CN112985197B - 多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置和方法 - Google Patents

多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置和方法，涉及光电测试技术领域，由大画幅镜头、光学镜头、阵列汇聚透镜、光电探测器、双狭缝光阑、线阵CCD、信号处理电路模块、图像采集模块和上位机等组成，其中，双狭缝光阑呈不同的角度位于大画幅镜头的下方。当目标穿过探测区域，光电探测器探测到目标信号，通过信号处理电路模块将目标信号进行放大、滤波处理；线阵CCD获取目标图像，图像采集模块采集并存储目标图像，将目标信号和图像信息传输给上位机，本发明的测试装置构造简单、探测视场大、探测能力强，可对多目标参数测量。

Description

多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置和方法
技术领域
本发明涉及光电测试技术领域，具体涉及多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置和方法。
背景技术
在武器测试领域，目标多参数是评估武器性能的重要指标，随着高射频转管武器系统、金属风暴式多管齐射武器等高性能武器的不断发展，对测试装置的要求不断提高，这些高性能武器射击频率高、弹丸飞行速度快、散布面积大，需要具有探测区域大、探测能力强等性能的测试装置。
目前现有的目标飞行参数的测试装置和方法主要有线圈靶、天幕靶、光幕靶和面阵CCD等。这些测试方法获取目标位置存在一定的局限性，天幕靶采用多光幕组合的形式运载不方便、不能同时测量多个目标；光幕靶结构复杂、探测靶面较小、布置不灵活。面阵CCD当多个目标经过探测区域时会出现重叠，无法对所有的目标探测，存在一定的漏测现象；虽然已有专利提出一种楔形光幕阵列测量阵列炮管弹丸初速的装置及方法，利用楔形光幕对阵列式多弹丸进行初速测量，但是此发明只针对阵列式连发武器的初速进行测量，不能进行位置参数的测量。已有专利提出双弹丸同时着靶坐标测量装置及测量方法，但是该发明只能针对双弹丸进行位置测量不能对多发同时着靶的目标测量，而且只能测量位置参数不能测量速度参数。
综上所述，目前的现有技术无法满足多目标参数测试要求，迫切需要一种新型且能满足多目标位置及速度参数测试要求的装置和方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置，包括底座、壳体和设置在所述壳体上的测试单元；
所述壳体设置在所述底座上并与所述底座转动连接；
所述测试单元包括设置在所述壳体顶部的大画幅镜头和光学镜头，所述大画幅镜头的正下方依次设置有阵列汇聚透镜、双狭缝光阑和光电探测器，所述阵列汇聚透镜包括五个中透镜和四个棱镜，五个所述中透镜并排设置构成中透镜组，所述中透镜下方依次设置有一个凸透镜、一个凹透镜、一个凸透镜，所述中透镜组及中透镜组下方的凸透镜两端分别设置有一个所述棱镜；所述双狭缝光阑能够形成呈不同角度的两个光幕，且该双狭缝光阑位于阵列汇聚透镜的下方，所述双狭缝光阑上有两道狭缝，分别形成倾斜的第一光幕M1和垂直的第二光幕M2；
所述光学镜头正下方设置有电气盒，所述电气盒与所述壳体的内侧连接，所述电气盒内从上到下依次设置有调焦平面和线阵CCD，所述电气盒外壁设置有电机盒，所述电机盒内设置有调整电机，所述调整电机用于调整所述调焦平面的上下位置，所述线阵CCD和光学镜头共同形成第三光幕M3；
所述壳体内设置有信号处理电路模块和图像采集模块，所述图像采集模块用于采集并存储所述线阵CCD获取的目标图像，所述光电探测器与所述信号处理电路模块电连接，所述图像采集模块和信号处理电路模块均与上位机电连接。
优选的，所述壳体顶部两侧分别设置有互相垂直的水平水泡和垂直水泡。
优选的，所述底座包括支撑板和设置在所述支撑板底部的三个支撑座，每个所述支撑座均包括调节旋钮和螺柱，所述螺柱穿过所述支撑板，上端螺接有螺柱帽，下端连接有锥体地脚，所述调节旋钮设置在所述支撑板和锥体地脚之间并与所述螺柱螺纹连接，所述壳体与所述支撑板转动连接。
优选的，所述壳体底部设有调整转盘，所述支撑板上设置有与所述调整转盘配合的连接凸起盘，所述调整转盘套接在所述连接凸起盘上并绕所述连接凸起盘转动，所述调整转盘外壁设置有锁紧旋钮。
优选的，所述壳体顶部设置有镜头固定壳，所述大画幅镜头的下端设置在所述镜头固定壳内，所述镜头固定壳一侧设置有自调焦电机，所述自调焦电机调节大画幅镜头的离焦距离。
优选的，所述壳体内还设置有电源模块和控制器，所述光电探测器与所述控制器电连接，所述壳体侧面设置有与所述控制器连接的LED显示器、数据接口、状态显示旋钮和电源开关；所述LED显示器用于显示测试装置电源电量、光电流；所述数据接口用于连接所述信号处理电路模块和上位机，所述电源开关用于控制测试装置的供电。
本发明的另一目的在于提供多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试方法，包括以下步骤：
