CN111895861B - 一种相关双采样线阵传感器的自动报靶及弹道测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相关双采样线阵传感器的自动报靶及弹道测量系统，对于低速弹丸使用至少2个高速线阵传感器检测弹着点位置，对于高速弹丸使用移相的至少3个高速线阵传感器来检测弹着点位置，还使用更多个传感器减小移相时间来检测弹着点位置及过靶时刻；本发明采用反射式光源，利用弹丸反射亮斑进行检测，不限制弹种，抗红外光干扰；本发明还采用标定灯条自调校，可消除不可逆形变误差。本方案采用相关双采样解决线阵传感器的零点及漂移，不需要个体调校，也无需数周期的初始化数据来消除零点及漂移；本发明求取亮斑坐标的自动阈值法还易于利用FPGA等硬件实现，减小了数据传输及处理压力，利于使用多个线阵传感器提高过靶时刻的测量精度。

Description

一种相关双采样线阵传感器的自动报靶及弹道测量系统

技术领域

本发明属于数字射击报靶技术领域，尤其涉及一种相关双采样线阵传感器的自动报靶及弹道测量系统。

背景技术

打靶是射击比赛及军事训练中必不可少的项目。人工报靶方式存在安全性和时效性差的问题。自动智能报靶系统则可提高效率和精度，并有效保证人员安全。通过沿弹丸的弹道轨迹串联多个靶面中部挖空并可精确测量弹丸过靶时刻及位置坐标的自动报靶装置，还可构成弹道测量系统，为刑侦及校枪工作提供有力的支撑。已有的自动报靶系统按原理通常分为五类：超声波激波法，双层电极短路采样法，激光对管或光幕法，图像处理法和高灵敏度双线阵相机交汇法。其中超声波激波法利用弹丸超音速飞行时产生的激波或弹丸击穿靶材所产生的超声波进行检测，如专利号为CN200610102134.X的激波报靶系统，要求弹丸必须为超音速弹丸，不能检测弹丸速度较低的部分手枪；超声波激波法的精度受风速影响较大且无法测量弹丸过靶时刻。双层电极短路采样法采用2层导电层间夹一层绝缘层制作靶材，有弹丸穿过时相应点导通进行检测，如专利号为CN201310077701.0的一种轻武器实弹射击自动报靶的装置及其工作方法，缺点为靶材较贵，使用成本高，只能测量金属弹丸，也无法测量弹丸过靶时刻。图像处理法，如专利号为CN201310249220.3的一种基于图像识别的射击自动报靶系统，以摄像头拍摄靶面进行图像处理，得出弹着点位置，对靶面的光洁度有一定要求且对着弹点重合的情况检测性能不佳，不能测量弹丸过靶时刻。激光对管或光幕法利用激光对管阵列、扇形一字线光源加接收管阵列或光纤阵列构成红外光幕，有弹丸穿过时遮挡红外光幕而被检测，如专利号为CN200710019000.6的光幕阵列自动报靶装置及方法，缺点为光幕制作及安装的精度要求较高，因而成本昂贵，另外随着使用中弹丸的冲击激光管的指向会逐渐发生改变需每隔一段时间重新进行调校。也有公司如德国Kurzzeit公司采用高精度孔阵列结构限位激光对管阵列保证光幕维持严格对齐避免重新调校，但机械加工精度要求较高。激光对管光幕法的精度较高，能测量弹丸过靶时刻；使用载波调制的激光对管时对室外太阳光的红外光抗干扰能力较好，使用其他光幕实现方式时对红外光抗干扰能力较差，一般需要狭缝及滤光片等辅助结构。也有用超高灵敏度线阵相机或线阵传感器取代接收管进行检测的，即高灵敏度双线阵相机交汇法，前者如CN201910505380.7的一种基于高速工业相机的射击辅助训练房，一般使用两个或多个高灵敏度高速工业线扫相机每秒钟进行几十KHz的拍摄，如加拿大DALSA公司的线扫相机，配合专业采集卡实现，数据传输及处理压力大且价格昂贵，在大靶面的情况下仍能保持很高的定位精度，但不能测量弹丸过靶时刻；后者有几种形式，一种是带成像结构的，红外光源和带成像结构的线阵传感器位于待测弹丸的两侧，如CN201510487949.3的自动报靶及测速装置及其定位测速方法，可以对曳光弹之外的弹丸进行精确定位，并可通过增加第二类光学传感器的方法粗略测量弹丸过靶时刻，时刻误差和第二类光学传感器的曝光周期相当，由于无法利用载波调制，加上弹丸过靶时反射的太阳光也被线阵传感器接收造成检测暗斑被“填平”，因而对室外太阳光的红外光抗干扰能力较差，只能通过加大背景红外光源亮度并增加消光螺旋等结构的方法减少干扰，此类方法所需的线阵传感器的灵敏度需远超过普通线阵CCD，对应的像素过大感应面过长加上较大的消光螺旋导致结构偏大，如TSL208仅有640个像素却长64mm，同时该方案要求传感器须工作于整个扫描周期都处于曝光状态的连续曝光模式因而限制了传感器的选择范围；另一种是不带成像结构的，红外光源和靶面侧边的线阵传感器也位于待测弹丸的两侧，如CN201810599455.8的一种激光报靶装置及方法，但要求所用的单个线阵传感器感应面超长，实际只有CIS线阵传感器可用而且只能进行拼接来构成靶面侧边。高灵敏度双线阵相机交汇法都通过位于线阵传感器和背景光源之间的弹丸遮挡背景光源进行检测，这要求弹丸通过靶面的可感应时间占曝光时间的相当部分检测以获得较明显的检测暗斑，且工作于曝光时间连续占满整个传感器扫描周期的连续曝光模式以避免漏扫描，因而暗斑很不明显导致对高速弹丸的检测性能不佳。

发明内容

本发明能够精确检测弹丸过靶位置，适用于各种类型的弹丸，且安装工艺简单、易于维护，受太阳等环境红外光的干扰较少，该自动报靶装置按照传感器数量及驱动逻辑的不同可分别提供：

低速弹丸情况下的弹丸过靶位置检测、各类速度弹丸情况下的弹丸过靶位置检测、各类速度弹丸的过靶位置及过靶时刻检测；

本发明装置的技术方案为一种相关双采样线阵传感器的自动报靶及弹道测量系统，其特征在于，包括：靶面、红外光源、三个暗背景侧边框、主控板、红外标定灯条控制板、红外标定灯条、N个(N≥2)高速线阵传感器；

所述红外光源安装于所述靶面的一个侧边，所述三个暗背景侧边框依次安装于所述靶面的另外三个侧边，所述N个(N≥2)高速线阵传感器安装于所述红外光源所在的侧边；所述主控板分别与所述的N个(N≥2)高速线阵传感器依次连接；所述的主控板与红外标定灯条控制板连接、红外标定灯条控制板与红外标定灯条依次连接；

所述构成靶面的靶材上平铺有靶纸；

所述红外光源平行于所述靶面发出红外光，覆盖整个靶面并射至对侧的三个暗背景侧边框上，所述红外光源在上电初始时刻即构建光学标定表过程中是不点亮的，在构建光学标定表之后是连续点亮的；

所述三个暗背景侧边框，具备一定宽度并环绕安装于所述靶面红外光源所在边之外的另外三个侧边，侧边框上覆盖吸光材料，可有效吸收红外光源射至侧边框上的红外光；

所述主控板包括语音播放模块、显示模块以及网络传输模块；

所述主控板用于发出高速线阵传感器、红外光源及可选的红外标定灯条的驱动逻辑，接收所述高速线阵传感器所采集的数据，在上电初始时刻构建光学标定表，查询光学标定表并插值计算该亮斑对应的红外标定灯条上的几何位置，两个几何位置分别和两个高速线阵传感器的光心构成直线，求交即得到弹丸过靶坐标，将弹丸过靶坐标传输至上位机；

