3.根据权利要求2所述的一种破片群空间散布参数测试装置，其特征在于，所述调整转盘包括连接凸起盘和连接座，所述连接凸起盘和所述连接座相互嵌套连接，所述三角底座的上表面与所述连接凸起盘固定连接，所述连接座与所述壳体下表面固定连接，在所述调整转盘上设有锁紧旋钮。

4.根据权利要求2所述的一种破片群空间散布参数测试装置，其特征在于，在所述三角底座的三个角部位置处分别设置有调整装置，每个所述调整装置包括旋钮、螺柱和底角，其中，所述旋钮位于所述螺柱的上端，所述螺柱的下端与所述底角相连接。

5.根据权利要求2所述的一种破片群空间散布参数测试装置，其特征在于，所述面阵CCD相机位于所述光学镜头的垂直下方，在所述面阵CCD相机内部设有微透镜阵列。

6.根据权利要求5所述的一种破片群空间散布参数测试装置，其特征在于，在所述壳体内并且在所述光学镜头的垂直下方设置电气盒，所述电气盒与所述壳体的上表面的内侧相连接，所述面阵CCD相机位于所述电气盒内。

7.根据权利要求5所述的一种破片群空间散布参数测试装置，其特征在于，在所述壳体内还设有自适应调焦单元，所述自适应调焦单元包括调整电机盒，所述调整电机盒配置为当所述面阵CCD相机采集图像序列的某时刻出现多个破片目标重合或者遮挡的情况，调整盒内电机以调整所述面阵CCD相机内部的所述微透镜阵列的参数，从而改变所述面阵CCD相机的调焦平面。

8.根据权利要求5所述的一种破片群空间散布参数测试装置，其特征在于，所述发射激光器设置在所述壳体的底部，所述第一激光光学镜头和所述第二激光光学镜头设置在所述壳体的上表面上并且位于所述光学镜头的一侧，在所述第一激光光学镜头和所述第二激光光学镜头上分别设有第一发射狭缝和第二发射狭缝，所述第一准直镜和第二准直镜分别位于所述第一激光光学镜头和所述第二激光光学镜头的下方，所述分光镜设置在所述发射激光器的上方并且位于所述第一激光光学镜头的下方。

9.根据权利要求8所述的一种破片群空间散布参数测试装置，其特征在于，在所述壳体的正面设有面板，在所述面板上设有LED显示屏、航空插头、状态显示旋钮和控制开关。

10.一种破片群空间散布参数测试方法，其采用权利要求1-9中任一项所述的一种破片群空间散布参数测试装置，包括以下步骤：

(1)当破片群进入探测区域并依次穿过第一线激光探测光幕和第二线激光探测光幕后，通过面阵CCD相机采集并获取图像序列；

(2)以采集图像序列的像素中心点为原点建立图像坐标系uov，图像中的亮目标为破片目标，列出所采集破片目标的图像坐标(u_i,v_i)，其中，i＝1,2Λ,m；

(3)确定第i个破片目标在经过第一线激光探测光幕和第二线激光探测光幕时与面阵CCD光学系统中心的夹角α_i1、α_i2表达式：

α_i1＝u_i1/N·ω

α_i2＝u_i2/N·ω

(4)确定第i个破片目标在经过第一线激光光幕时的高度h：

(5)确定第i个破片目标飞行方向与yoz平面的夹角γ_i，确定第i个破片目标飞行方向与yox平面的夹角β_i:

(6)以面阵CCD相机的视场中心为原点建立空间位置坐标系xyz，目标实际长度为D，所占图像像素数为r，第一激光光学镜头的中心与目标靶面的距离为L，则第i个破片目标经过探测区域的空间位置(x_i,y_i,z_i)为：

x_i＝D/r·u_i1+L·tanβ_i