CN111308118A - 基于激光光幕的高速弹丸测速装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于激光光幕的高速弹丸测速装置，属于运动物体速度测试领域，以解决目前方式存在反射效率不高及测试结果可靠性较低的问题。两个激光器水平共面，第一接收透镜和第二接收透镜水平共面，第一反射镜组设于第一接收透镜与光电探测器间，第一反射镜组与第一接收透镜组成第一路传输光路，第二反射镜组设于第二接收透镜与光电探测器间，第二反射镜组与第二接收透镜组成第二路传输光路；第一反射镜组和第二反射镜组中的两个反射镜倾斜平行等高且两个反射面相对；第一反射镜组和第二反射镜组中的一个反射镜位于第一接收透镜下方，另一个位于光电探测器正上方；信号驱动电路与两个激光器均连，光电探测器和单片机与信号处理电路连接。

Description

基于激光光幕的高速弹丸测速装置

技术领域

本发明涉及运动物体速度测试技术领域，尤其涉及一种基于激光光幕的高速弹丸测速装置。

背景技术

随着科学技术的的发展，高速运动对象在恶劣环境下的速度测试和连续跟踪问题对高速运动目标研究和发展也提出了新的要求。其中，高速弹丸的飞行速度是弹道特性的一个重要参数之一，也是研制过程中的一个重要技术指标。

目前，在测试高速弹丸的速度时，一些方法是通过激光形成激光光幕靶来实现。然而，目前的激光光幕靶通过激光与玻璃微珠原向反射器构成激光光幕，通过光电接收器件接受弹丸通过光幕的过靶信号获取相关参数。但在实际应用过程中，弹道散布范围过大等意外因素容易损坏玻璃微珠原向反射器，使得装置寿命比较低，而且玻璃微珠原向反射器由于实际工艺问题，反射效率并不高。

另外，目前激光光幕靶的信号采集采用了光电转换原理，这样容易使炮口火光和环境光也会引起光幕靶的光电接收器件响应，从而输出一个信号，从而直接影响了激光光幕靶测试数据的可靠性，使得测试结果可靠性比较低。

发明内容

为解决目前方式容易导致装置寿命比较低及目前的测试高速弹丸的激光光幕靶存在反射效率不高及测试结果可靠性比较低的技术问题，本发明提供一种基于激光光幕的高速弹丸测速装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于激光光幕的高速弹丸测速装置，其包括两个激光器、第一反射镜组、第二反射镜组、光电探测器、第一接收透镜、第二接收透镜、供电电源、信号驱动电路、信号处理电路和单片机，其中：所述两个激光器水平共面设置，第一接收透镜和第二接收透镜水平共面放置，激光器的激光出射面与第一接收透镜和第二接收透镜的接收面平行，第一反射镜组设置于第一接收透镜与光电探测器之间，第一反射镜组与第一接收透镜组成第一路传输光路，第二反射镜组设置于第二接收透镜与光电探测器之间，第二反射镜组与第二接收透镜组成第二路传输光路，第一路传输光路与第二传输光路竖直方向共面；第一反射镜组中的两个反射镜倾斜平行等高设置且两个反射面相对，第二反射镜组中的两个反射镜倾斜平行等高设置且两个反射面相对；第一反射镜组中的一个反射镜位于第一接收透镜下方，另一个反射镜位于光电探测器正上方；第二反射镜组中的一个反射镜位于第二接收透镜下方，另一个反射镜位于光电探测器正上方；所述信号驱动电路与两个激光器均连接，光电探测器与信号处理电路连接，信号处理电路与单片机连接，供电电源与信号驱动电路、信号处理电路和单片机均连接；

所述信号驱动电路驱动激光器发出脉冲激光，脉冲激光通过激光器的柱面透镜生成扇形的激光光幕，弹丸运动过程中通过一个扇形光幕时，激光器产生的脉冲激光照射到弹丸后在弹丸表面产生漫反射光，漫反射光通过第一接收透镜进入第一路传输光路后，光电探测器接收漫反射光信号；弹丸继续前进，通过另一个扇形光幕产生的漫反射光通过第二接收透镜进入第二路传输光路后被光电探测器接收；光电探测器将两次接收的漫反射光信号转化为电信号，信号处理电路对电信号进行处理后，单片机根据处理后的电信号通过如下计算公式计算弹丸的速度V：