所述红外标定灯条控制板通过主控板的红外标定灯条驱动逻辑控制，在上电初始时刻构建光学标定表时依次点亮红外标定灯条的各灯链；

所述红外标定灯条由PCB上分组为若干灯链并均匀排布的红外发射LED构成，依次安装于所述三个暗背景侧边框的底侧或顶侧；

所述N个高速线阵传感器的可视范围完整覆盖三个暗背景侧边框，所述高速线阵传感器的前端均带有窗口型红外滤光片，并安装有带光缝的普通镜头。

所述红外标定灯条控制板、红外标定灯条为可选，在航炮等大威力弹丸以外的情况下仅在出厂前使用一次以进行光学标定，出厂后移除。

若高速线阵传感器的数量为2个时，应用于低速弹丸情况下的弹丸过靶位置检测，本发明方法的技术方案为一种低速弹丸的过靶位置检测方法，包括以下步骤：

步骤1：主控板控制红外光源关闭，通过红外标定灯条控制板以控制红外标定灯条逐个点亮灯链，即每个灯链点亮多个扫描周期后关闭，同时通过输出同相驱动逻辑至N＝2个高速线阵传感器以采集红外标定灯条依次点亮每个灯链的图像，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法逐次计算灯链每个亮斑在线阵传感器感应区域(即成像区)上的像素坐标中心并将其与LED的几何位置按照每个传感器像素坐标从小到大次序与LED逆时针次序排列的几何位置一一对应，以构建光学标定表；

步骤2：主控板通过红外标定灯条控制板关闭红外标定灯条，控制红外光源点亮，主控板输出同相驱动逻辑至N＝2个高速线阵传感器采集被较亮弹丸遮挡的暗背景侧边框的图像，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法计算有弹丸穿过时弹丸反光的成像亮斑在线阵传感器感应区域(即成像区)上的像素坐标中心，查询光学标定表并线性插值计算亮斑对应的红外标定灯条上的几何位置，两个亮斑对应的几何位置分别和两个高速线阵传感器的光心构成直线，求交即得到弹丸过靶坐标。

若高速线阵传感器的数量为3个时，应用于各类速度弹丸情况下的过靶位置检测方法，本发明方法的技术方案为一种各类速度弹丸的过靶位置检测方法，包括以下步骤：

步骤1：主控板控制红外光源关闭，通过红外标定灯条控制板以控制红外标定灯条逐灯链点亮，即每个灯链点亮多个扫描周期后关闭，同时通过输出移相驱动逻辑至N＝3个高速线阵传感器以采集红外标定灯条依次点亮每个灯链的图像，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法逐次计算灯链每个亮斑在线阵传感器感应区域(即成像区)上的像素坐标中心并将其与LED的几何位置按照每个传感器像素坐标从小到大次序与LED逆时针次序排列的几何位置一一对应，以构建光学标定表；

步骤2：主控板通过红外标定灯条控制板关闭红外标定灯条，控制红外光源点亮，主控板输出移相驱动逻辑至N＝3个高速线阵传感器以采集被较亮弹丸遮挡的暗背景侧边框的图像，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法计算有弹丸穿过时反光的成像亮斑在线阵传感器感应区域(即成像区)上的像素坐标中心，查询光学标定表并线性插值计算亮斑对应的红外标定灯条上的几何位置，由于移相时可保证任一线阵传感器的非曝光时间都被其他两个传感器的曝光时间所覆盖，因此同一序号周期成像时至少会有2个或3个线阵传感器存在亮斑，取其中任意两组传感器和亮斑几何位置，两个亮斑对应的几何位置分别和两个高速线阵传感器的光心构成直线，求交即得到弹丸过靶坐标。

若应用于各类速度弹丸的过靶位置及过靶时刻检测，本发明方法的技术方案为一种各类速度弹弹丸的过靶位置及过靶时刻检测方法，包括以下步骤：

步骤1：主控板控制红外光源关闭，通过红外标定灯条控制板以控制红外标定灯条逐灯链点亮，即每个灯链点亮多个扫描周期后关闭，主控板输出移相驱动逻辑至大于3个数量的高速线阵传感器，但仅采集其中3个返回原始像素输出的传感器的依次点亮每个灯链的图像，所述原始像素采集传感器的移相相位须保证，在这3个返回原始像素输出的传感器中任一高速线阵传感器的非曝光时间都被其他两个传感器的曝光时间所覆盖，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法计算每个亮斑在感应区域上的像素坐标中心并将其与LED的几何位置按照每个传感器像素坐标从小到大次序与LED逆时针次序排列的几何位置一一对应，以构建这3个返回原始像素输出的传感器的光学标定表；

步骤2：主控板通过红外标定灯条控制板关闭红外标定灯条，控制红外光源点亮，主控板输出移相驱动逻辑至高速线阵传感器，以采集被较亮弹丸遮挡的暗背景侧边框的图像，其中上述3个传感器是具有原始像素输出信息的，其余传感器只有亮斑位置信息以节省IO，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法计算有弹丸穿过时反光的成像亮斑在这3个传感器的线阵传感器感应区域(即成像区)上的像素坐标中心，对于这3个传感器查询光学标定表并线性插值计算亮斑对应的红外标定灯条上的几何位置，由于移相时可保证任一线阵传感器的非曝光时间都被其他两个传感器的曝光时间所覆盖，因此同一序号扫描周期成像时会有2个或3个线阵传感器存在亮斑，取其中任意两组传感器和亮斑几何位置，两个亮斑对应的几何位置分别和两个高速线阵传感器的光心构成直线，求交即得到弹丸过靶坐标。

步骤3：若对于某一序号的扫描周期可计算得过靶坐标，则在该扫描周期对于各传感器进行搜索，若搜索到某个或某几个传感器此扫描周期内无亮斑出现，则取其中中间相位的传感器在该扫描周期的非曝光时间中点作为弹丸过靶时刻，若未搜索到此种情况，继续对该扫描周期前后各一个扫描周期进行搜索，若某一个或几个传感器的某个非曝光时间的前后两个周期都出现了亮斑，取其中中间相位的传感器的非曝光时间中点作为过靶时刻。

本发明的过靶位置检测方法均易于做到硬件解算，简化了软硬件结构，带滞回比较的自动动态阈值亮斑检测算法易于在硬件内完成亮斑边缘检测，避免了上传或处理线阵传感器原始亮度值,无需存储多个周期的原始亮度值，减小了数据传输或处理压力，因而相比于传统高灵敏度双线阵相机交汇法更为简便且能够扩展使用更多个线阵传感器。

本发明的过靶位置检测方法采用了窗口红外滤光片，加上反射式光路，有效减小了太阳光等环境红外光的干扰，避免了采用体积较大的消光螺旋等较复杂的消光结构。

为解决漏扫描问题，本发明的一种各类速度弹丸的过靶位置检测方法采用了至少3个高速线阵传感器，利用传感器之间的相关双采样阶段的非曝光时间和曝光时间彼此覆盖的方式，解决了漏扫描问题，从而避免了传统高灵敏度双线阵相机交汇法对于高速弹丸检测性能不佳的缺陷

进一步地，本发明的一种各类速度弹丸的过靶位置及过靶时刻检测方法利用更多个高速线阵传感器进行移相，将弹丸过靶时刻的检测误差减小到了T/n(T为曝光时间，n为传感器个数)，因而可以通过使用多个传感器移相来减小移相时间片以获得更高的过靶时刻检测精度。

更进一步地,本发明的采用多个各类弹丸的过靶位置及过靶时刻检测设备依次排列在弹丸可能通过的轨迹范围上,各设备采用相同的主时钟频率,并将行同步脉冲依次传输到各设备,测量各设备间的传输延迟并利用行同步脉冲完成各设备间的时统功能,从而得到弹丸通过各装置的时刻及位置坐标，形成完整的弹道信息。

附图说明

图1：本发明整体系统框图。

图2：本发明的示例性实施1示意图。

图3：窗口红外滤光片的波长-透过率曲线。

图4：示例性实施1传感器103和104的同相驱动时序及曝光/非曝光时间。

图5：红外标定灯条PCB各灯链排布。

图6：侧边框内的安装方式。

图7：本发明的示例性实施2。

图8：示例性实施2传感器103、112和104的移相驱动时序及曝光/非曝光时间。

图9：本发明的示例性实施3。

图10：示例性实施3传感器103、113、112、114和104的移相驱动时序及曝光/非曝光时间。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图10介绍本发明的具体实施方式为：

本发明的整体系统框图如图1所示。一种相关双采样线阵传感器的自动报靶及弹道测量系统，其特征在于，包括：靶面、红外光源、三个暗背景侧边框、主控板、红外标定灯条控制板、红外标定灯条、N个(N≥2)高速线阵传感器；

所述红外光源安装于所述靶面的一个侧边，所述三个暗背景侧边框依次安装于所述靶面的另外三个侧边，所述N个(N≥2)高速线阵传感器安装于所述红外光源所在的侧边；所述主控板分别与所述的N个(N≥2)高速线阵传感器依次连接；所述的主控板与红外标定灯条控制板连接、红外标定灯条控制板与红外标定灯条依次连接；

所述构成靶面的靶材上平铺有靶纸；

所述红外光源平行于所述靶面发出红外光，覆盖整个靶面并射至对侧的三个暗背景侧边框上，所述红外光源在上电初始时刻即构建光学标定表过程中是不点亮的，在构建光学标定表之后是连续点亮的；

所述三个暗背景侧边框，具备一定宽度并环绕安装于所述靶面红外光源所在边之外的另外三个侧边，侧边框上覆盖吸光材料，可有效吸收红外光源射至侧边框上的红外光；

所述主控板包括语音播放模块、显示模块以及网络传输模块；

所述主控板用于发出高速线阵传感器、红外光源及可选的红外标定灯条的驱动逻辑，接收所述高速线阵传感器所采集的数据，在上电初始时刻构建光学标定表，之后查询光学标定表并插值计算该亮斑对应的红外标定灯条上的几何位置，两个几何位置分别和两个高速线阵传感器的光心构成直线，求交即得到弹丸过靶坐标，将弹丸过靶坐标传输至上位机；

所述红外标定灯条控制板通过主控板的红外标定灯条驱动逻辑控制，在上电初始时刻构建光学标定表时依次点亮红外标定灯条的各灯链；

所述红外标定灯条由PCB上分组为若干灯链并均匀排布的红外发射LED构成，依次安装于所述三个暗背景侧边框的底侧或顶侧；

所述N个高速线阵传感器的可视范围完整覆盖三个暗背景侧边框，所述高速线阵传感器的前端均带有窗口型红外滤光片，并安装有带光缝的普通镜头。

所述红外标定灯条控制板、红外标定灯条为可选，在航炮等大威力弹丸以外的情况下仅在出厂前使用一次以进行光学标定，出厂后移除。

以下实施例1～3均可视为该系统框图进行一定裁剪的实施(实施例1只有2个传感器的情况下不移相)。

本实施例1～4中高速线阵传感器中的线阵CCD/CMOS传感器并不特指哪个型号的线阵传感器，并不要求能在整个周期内连续曝光，也并不要求具备超高灵敏度，因此一些中等灵敏度的线阵传感器也能满足要求，如Perkinelmer公司的RL0512P、RL1024P、RL2048P，DALSA公司的IL-P3、IL-P4，AMS公司的Dragster 2K7和4K7等，只要这些传感器能感应780～1000nm内的近红外光，并在使用至少10bitAD采样精度的CDS(相关双采样)工作方式时仍能具备较短的扫描周期(一般100us以下)且光电增益(即灵敏度)一致性较好即可。由于不要求具备超高灵敏度，因此可选取像素较小的传感器，从而在可接受的传感器体积内具备足够的传感器像素数目，在大靶面的情况下仍能保证较高的定位精度，可尽量选择2K或以上像素数目的高速线阵传感器。应避免选择AMS TAOS TSL208R这样超高灵敏度的线阵传感器，一是为了获得超高灵敏度(像素感光面大感光面积大才易获得超高灵敏度)，像素需做得比较大因而一般像素数较少，如TSL208R在64mm长的感应区域长度下仅做到了512个像素，这样实施例会由于过长的感应区域长度一般只能使用柱面镜来保证传感器的感应面和靶面的距离不至于太大，以免弹丸斜射入时定位误差增大，这还导致了需配合柱面镜使用消光螺旋从而造成结构体积过大的问题；二是超高灵敏度的传感器一般其光电增益一致性不好，如TSL208R的个体光电增益在16～28V/(uJ/cm²)这样一个较大的范围内波动，这导致其饱和感光时的输出电压视器件差异在1.6～2.4V，因而TSL208R的传感器板需较繁琐地针对个体TSL208R测量其光电增益并相应设置ADC前级运放的零点及增益，这导致了繁琐的针对个体TSL208R传感器板的调试过程；三是超高灵敏度的传感器因其单像素电荷包电量较大转移慢工作时钟一般不高，加入10bitAD采样精度的相关双采样步骤后扫描周期较长，如TSL208R在5MHz的最高工作时钟下不使用相关双采样时其最短扫描周期为102.6us，使用了10bitAD采样精度的相关双采样步骤后其最短扫描周期为512.2us，其中相关双采样期间的非曝光时间长至少204us，非曝光时间内会漏掉很多穿过感应面的弹丸。由于本实施例不要求工作于曝光时间占满整个扫描周期的连续曝光模式及超高灵敏度，因此可使用相关双采样等方式来去除零点影响及复位噪声，避免复杂的调校过程，同时可尽量选取体积小像素较多的传感器来保证大靶面时的定位精度。

下面说明实施例1，附图中为清楚起见扩大了相应部件尺寸。

本发明实施例方法步骤为一种低速弹丸的过靶位置检测方法，包括以下步骤：

步骤1：主控板控制红外光源关闭，通过红外标定灯条控制板以控制红外标定灯条逐个点亮灯链，即每个灯链点亮多个扫描周期后关闭，同时通过输出同相驱动逻辑至N＝2个高速线阵传感器以采集红外标定灯条依次点亮每个灯链的图像，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法逐次计算灯链每个亮斑在线阵传感器感应区域(即成像区)上的像素坐标中心并将其与LED的几何位置按照每个传感器像素坐标从小到大次序与LED逆时针次序排列的几何位置一一对应，以构建光学标定表；

步骤2：主控板通过红外标定灯条控制板关闭红外标定灯条，控制红外光源点亮，主控板输出同相驱动逻辑至N＝2个高速线阵传感器采集被较亮弹丸遮挡的暗背景侧边框的图像，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法计算有弹丸穿过时弹丸反光的成像亮斑在线阵传感器感应区域(即成像区)上的像素坐标中心，查询光学标定表并线性插值计算亮斑对应的红外标定灯条上的几何位置，两个亮斑对应的几何位置分别和两个高速线阵传感器的光心构成直线，求交即得到弹丸过靶坐标。

本发明的实施例1如图2所示，一种自动报靶装置，包括靶面、红外光源、三个侧边框、主控板、2个高速线阵传感器、可选的红外标定灯条控制板和红外标定灯条。其中除靶面外的部件应安装于防弹结构的后侧以避免受到弹丸的损伤。具体构成如下：

平整靶材111，平铺贴于靶材上的靶纸110，两者构成了靶面；

由较大功率的850nm红外LED灯条及与其并排放置的长柱镜组成的红外光源105，灯条上每米长度上均匀布置有60颗5050封装的850nm红外LED，功率约为14.4W，长柱镜汇聚红外LED灯条的光使其大部分平行于靶面，这样当弹丸穿过红外LED灯条与高速线阵传感器构成的检测面时会被红外光源照亮而反射红外光，从而在高速线阵传感器的感应区域的相应位置成像为亮斑；

三个侧边框构成的暗背景109，如图6所示，侧边框由黑色铝合金型材构成，其朝向靶面中心的一侧贴附有消光绒，除被弹丸反射的部分外，红外光源105发出的其余红外光到达三个侧边框并被消光绒吸收；

主控板101，主控板101上有一个ZYNQ7020 FPGA，该FPGA在初始化阶段，即标定时间内输出驱动时序关闭红外光源105并控制红外标定灯条控制板102依次点亮如图5的红外标定灯条106、107和108的第1～5个灯链的LED(此处分灯链依次点亮是为了避免相邻LED的成像亮斑因距离太近出现融合从而难以检测，分灯链还可以使用更密集的LED提高标定表精度)，每个灯链的点亮时间持续2个扫描周期，每个点亮的LED在高速线阵传感器的感应区域的相应位置成像为一个亮斑，FPGA检测并按照像素亮度以质心法计算每个亮斑在感应区域上的像素坐标中心并将其与LED的几何位置对应，即形成了标定表；初始化阶段结束后进入正常工作阶段，即报靶工作时间，该FPGA输出驱动时序打开红外光源105并关闭所有红外标定灯条，FPGA检测并按照像素亮度以质心法计算有弹丸穿过时反光的成像亮斑在感应区域上的像素坐标中心，查标定表并插值计算该亮斑对应的红外标定灯条上的几何位置，两个几何位置分别和两个高速线阵传感器的光心构成直线，求交即得到弹丸过靶坐标；