V＝S/δt

其中：S是指两个激光光幕之间的距离，δt是指弹丸通过两个激光光幕间的时间差。

可选地，所述激光器为10MHz脉冲激光器。

本发明的有益效果是：

(1)通过设置一个光电探测器来分时完成弹丸通过两个激光光幕上的产生的漫反射信号的采集，避免了使用多个光电探测器传输信号引起的系统误差，提高了测试精度和测试结果的可靠性。

(2)通过控制进入第一接收透镜和第二接收透镜为漫反射光，使得本发明在结构上去除了玻璃微珠原向反射器或者柱面反射镜，避免了弹道散布对装置的损伤，提高了装置的使用寿命。

(3)通过信号处理电路处理光电探测器采集的电信号，充分利用了信号处理电路内调谐放大模块的中频变压器在谐振点(即与激光束的频率相同)时，可以有效地放大谐振点这一频率的信号的特点，实现了系统避免炮口火光和环境光的干扰，提高了测试结果的可靠性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中信号处理电路和单片机对电信号的处理过程示意图。

图3是信号处理电路中的调谐放大模块的电路原理图。

图4是图1中信号处理电路处理后生成的波形图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，本实施例中的基于激光光幕的高速弹丸测速装置，其包括两个激光器3、第一反射镜组4、第二反射镜组5、光电探测器6、第一接收透镜7、第二接收透镜13、供电电源8、信号驱动电路9、信号处理电路10和单片机12，其中：所述两个激光器3水平共面设置，第一接收透镜7和第二接收透镜13水平共面放置，激光器3的激光出射面与第一接收透镜7和第二接收透镜13的接收面平行，第一反射镜组4设置于第一接收透镜7与光电探测器6之间，第一反射镜组4与第一接收透镜7组成第一路传输光路，第二反射镜组5设置于第二接收透镜13与光电探测器6之间，第二反射镜组5与第二接收透镜13组成第二路传输光路，第一路传输光路与第二传输光路竖直方向共面；第一反射镜组4中的两个反射镜倾斜平行等高设置且两个反射面相对，第二反射镜组5中的两个反射镜倾斜平行等高设置且两个反射面相对；第一反射镜组4中的一个反射镜位于第一接收透镜7下方，另一个反射镜位于光电探测器6正上方；第二反射镜组5中的一个反射镜位于第二接收透镜13下方，另一个反射镜位于光电探测器6正上方；所述信号驱动电路9与两个激光器3均连接，光电探测器6与信号处理电路10连接，信号处理电路10与单片机12连接，供电电源8与信号驱动电路9、信号处理电路10和单片机12均连接；

所述信号驱动电路9驱动激光器3发出脉冲激光，脉冲激光通过激光器3的柱面透镜生成扇形的激光光幕2，弹丸1运动过程中通过一个扇形光幕2时，激光器3产生的脉冲激光照射到弹丸1后在弹丸1表面产生漫反射光11，漫反射光11通过第一接收透镜7进入第一路传输光路后，光电探测器6接收漫反射光信号；弹丸1继续前进，通过另一个扇形光幕2产生的漫反射光11通过第二接收透镜13进入第二路传输光路后被光电探测器6接收；光电探测器6将两次接收的漫反射光信号转化为电信号，信号处理电路10对电信号进行处理后，单片机12根据处理后的电信号通过如下计算公式计算弹丸1的速度V：

V＝S/δt

其中：S是指两个激光光幕2之间的距离，δt是指弹丸1通过两个激光光幕2间的时间差。

可选地，所述激光器3为10MHz脉冲激光器，激光器3采用10MHz脉冲激光器，使得信号强度高，易于接收与调制。

根据激光测速的原理，移动物体反射回来的光的频率由于多普勒效应会发生偏离，弹丸1穿过激光光幕2遮挡产生漫反射光11也会发生多普勒频移，由于采用激光器3产生激光光幕2，弹丸1穿过激光光幕2遮挡光信号相当于是对激光器3产生的脉冲激光进行调制。第一接收透镜7和第二接收透镜13用于对漫反射光11进行收集汇聚，同时滤除部分环境光的影响；无过靶信号时，无速度结果产生。