安装于三个侧边框以外的边上的2个高速线阵传感器103和104，由高速线阵CCD/CMOS传感器，接口电路，窗口滤光片以及成像透镜等成像结构构成；该高速线阵传感器具备大视角从而保证其探测的扇形范围可以覆盖整个靶面。其中高速线阵CCD/CMOS传感器接收来自于主控板FPGA的驱动逻辑，以相关双采样或相关多采样这样的利于消除零点及漂移并抑制噪声的方式工作。需注意的是在相关双采样AD转换时有一段时间高速线阵CCD/CMOS传感器须处于非曝光状态，其工作时序及曝光/非曝光时间如图4所示，该段非曝光时间内可能会出现漏掉高速弹丸的情况，因而对于高速弹丸的检测性能不佳。部分高速工业线扫相机也有类似的问题，怎样解决高速弹丸的检测见实施例2。具体对于本实施例的高速线阵CMOS传感器，其灵敏度为65.5V/Lux·s，共有2080个像素，像素间距4um，感应区域长度仅为8.32mm长，因而可使用小体积的M12镜头座以减小传感器体积并减小传感器的感应面和靶面的距离，使用4.23mm镜头时，可获得不小于89度的扇形视角范围，使用4mm镜头时，可获得不小于92度的扇形视角范围，使用3.6mm镜头时，可获得不小于98度的扇形视角范围，使用2.8mm镜头时，可获得不小于112度的扇形视角范围，使用2.3mm镜头时，可获得不小于122度的扇形视角范围。本实施例1中的2个高速线阵传感器即使用了4.23mm镜头，本实施例2中对于增加的1个高速线阵传感器112则使用了2.3mm镜头。高速线阵传感器的感应区域上需贴附窗口滤光片，窗口滤光片(也称窄带滤光片)允许透过的波长范围应当与红外光源匹配，如匹配850nm红外光源的窗口滤光片其透过的波长范围如图3所示，以减小太阳等环境光干扰。室内或对抗环境光干扰要求不高的情况下该窗口滤光片也可省略或采用普通高通滤光片(高于780nm波长通过)。

红外标定灯条控制板102，由带有各灯链使能端的自动调节升压器电路组成，在相应灯链处于使能打开状态时按照设置的电流大小以恒流方式点亮相应灯链。红外标定灯条控制板102接收来自于主控板的红外标定灯条的驱动逻辑来驱动各灯链使能端。

安装于三个侧边框内的红外标定灯条106、107、108的PCB及侧边框内的安装方式分别如图5及图6所示。红外标定灯条采用较大射束角的850nm小型贴片红外侧发射LED，每隔6.35mm的固定距离布置一颗，红外侧发射LED高度约1mm，发出的大部分红外光平行于PCB表面，侧边框内的消光绒的铺设范围应覆盖对侧红外光源105的照射范围。对于普通的轻型弹丸，红外标定灯条控制板102及红外标定灯条106、107、108可以仅在出厂标定确定光学标定表时使用一次，出厂后不保留；对于重型弹丸，红外标定灯条控制板102及红外标定灯条106、107、108一直保留，每次使用上电时在标定时间内均自动光学标定一次并更新光学标定表，通过这个自动调校的过程避免冲击造成的不可恢复形变引起的弹丸过靶坐标误差。

以下说明实施例1如何完成光学标定表的建立以及弹丸过靶坐标的测量，说明其对于高速弹丸检测性能不佳的原因，并说明在光学标定表建立后对于轻型弹丸以及重型弹丸分别不保留/保留红外标定灯条控制板及红外标定灯条的原因。

上电开始时主控板101通过5个控制通道分别先后输出5个使能脉冲信号到红外标定灯条控制板102，每个脉冲信号的宽度对应于图4中的2个扫描周期，红外标定灯条控制板102上的分通道控制的升压恒流源电路的通道1～5依次打开2个扫描周期的时间分别依次点亮并关闭灯链1、灯链2、灯链3、灯链4、灯链5，在这依次的10个扫描周期内灯链1～灯链5各点亮的LED分别在高速线阵传感器103和104的感应面上成像为一系列亮点，相应地，在像素输出的数据曲线上形成一系列的小尖峰，以质心法求取这些小尖峰的中心位置坐标，即得到了各红外LED的几何位置与尖峰坐标之间的对应表，即光学标定表。

使用轻型冲击摆锤(模拟轻武器的轻型弹丸)以及重型冲击摆锤(模拟航炮等重型弹丸)对于本实施例分别从垂直于靶面和平行于靶面的方向进行冲击试验，并在约0.6mx0.9m大小靶面上固定一6mm直径金属圆柱模拟弹丸过靶时刻位置，进行冲击试验以模拟弹丸从各方向入射时对于实施例的稳定性及精度的影响。试验表明，对于冲击摆锤从垂直于靶面入射的情况，对于实施例的稳定性及精度不造成明显影响；对于冲击摆锤从平行于靶面入射打在靶面侧面的情况，轻型冲击摆锤会造成定位结果最大约0.4mm的抖动，但实验结束后抖动消除，即轻型冲击摆锤从平行于靶面入射的情况对于实施例的稳定性及精度不造成明显影响，重型冲击摆锤在约6～9次平行于靶面入射的冲击后会造成定位结果超过2mm的偏移，而且该偏移在实验结束后保持固定不会消除，即重型冲击摆锤从平行于靶面入射的情况会造成实施例的过靶坐标出现明显的固定偏移。相应地，利用红外标定灯条在冲击实验前后分别求取光学标定表，使用轻型冲击摆锤几乎不会造成光学标定表的改变，使用重型冲击摆锤则在约6～9次平行于靶面入射的冲击后会造成光学标定表发生一定偏移，且偏移值在实验停止后不会改变，说明高速线阵传感器103和104的指向相对于靶面发生了微小的永久性改变。因弹丸接近平行于靶面入射的情况较少，一般是流弹，因此可每次上电时自调校来消除累积的固定误差。对于轻型弹丸，可在出厂时自动求取一次光学标定表后便移除红外标定灯条控制板102及红外标定灯条106、107、108；对于重型弹丸，则必须保留，并在每次上电启动时进行自动求取并更新一次光学标定表的自调校过程以确保弹丸过靶坐标的测量精度。

对于图4所示的传感器工作时序及曝光/非曝光时间示例，主时钟MCLK工作于120MHz，每个扫描周期长6300个MCLK时钟周期(合52.5us)，其中非曝光时间长1388个MCLK时钟周期(合11.57us)，曝光时间长4912个MCLK时钟周期(合40.93us)。由于采用了10bit的采样精度，即要求像素电平采样斜坡及复位电平采样斜坡都至少长1024个MCLK时钟周期，相关双采样CDS工作模式下非曝光时间长度不可能小于像素电平采样斜坡时长，由此造成的非曝光时间若有高速弹丸穿过感应区，则会被漏检测。对比下表可知，若有弹丸长度和92式手枪相当，速度和95式自动步枪相当，则其穿过感应区的时间小于11us，这短于本实施例的非曝光时间，有可能造成漏检测。

表1常见轻重武器的弹丸长度及速度

武器种类	弹丸长度	弹丸初速	可感应时间
				9mm92式手枪	10mm	350m/s	34.2us
5.8mm95式自动步枪	25mm	950m/s	28.4us
				12.7mm89式重机枪	55mm	825m/s	69.1us
130mm59式加农炮	450mm	930m/s	486.0us

以下简述高速线阵传感器是如何通过相关双采样CDS模式消除零点、漂移及复位噪声问题的。本实施例1～4中高速线阵传感器均工作于相关双采样CDS模式。高速线阵传感器带有和线阵CCD/CMOS传感器的像素阵列一一对应的感应节点阵列及锁存器阵列电路，并带有运算放大器、累加器及用于AD转换的计数器及比较器电路。在一个扫描周期中，第一步在行复位RESET脉冲和电子快门SHUTTER脉冲的同时作用下，像素阵列及感应节点阵列都被复位；第二步在电子快门SHUTTER脉冲的下降沿，像素信号复位完成后像素阵列进入曝光时间开始积分；第三步上一周期的像素输出DOUT完成后锁存器阵列被置0；第四步在行复位RESET脉冲的作用下，感应节点阵列都被复位从而采集背景信号电平，然后在计数器的作用下产生一个复位电平采样斜坡，各像素对应的感应节点的复位电平经比较器和复位电平采样斜坡做比较，电平相等时此时计数器的值被以负值的形式写入锁存器阵列与像素对应的位置；第5步在电子快门SHUTTER脉冲的作用下，像素阵列的电平经运算放大器放大进入感应节点阵列，即在SHUTTER脉冲的下降沿曝光时间结束并完成像素信号电平的采集，然后在计数器的作用下产生一个像素电平采样斜坡，各像素对应的感应节点的像素电平经比较器和像素电平采样斜坡做比较，电平相等时此时计数器的值经累加器与锁存器阵列对应位置的负值(表示复位电平)累加，结果置入锁存器阵列对应位置，由此即从像素电平输出中消除了零点、漂移及复位噪声；第6步开始本周期的像素电平DOUT输出，锁存器阵列中的值在MCLK的控制下依次通过DOUT输出。

以下简述主控板是如何采用自动阈值法只处理或上传各传感器亮斑区域内像素的传感数据的，适用于本实施例1～4。传感器向主控板输出像素DOUT，亮斑指示信号BOUT通过以带滞回比较的自动动态阈值方法处理DOUT得到，该算法可由硬件完成，具体如下，下式中一般选择滞回值hys＝4，DOUT[n]表示第n个像素的像素电平输出值：

if(DOUT[n-1]/2+DOUT[n-2]/4+DOUT[n-3]/8+hys<7*DOUT[n]/8)输出BOUT[n]为1，表示像素n处于亮斑区域

if(DOUT[n-1]/2+DOUT[n-2]/4+DOUT[n-3]/8-hys>7*DOUT[n]/8)输出BOUT[n]为0，表示像素n不处于亮斑区域

通过以上的BOUT[n]主控板即可确定本周期内该传感器是否有亮斑出现，以及有亮斑出现时的亮斑区域及像素电平输出值。主控板可仅处理亮斑区域的像素数据，通过该方法，大大减小了传输及处理的负担，ZYNQ7020 FPGA内部PS部分的667MHz的ARM CortexA9处理器即可完成输出处理及坐标计算，无需上传原始数据至上位机进行处理。利用自动阈值法确定亮斑区域后，可以质心法求取亮斑中心，即尖峰的位置。

为解决实施例1对于高速弹丸的漏检测问题，以下给出实施例2。

本发明实施例2的方法步骤为一种各类速度弹丸的过靶位置检测方法，包括以下步骤：

步骤1：主控板控制红外光源关闭，通过红外标定灯条控制板以控制红外标定灯条逐灯链点亮，即每个灯链点亮多个扫描周期后关闭，同时通过输出移相驱动逻辑至N＝3个高速线阵传感器以采集红外标定灯条依次点亮每个灯链的图像，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法逐次计算灯链每个亮斑在线阵传感器感应区域(即成像区)上的像素坐标中心并将其与LED的几何位置按照每个传感器像素坐标从小到大次序与LED逆时针次序排列的几何位置一一对应，以构建光学标定表；

步骤2：主控板通过红外标定灯条控制板关闭红外标定灯条，控制红外光源点亮，主控板输出移相驱动逻辑至N＝3个高速线阵传感器以采集被较亮弹丸遮挡的暗背景侧边框的图像，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法计算有弹丸穿过时反光的成像亮斑在线阵传感器感应区域(即成像区)上的像素坐标中心，查询光学标定表并线性插值计算亮斑对应的红外标定灯条上的几何位置，由于移相时可保证任一线阵传感器的非曝光时间都被其他两个传感器的曝光时间所覆盖，因此同一序号周期成像时至少会有2个或3个线阵传感器存在亮斑，取其中任意两组传感器和亮斑几何位置，两个亮斑对应的几何位置分别和两个高速线阵传感器的光心构成直线，求交即得到弹丸过靶坐标。

实施例2相比于实施例1在安装三个侧边框以外的边上除2个高速线阵传感器103和104外，还增加了一个高速线阵传感器112，该传感器装配的镜头配合传感器时视角比103和104大，同样需要覆盖靶面区域，如采用2.3mm镜头，可获得不小于122度的扇形视角范围，大于103和104的89度。另外，实施例2中3个线阵传感器的控制时序也与实施例1不同，实施例1中103和104如图4所示采用同样的控制时序，实施例2中103、112和104则采用移相的控制时序，使得在任意时刻其中某一传感器的非曝光时间都被其他两个传感器的曝光时间所覆盖，即无论弹丸穿过感应区的时刻如何，它都至少被3个传感器中的2个检测到，这样就解决了高速弹丸的漏检测问题。以下详细说明实施例2，附图中为清楚起见夸大了相应部件尺寸：

本发明的实施例2如图7所示，一种自动报靶装置，包括靶面、红外光源、三个侧边框、主控板、3个高速线阵传感器、可选的红外标定灯条控制板和红外标定灯条。其中除靶面外的部件应安装于防弹结构的后侧以避免受到弹丸的损伤。具体构成如下：

平整靶材111，平铺贴于靶材上的靶纸110，两者构成了靶面；

由较大功率的850nm红外LED灯条及与其并排放置的长柱镜组成的红外光源105，灯条上每米长度上均匀布置有60颗5050封装的850nm红外LED，功率约为14.4W，长柱镜汇聚红外LED灯条的光使其大部分平行于靶面，这样当弹丸穿过红外LED灯条与高速线阵传感器构成的检测面时会被红外光源照亮而反射红外光，从而在高速线阵传感器的感应区域的相应位置成像为亮斑；

三个侧边框构成的暗背景109，如图6所示，侧边框由黑色铝合金型材构成，其朝向靶面中心的一侧贴附有消光绒，除被弹丸反射的部分外，红外光源105发出的其余红外光到达三个侧边框并被消光绒吸收；

主控板101，主控板101上有一个ZYNQ7020 FPGA，该FPGA在初始化阶段，即标定时间内输出驱动时序关闭红外光源105并控制红外标定灯条控制板102依次点亮如图5的红外标定灯条106、107和108的第1～5个灯链的LED，每个灯链的点亮时间持续2个扫描周期，每个点亮的LED在高速线阵传感器的感应区域的相应位置成像为一个亮斑，FPGA检测并计算每个亮斑在感应区域上的像素坐标并将其与LED的几何位置对应，即形成了标定表；初始化阶段结束后进入正常工作阶段，即报靶工作时间，该FPGA输出控制时序打开红外光源105并关闭所有红外标定灯条，FPGA检测并计算有弹丸穿过时反光的成像亮斑在3个高速线阵传感器的感应区域上的像素坐标，此时可能会有3个成像亮斑(弹丸未被任一传感器漏检测)或有2个成像亮斑(弹丸通过检测面时处于其中一个传感器的非曝光时间内)，查标定表并插值计算该亮斑对应的红外标定灯条上的几何位置。存在3个成像亮斑时，三个几何位置分别和对应的3个高速线阵传感器的光心构成直线，只要求取过传感器103和104的直线交点，即为弹丸过靶坐标；存在2个成像亮斑时，2个几何位置分别和对应的2个高速线阵传感器的光心构成直线，求这两条直线的交点，即得到弹丸过靶坐标；

安装于三个侧边框以外的边上的3个高速线阵传感器103、112和104，由高速线阵CCD/CMOS传感器，接口电路，窗口滤光片以及成像透镜等成像结构构成；该高速线阵传感器具备大视角从而保证其探测的扇形范围可以覆盖整个靶面。其中高速线阵CCD/CMOS传感器接收来自于主控板FPGA的驱动逻辑，以相关双采样或相关多采样这样的利于消除零点及漂移并抑制噪声的方式工作。传感器103和104可布置于此边两角，采用4.23mm镜头以获得不小于89度的扇形视角范围，传感器112则布置于此边中心，采用2.3mm镜头以获得不小于122度的扇形视角范围。高速线阵传感器的感应区域上需贴附窗口滤光片，窗口滤光片(也称窄带滤光片)允许透过的波长范围应当与红外光源匹配，如匹配850nm红外光源的窗口滤光片其透过的波长范围如图3所示，以减小太阳等环境光干扰。室内或对抗环境光干扰要求不高的情况下该窗口滤光片也可省略或采用普通高通滤光片(高于780nm波长通过)。由于相关双采样时有一段时间高速线阵CCD/CMOS传感器须处于非曝光状态，对于本实施例2的情况每个扫描周期长6300个MCLK时钟周期(合52.5us)，其中非曝光时间长1388个MCLK时钟周期(合11.57us)。因而采用移相的方式，即传感器112的行同步SYNC脉冲比传感器103的行同步SYNC脉冲推后2100个MCLK(1/3个扫描周期)，传感器104的行同步SYNC脉冲比传感器112的行同步SYNC脉冲推后2100个MCLK(1/3个扫描周期)，通过此方法将非曝光时间相互错开，即保证了任意时刻其中某一传感器的非曝光时间都被其他两个传感器的曝光时间所覆盖，即无论弹丸穿过感应区的时刻如何，它都至少被3个传感器中的2个检测到，这样就解决了高速弹丸的漏检测问题。