如图2所示，信号处理电路10对电信号进行处理时，信号处理电路10的处理过程依次为：调谐放大，检频和低通滤波，信号处理电路10提取出所需信号的信息之后，单片机12完成信号采集，波形读数和速度计算。如图3所示，信号处理电路10的调谐放大模块使用二级运放构成光电接收电路，该电路可以在不减小信号功率的基础上有效的降低系统的噪声，提高信号的接收灵敏度。光电探测器从第一级放大电路(即输入电路)的反相端输入，输入电路的作用是将光电探测器6输出的电流信号转化为电压信号，图3中的C3和T1起到了调谐的作用。第二级放大电路的作用是将输入电路输出的微弱信号进一步放大，使其幅值增大。该电路能有效的消除环境光干扰，其主要原因是有较好的选频放大功能，其功能主要通过中频变压器实现，通过调整中频变压器的磁帽，可使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点f，从而完成对信号的调谐放大，用以提高信号的强度以及接收灵敏度，并滤除部分环境及炮口火光噪声的影响。检频即为检波，是从放大后的信号中提取出所需要被调制的信号，即弹丸1通过激光光幕2的信息。低通滤波即保留所需的弹丸1通过激光光幕2的信号；滤波后的电信号由单片机12进行采集，对其产生的波形进行峰值提取，并完成速度计算。

如图4所示，其为信号处理电路10处理后生成的波形图，本发明实施例通过判断两个波形的峰值之间的差值(两次多普勒频移的时间差)来计算弹丸1通过两个激光光幕2之间的时间差，并使用经典的速度计算公式来计算目标物的速度V。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于激光光幕的高速弹丸测速装置，其特征在于，包括两个激光器(3)、第一反射镜组(4)、第二反射镜组(5)、光电探测器(6)、第一接收透镜(7)、第二接收透镜(13)、供电电源(8)、信号驱动电路(9)、信号处理电路(10)和单片机(12)，其中：

所述两个激光器(3)水平共面设置，第一接收透镜(7)和第二接收透镜(13)水平共面放置，激光器(3)的激光出射面与第一接收透镜(7)和第二接收透镜(13)的接收面平行，第一反射镜组(4)设置于第一接收透镜(7)与光电探测器(6)之间，第一反射镜组(4)与第一接收透镜(7)组成第一路传输光路，第二反射镜组(5)设置于第二接收透镜(13)与光电探测器(6)之间，第二反射镜组(5)与第二接收透镜(13)组成第二路传输光路，第一路传输光路与第二传输光路竖直方向共面；第一反射镜组(4)中的两个反射镜倾斜平行等高设置且两个反射面相对，第二反射镜组(5)中的两个反射镜倾斜平行等高设置且两个反射面相对；第一反射镜组(4)中的一个反射镜位于第一接收透镜(7)下方，另一个反射镜位于光电探测器(6)正上方；第二反射镜组(5)中的一个反射镜位于第二接收透镜(13)下方，另一个反射镜位于光电探测器(6)正上方；所述信号驱动电路(9)与两个激光器(3)均连接，光电探测器(6)与信号处理电路(10)连接，信号处理电路(10)与单片机(12)连接，供电电源(8)与信号驱动电路(9)、信号处理电路(10)和单片机(12)均连接；

所述信号驱动电路(9)驱动激光器(3)发出脉冲激光，脉冲激光通过激光器(3)的柱面透镜生成扇形的激光光幕(2)，弹丸(1)运动过程中通过一个扇形光幕(2)时，激光器(3)产生的脉冲激光照射到弹丸(1)后在弹丸(1)表面产生漫反射光(11)，漫反射光(11)通过第一接收透镜(7)进入第一路传输光路后，光电探测器(6)接收漫反射光信号；弹丸(1)继续前进，通过另一个扇形光幕(2)产生的漫反射光(11)通过第二接收透镜(13)进入第二路传输光路后被光电探测器(6)接收；光电探测器(6)将两次接收的漫反射光信号转化为电信号，信号处理电路(10)对电信号进行处理后，单片机(12)根据处理后的电信号通过如下计算公式计算弹丸(1)的速度V：

V＝S/δt

其中：S是指两个激光光幕(2)之间的距离，δt是指弹丸(1)通过两个激光光幕(2)间的时间差。

2.根据权利要求1所述的基于激光光幕的高速弹丸测速装置，其特征在于，所述激光器(3)为10MHz脉冲激光器。

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