红外标定灯条控制板102，由带有各灯链使能端的自动调节升压器电路组成，在相应灯链处于使能打开状态时按照设置的电流大小以恒流方式点亮相应灯链。红外标定灯条控制板102接收来自于主控板的红外标定灯条的驱动逻辑来驱动各灯链使能端。

安装于三个侧边框内的红外标定灯条106、107、108的PCB及侧边框内的安装方式分别如图5及图6所示。红外标定灯条采用较大射束角的850nm小型贴片红外侧发射LED，每隔6.35mm的固定距离布置一颗，红外侧发射LED高度约1mm，发出的大部分红外光平行于PCB表面，侧边框内的消光绒的铺设范围应覆盖对侧红外光源105的照射范围。对于普通的轻型弹丸，红外标定灯条控制板102及红外标定灯条106、107、108可以仅在出厂标定确定光学标定表时使用一次，出厂后不保留；对于重型弹丸，红外标定灯条控制板102及红外标定灯条106、107、108一直保留，每次使用上电时在标定时间内均自动光学标定一次并更新光学标定表，通过这个自动调校的过程避免冲击造成的不可恢复形变引起的弹丸过靶坐标误差。

实施例2中的光学标定表的建立方法、双采样CDS模式及硬件选择亮斑数据的方法均与实施例1相同。与本实施例2相比，基于高速工业相机的方案一般需要采用加拿大DALSA公司的高速线扫相机配合CAMERALINK接口卡将数据上传到高性能台式机来实现，为尽量不漏掉高速弹丸只能减小扫描周期时间，需采用接近相机极限的60KHz扫描速度，传输数据量是本实施例原始数据量的4倍以上，而且本实施例采用只处理或上传各传感器亮斑区域内像素的传感数据，这就大大降低了数据处理压力及成本。

实施例1和实施例2均只涉及了弹丸过靶坐标定位方法，下面通过实施例3说明弹丸过靶时刻的测量方法。实施例3也采用了移相的办法，但相比于实施例2采用了更多的高速线阵传感器。实施例3中的光学标定表的建立方法、双采样CDS模式及硬件选择亮斑数据的方法均与实施例1和2相同。得益于硬件选择亮斑数据的方法降低了数据传输及处理压力，实施例3才得以采用更多的高速线阵传感器来提高弹丸过靶时刻的测量精度。对于实施例3，理论上来说，使用n个传感器时，高速弹丸的情况时(弹丸经过感应面的时间不超过每一扫描周期T内的非曝光时间)，弹丸过靶时刻的测量误差最大不超过T/n与半个非曝光时间中的较小值；低速弹丸的情况时，当n≥5时，弹丸过靶时刻的测量误差最大不超过T/n。传感器个数受FPGAIO数目及高速传输通道个数有关，由于可仅选择其中的三个传感器来向FPGA传输原始像素输出信息DOUT(一般为8位～12位)，其他只要传输亮斑位置信息BOUT(1位)即可完成弹丸过靶位置坐标解算，可以节省大量IO，这样对于ZYNQ7020 FPGA，有4个高速传输通道，每个传输通道最多可传输16个传感器数据，故最多可采用64个传感器。因而对于本例的情况，过靶时刻精度可达52.5us/64，即0.82us。对于表1中95式自动步枪的情况，若对于实施例4每隔9.5米设置一个64传感器的实施例3，则最坏情况弹丸通过两者间的时间误差可达1.64us，对应的最大速度误差为0.156m/s，这个检测精度对于大部分弹丸的弹道检测已经足够精确了。即使对于仅用5个传感器的情况，过靶时刻精度也可达1260个MCLK时间，即10.5us,对应的最大速度误差为2m/s，仍然可以满足精度要求不高时的弹道检测。

一般来说对于低速弹丸的情况，当每个扫描周期长J个MCLK而非曝光时间长K个MCLK时，使用[J/K+1](表示J/K+1取整)个传感器，并均匀移相即能得到尚可的弹丸过靶时刻的测量精度(误差不超过非曝光时间的一半)，即对于本实施例的情况，J＝6300，K＝1388，采用5个传感器，每个传感器相比于邻近的传感器移相1260个MCLK时间长度，能保证这些传感器的非曝光时间彼此相接且有少许重叠。

以下详细说明实施例3，本发明实施例3的方法为一种各类速度弹弹丸的过靶位置及过靶时刻检测方法，包括以下步骤：

步骤1：主控板控制红外光源关闭，通过红外标定灯条控制板以控制红外标定灯条逐灯链点亮，即每个灯链点亮多个扫描周期后关闭，主控板输出移相驱动逻辑至N>3个数量的高速线阵传感器，但仅采集其中3个返回原始像素输出的传感器的依次点亮每个灯链的图像，所述原始像素采集传感器的移相相位须保证，在这3个返回原始像素输出的传感器中任一高速线阵传感器的非曝光时间都被其他两个传感器的曝光时间所覆盖，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法计算每个亮斑在感应区域上的像素坐标中心并将其与LED的几何位置按照每个传感器像素坐标从小到大次序与LED逆时针次序排列的几何位置一一对应，以构建其中3个返回原始像素输出的传感器的光学标定表；

步骤2：主控板通过红外标定灯条控制板关闭红外标定灯条，控制红外光源点亮，主控板输出移相驱动逻辑至高速线阵传感器，以采集被较亮弹丸遮挡的暗背景侧边框的图像，其中3个传感器是具有原始像素输出信息的，其余传感器只有亮斑位置信息以节省IO，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法计算有弹丸穿过时反光的成像亮斑在这3个传感器的线阵传感器感应区域(即成像区)上的像素坐标中心，对于这3个传感器查询光学标定表并线性插值计算亮斑对应的红外标定灯条上的几何位置，由于移相时可保证任一线阵传感器的非曝光时间都被其他两个传感器的曝光时间所覆盖，因此同一序号扫描周期成像时会有2个或3个线阵传感器存在亮斑，取其中任意两组传感器和亮斑几何位置，两个亮斑对应的几何位置分别和两个高速线阵传感器的光心构成直线，求交即得到弹丸过靶坐标。

步骤3：若对于某一序号的扫描周期可计算得过靶坐标，则在该扫描周期对于各传感器进行搜索，若搜索到某个或某几个传感器此扫描周期内无亮斑出现，则取其中中间相位的传感器在该扫描周期的非曝光时间中点作为弹丸过靶时刻，若未搜索到此种情况，继续对该扫描周期前后各一个扫描周期进行搜索，若某一个或几个传感器的某个非曝光时间的前后两个周期都出现了亮斑，取其中中间相位的传感器的非曝光时间中点作为过靶时刻。

本发明的实施例3如图9所示，一种自动报靶装置，包括靶面、红外光源、三个侧边框、主控板、5个高速线阵传感器、可选的红外标定灯条控制板和红外标定灯条。其中除靶面外的部件应安装于防弹结构的后侧以避免受到弹丸的损伤。具体构成如下：

平整靶材111，其中靶材中部的主要区域为可能通过弹丸的部分，此部分挖空以免影响弹丸速度，这构成了靶面；

由较大功率的850nm红外LED灯条及与其并排放置的长柱镜组成的红外光源105，灯条上每米长度上均匀布置有60颗5050封装的850nm红外LED，功率约为14.4W，长柱镜汇聚红外LED灯条的光使其大部分平行于靶面，这样当弹丸穿过红外LED灯条与高速线阵传感器构成的检测面时会被红外光源照亮而反射红外光，从而在高速线阵传感器的感应区域的相应位置成像为亮斑；

三个侧边框构成的暗背景109，如图6所示，侧边框由黑色铝合金型材构成，其朝向靶面中心的一侧贴附有消光绒，除被弹丸反射的部分外，红外光源105发出的其余红外光到达三个侧边框并被消光绒吸收；

主控板101，主控板101上有一个ZYNQ7020 FPGA，该FPGA在初始化阶段，即标定时间内输出驱动时序关闭红外光源105并控制红外标定灯条控制板102依次点亮如图3的红外标定灯条106、107和108的第1～5个灯链的LED，每个灯链的点亮时间持续2个扫描周期，每个点亮的LED在高速线阵传感器的感应区域的相应位置成像为一个亮斑，FPGA检测并计算每个亮斑在感应区域上的像素坐标并将其与LED的几何位置对应，即形成了标定表；初始化阶段结束后进入正常工作阶段，即报靶工作时间，该FPGA输出控制时序打开红外光源105并关闭所有红外标定灯条，FPGA检测并计算有弹丸穿过时反光的成像亮斑在3个高速线阵传感器103、112和104的感应区域上的像素坐标，此时可能会有3个成像亮斑(弹丸未被任一传感器漏检测)或有2个成像亮斑(弹丸通过检测面时处于其中一个传感器的非曝光时间内)，查标定表并插值计算该亮斑对应的红外标定灯条上的几何位置。存在3个成像亮斑时，三个几何位置分别和对应的3个高速线阵传感器的光心构成直线，只要求取过传感器103和104的直线交点，即为弹丸过靶坐标；存在2个成像亮斑时，2个几何位置分别和对应的2个高速线阵传感器的光心构成直线，求这两条直线的交点，即得到弹丸过靶坐标，此处需注意由于113和114仅上传BOUT即亮斑位置信息，不上传DOUT即亮斑像素输出数据，故113和114不参与弹丸过靶坐标解算，仅参与过靶时刻估计；

安装于三个侧边框以外的边上的3个高速线阵传感器103、113、112、114和104，由高速线阵CCD/CMOS传感器，接口电路，窗口滤光片以及成像透镜等成像结构构成；该高速线阵传感器具备大视角从而保证其探测的扇形范围可以覆盖整个靶面。如图10所示，其中高速线阵CCD/CMOS传感器接收来自于主控板FPGA的驱动逻辑，以相关双采样或相关多采样这样的利于消除零点及漂移并抑制噪声的方式工作。传感器103和104可布置于此边两角，采用4.23mm镜头以获得不小于89度的扇形视角范围，传感器113、112、114则布置于此边边上，采用2.3mm镜头以获得不小于122度的扇形视角范围。高速线阵传感器的感应区域上需贴附窗口滤光片，窗口滤光片(也称窄带滤光片)允许透过的波长范围应当与红外光源匹配，如匹配850nm红外光源的窗口滤光片其透过的波长范围如图3所示，以减小太阳等环境光干扰。室内或对抗环境光干扰要求不高的情况下该窗口滤光片也可省略或采用普通高通滤光片(高于780nm波长通过)。由于相关双采样时有一段时间高速线阵CCD/CMOS传感器须处于非曝光状态，对于本实施例3的情况每个扫描周期长6300个MCLK时钟周期(合52.5us)，其中非曝光时间长1388个MCLK时钟周期(合11.57us)。因而采用移相的方式，即传感器113的行同步SYNC脉冲比传感器103的行同步SYNC脉冲推后1260个MCLK(1/5个扫描周期)，传感器112的行同步SYNC脉冲比传感器113的行同步SYNC脉冲推后1260个MCLK(1/5个扫描周期)，传感器114的行同步SYNC脉冲比传感器112的行同步SYNC脉冲推后1260个MCLK(1/5个扫描周期)，传感器104的行同步SYNC脉冲比传感器114的行同步SYNC脉冲推后1260个MCLK(1/5个扫描周期)通过此方法将相邻移相的传感器的非曝光时间首尾相接并有少许相互覆盖的区域，即保证了在任意时刻均可处于其中一个传感器的非曝光时间内。

红外标定灯条控制板102，由带有各灯链使能端的自动调节升压器电路组成，在相应灯链处于使能打开状态时按照设置的电流大小以恒流方式点亮相应灯链。红外标定灯条控制板102接收来自于主控板的红外标定灯条的驱动逻辑来驱动各灯链使能端。

安装于三个侧边框内的红外标定灯条106、107、108的PCB及侧边框内的安装方式分别如图5及图6所示。红外标定灯条采用较大射束角的850nm小型贴片红外侧发射LED，每隔6.35mm的固定距离布置一颗，红外侧发射LED高度约1mm，发出的大部分红外光平行于PCB表面，侧边框内的消光绒的铺设范围应覆盖对侧红外光源105的照射范围。对于普通的轻型弹丸，红外标定灯条控制板102及红外标定灯条106、107、108可以仅在出厂标定确定光学标定表时使用一次，出厂后不保留；对于重型弹丸，红外标定灯条控制板102及红外标定灯条106、107、108一直保留，每次使用上电时在标定时间内均自动光学标定一次并更新光学标定表，通过这个自动调校的过程避免冲击造成的不可恢复形变引起的弹丸过靶坐标误差。

实施例3中的光学标定表的建立方法、双采样CDS模式及硬件选择亮斑数据的方法均与实施例1和2相同。

以下说明实施例3中过靶时刻估计的方法。对于高速弹丸的情况，即弹丸的通过检测面的时间小于非曝光的情况，此种情况由于103、113、112、114和104这5个传感器的非曝光时间首尾相接并仅少量重叠，故在同一行同步序号的扫描周期内(图中标记的1/5扫描周期所在的那个扫描周期)必然出现其中4个传感器检测到了亮斑但另外一个传感器没有检测到亮斑的情况，则此弹丸的通过检测面的中间时刻(即弹丸过靶时刻)必然处于这一个传感器的非曝光时间内，以该传感器非曝光时间的中间时刻作为过靶时刻，误差必然不超过非曝光时间的一半，即1388/2个MCLK时间，合5.78us。对于低速弹丸的情况，由表1可知，其中的轻武器，弹丸可以处于其中1～2个扫描周期的曝光时间内，而且必然会出现对于其中某一个或某几个传感器，弹丸处于其中2个扫描周期的曝光时间内的情况，进行以下判断：若对于某个同一行同步序号的扫描周期，其中只存在一个传感器此周期和上一序号的扫描时间都检测到亮斑，则取该传感器上一序号扫描周期的非曝光时间的中间时刻作为弹丸过靶时刻，若存在几个传感器都存在此周期和上一序号的扫描时间都检测到亮斑的情况，奇数个时取相位排列在中间的那个传感器(如113、112和114中取112)，偶数个时取相位在中间的2个传感器中前后两周期BOUT为1的像素数差值最小的那个传感器，以该传感器上一序号扫描周期的非曝光时间的中间时刻作为弹丸过靶时刻，误差不会超过T/5，即1260个MCLK，合10.5us。

以下说明实施例4，实施例4是通过在弹丸可能通过的轨迹范围上依次排列若干个实施例3(1号、2号...m号)，并增加时统功能得到的。所有传感器采用各自同频率的时钟源MCLK并且扫描周期都为T。对于实施例4所用的1号实施例3，取其左上角传感器103的行同步sync信号，经芯片转换为RS485信号，再经长距离传输后到达2号实施例3，经芯片还原为TTL电平信号后作为2号实施3例左上角传感器103的行同步sync信号，以逻辑分析仪或示波器测量1号和2号实施例3各自左上角传感器103的行同步sync信号为T1，再取2号实施例3左上角传感器103的行同步sync信号，经芯片转换为RS485信号，再经长距离传输后到达3号实施例3，经芯片还原为TTL电平信号后作为3号实施例左上角传感器103的行同步sync信号，以逻辑分析仪或示波器测量2号和3号实施例3各自左上角传感器103的行同步sync信号为T2，...依次类推，直到测量到TM-1。在初始时刻0，1号实施例3左上角传感器103开始第一个扫描周期，则1号实施例3的113、112、114和104开始第一个扫描周期的时刻分别为T/5,2T/5,3T/5,4T/5；2号实施例3的103、113、112、114和104开始第一个扫描周期的时刻分别为T1，T1+T/5,T1+2T/5,T1+3T/5,T1+4T/5；3号实施例3的103、113、112、114和104开始第一个扫描周期的时刻分别为T1+T2，T1+T2+T/5,T1+T2+2T/5,T1+T2+3T/5,T1+T2+4T/5；...依次类推,直到M号实施例3的103、113、112、114和104开始第一个扫描周期的时刻分别为T1+T2+…+TM-1，T1+T2+…+TM-1+T/5,T1+T2+…+TM-1+2T/5,T1+T2+…+TM-1+3T/5,T1+T2+…+TM-1+4T/5。通过以上过程即完成了时统功能，结合实施例3中描述的过靶时刻及过靶坐标的测量方法即完成了整个弹道测量系统，可知道弹丸在整个弹道各测量处的过靶时刻及过靶坐标。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种相关双采样线阵传感器的自动报靶及弹道测量系统，其特征在于，包括：靶面、红外光源、三个暗背景侧边框、主控板、红外标定灯条控制板、红外标定灯条、N个高速线阵传感器，N≥2；

所述红外光源安装于所述靶面的一个侧边，所述三个暗背景侧边框依次安装于所述靶面的另外三个侧边，所述N个高速线阵传感器安装于所述红外光源所在的侧边；所述主控板分别与所述的N个高速线阵传感器依次连接；所述的主控板与红外标定灯条控制板连接、红外标定灯条控制板与红外标定灯条依次连接；

若高速线阵传感器的数量为2个时，将所述相关双采样线阵传感器的自动报靶及弹道测量系统用于实现低速弹丸的弹丸过靶位置检测方法；

若高速线阵传感器的数量为3个时，将所述相关双采样线阵传感器的自动报靶及弹道测量系统用于实现各类速度弹丸的弹丸过靶位置检测方法；

若高速线阵传感器的数量大于3个时，将所述相关双采样线阵传感器的自动报靶及弹道测量系统用于各类速度弹丸的过靶位置及过靶时刻检测方法；

低速弹丸的过靶位置检测方法，包括以下步骤：

步骤1：主控板控制红外光源关闭，通过红外标定灯条控制板以控制红外标定灯条逐个点亮灯链，即每个灯链点亮多个扫描周期后关闭，同时通过输出同相驱动逻辑至N＝2个高速线阵传感器以采集红外标定灯条依次点亮每个灯链的图像，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法逐次计算灯链每个亮斑在线阵传感器感应区域上的像素坐标中心并将其与LED的几何位置按照每个传感器像素坐标从小到大次序与LED逆时针次序排列的几何位置一一对应，以构建光学标定表；

步骤2：主控板通过红外标定灯条控制板关闭红外标定灯条，控制红外光源点亮，主控板输出同相驱动逻辑至N＝2个高速线阵传感器采集被较亮弹丸遮挡的暗背景侧边框的图像，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法计算有弹丸穿过时弹丸反光的成像亮斑在线阵传感器感应区域上的像素坐标中心，查询光学标定表并线性插值计算亮斑对应的红外标定灯条上的几何位置，两个亮斑对应的几何位置分别和两个高速线阵传感器的光心构成直线，求交即得到弹丸过靶坐标；

各类速度弹丸的过靶位置检测方法，包括以下步骤：

步骤1：主控板控制红外光源关闭，通过红外标定灯条控制板以控制红外标定灯条逐灯链点亮，即每个灯链点亮多个扫描周期后关闭，同时通过输出移相驱动逻辑至N＝3个高速线阵传感器以采集红外标定灯条依次点亮每个灯链的图像，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法逐次计算灯链每个亮斑在线阵传感器感应区域上的像素坐标中心并将其与LED的几何位置按照每个传感器像素坐标从小到大次序与LED逆时针次序排列的几何位置一一对应，以构建光学标定表；

步骤2：主控板通过红外标定灯条控制板关闭红外标定灯条，控制红外光源点亮，主控板输出移相驱动逻辑至N＝3个高速线阵传感器以采集被较亮弹丸遮挡的暗背景侧边框的图像，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法计算有弹丸穿过时反光的成像亮斑在线阵传感器感应区域上的像素坐标中心，查询光学标定表并线性插值计算亮斑对应的红外标定灯条上的几何位置，取其中任意两组传感器和亮斑几何位置，两个亮斑对应的几何位置分别和两个高速线阵传感器的光心构成直线，求交即得到弹丸过靶坐标；

各类速度弹丸的过靶位置及过靶时刻检测方法，包括以下步骤：

步骤1：主控板控制红外光源关闭，通过红外标定灯条控制板以控制红外标定灯条逐灯链点亮，即每个灯链点亮多个扫描周期后关闭，主控板输出移相驱动逻辑至N个高速线阵传感器，从N个高速线阵传感器选取3个高速线阵传感器作为原始像素采集传感器，采集返回原始像素输出的传感器的依次点亮每个灯链的图像，所述原始像素采集传感器的移相相位须保证，在3个原始像素采集传感器中任一高速线阵传感器的非曝光时间都被其他两个传感器的曝光时间所覆盖，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法计算每个亮斑在感应区域上的像素坐标中心并将其与LED的几何位置按照每个传感器像素坐标从小到大次序与LED逆时针次序排列的几何位置一一对应，以构建所述的3个原始像素采集传感器的光学标定表，N大于3；

步骤2：主控板通过红外标定灯条控制板关闭红外标定灯条，控制红外光源点亮，主控板输出移相驱动逻辑至高速线阵传感器，以采集被较亮弹丸遮挡的暗背景侧边框的图像，其中步骤1所述的3个原始像素采集传感器是具有原始像素输出信息的，其余传感器只有亮斑位置信息以节省IO，以自动阈值法判断亮斑区域并在亮斑区域中以质心法计算有弹丸穿过时反光的成像亮斑在这3个高速线阵传感器的线阵传感器感应区域上的像素坐标中心，对于这3个高速线阵传感器查询光学标定表并线性插值计算亮斑对应的红外标定灯条上的几何位置，由于移相相位可保证步骤1所述的3个原始像素采集传感器中任一线阵传感器的非曝光时间都被其他两个传感器的曝光时间所覆盖，则同一序号扫描周期成像时此3个原始像素采集传感器会有2个或3个线阵传感器存在弹丸反光亮斑，取其中任意两组传感器和亮斑几何位置，两个亮斑对应的几何位置分别和两个高速线阵传感器的光心构成直线，求交即得到弹丸过靶坐标；

步骤3：若对于某一序号的扫描周期可计算得过靶坐标，则在该扫描周期对于各传感器进行搜索，若搜索到某个或某几个传感器此扫描周期内无亮斑出现，则取其中中间相位的传感器在该扫描周期的非曝光时间中点作为弹丸过靶时刻，若未搜索到此种情况，继续对该扫描周期前后各一个扫描周期进行搜索，若某一个或几个传感器的某个非曝光时间的前后两个周期都出现了亮斑，取其中中间相位的传感器的非曝光时间中点作为过靶时刻。

2.根据权利要求1所述的相关双采样线阵传感器的自动报靶及弹道测量系统，其特征在于：所述靶面的靶材上平铺有靶纸；所述红外光源平行于所述靶面发出红外光，覆盖整个靶面并射至对侧的三个暗背景侧边框上，所述红外光源在上电初始时刻即构建光学标定表过程中是不点亮的，在构建光学标定表之后是连续点亮的。

3.根据权利要求1所述的相关双采样线阵传感器的自动报靶及弹道测量系统，其特征在于：所述三个暗背景侧边框，具备一定宽度并环绕安装于所述靶面红外光源所在边之外的另外三个侧边，侧边框上覆盖吸光材料，可有效吸收红外光源射至侧边框上的红外光。

4.根据权利要求1所述的相关双采样线阵传感器的自动报靶及弹道测量系统，其特征在于：所述主控板包括语音播放模块、显示模块以及网络传输模块；

所述主控板用于发出所述的高速线阵传感器、红外光源、红外标定灯条的驱动逻辑，接收所述高速线阵传感器所采集的数据，在上电初始时刻构建各光学标定表，在之后的报靶工作时间查询光学标定表并插值计算各高速线阵传感器检出的反射亮斑像素位置对应的所述红外标定灯条上的几何位置，从中选取两个几何位置分别和两个所述高速线阵传感器的光心构成直线，求交即得到弹丸过靶坐标，将弹丸过靶坐标传输至上位机。

5.根据权利要求1所述的相关双采样线阵传感器的自动报靶及弹道测量系统，其特征在于：所述红外标定灯条控制板通过主控板的红外标定灯条驱动逻辑控制，在上电初始时刻构建光学标定表时依次点亮红外标定灯条的各灯链；

所述红外标定灯条由PCB上分组为若干灯链并均匀排布的红外发射LED构成，依次安装于所述三个暗背景侧边框的底侧或顶侧；

所述N个高速线阵传感器的可视范围完整覆盖三个暗背景侧边框，所述高速线阵传感器的前端均带有窗口型红外滤光片，并安装有带光缝的普通镜头。

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