步骤1、多个目标同时垂直进入光幕，目标编号m；
步骤2、目标分别通过第一光幕M1、第二光幕M2、第三光幕M3，第二光幕M2与第三光幕M3之间的距离为L，目标经过三个光幕的时间值分别为t1、t2、t3，Δt1＝t2-t1，Δt2＝t3-t2；
步骤3、以大画幅镜头(8)的视场中心为原点、以垂直于地面方向为y轴、以目标飞行方向为z轴、以同时垂直于y轴和z轴的方向为x轴建立空间位置坐标系xoyz；
步骤4、在yoz平面内，确定目标的yi坐标和速度vi；
Figure GDA0003777660960000031
Figure GDA0003777660960000032
步骤5、在xoz平面，确定目标的x坐标，以线阵CCD(26)的中心为x轴的原点，根据CCD的探测原理计算x坐标，设光学镜头(9)的焦距为f，线阵CCD(26)的像素点数从中心位置开始的个数为n；
Figure GDA0003777660960000033
步骤6、在xoz坐标系中，对于水平方向同时进入探测区域的目标，第三光幕M3是由线阵CCD(26)和光学镜头(9)构成的，根据线阵CCD(26)的探测原理，可以识别水平方向同时着靶目标的x坐标；对于垂直方向同时着靶的目标，由于第一光幕M1是与垂直方向x有一定的夹角α，所以对于垂直方向的目标到第一光幕M1的距离是不同的，根据第一光幕目标信号时间的先后顺序确定目标的y坐标。
本发明提供的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置和方法具有以下有益效果：
本发明采用大画幅镜头与线阵CCD结合的方式实现对多目标参数的测量具有探测光幕结构简易、探测能力强、测试方法简单，体积小靶场布置方便；能够有效测量多个目标速度及位置参数，实现多目标参数的高精度测量，节约了成本，方便搬运，标定方便，可以测量多目标的速度和位置参数，解决了现有装置结构复杂、成本高、布置困难的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置的结构示意图；
图2为本发明所述的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置的布置示意图；
图3为本发明所述的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置的光幕俯视图；
图4为本发明所述的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置的俯视图；
图5为本发明所述的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置的剖面图；
图6为本发明所述的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置中光阑狭缝示意图；
图7为本发明所述的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置中阵列汇聚透镜光路示意图；
图8为本发明所述的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置的光幕坐标示意图；
图9为本发明所述的多目标测试方法中xoz坐标解算的示意图；
图10为本发明所述的多目标测试方法中yoz坐标解算的示意图。
附图标记说明：
2-上位机；3-电气盒；4-数据接口；5-LED显示屏；6-状态显示旋钮；7-电源开关；8-大画幅镜头；9-光学镜头；10-水平水泡；11-垂直水泡；12-锥体地脚；13-调节旋钮；14-螺柱帽；15-连接凸起盘；16-锁紧旋钮；17-螺柱；18-调整转盘；19-信号处理电路模块；20-图像采集模块；21-电源模块；22-壳体；23-光电探测器；24-双狭缝光阑；25-阵列汇聚透镜；26-线阵CCD；27-调焦平面；28-电机盒；29-支撑板；30-自调焦电机；31-镜头固定壳。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置，如图1至图6所示，包括底座、壳体22和设置在壳体22上的测试单元；壳体22设置在底座上并与底座转动连接；
测试单元包括设置在壳体22顶部的大画幅镜头8和光学镜头9，大画幅镜头8的正下方依次设置有阵列汇聚透镜25、双狭缝光阑24和光电探测器23，光电探测器23可提高探测精度，阵列汇聚透镜25包括五个中透镜和四个棱镜，五个中透镜并排设置构成中透镜组，中透镜下方依次设置有一个凸透镜、一个凹透镜、一个凸透镜，中透镜组及中透镜组下方的凸透镜两端分别设置有一个棱镜；双狭缝光阑24能够形成呈不同角度的两个光幕，且该双狭缝光阑24位于阵列汇聚透镜25的下方，由五个中透镜组和四个棱镜以及双凹透镜和双凸透镜组成共同达到对光路的汇聚作用，阵列汇聚透镜光路示意图7所示；如图6所示，双狭缝光阑24上有两道狭缝，分别形成倾斜的第一光幕M1和垂直的第二光幕M2；
光学镜头9正下方设置有电气盒3，电气盒3与壳体22的内侧连接，电气盒3内从上到下依次设置有调焦平面27和线阵CCD26，电气盒3外壁设置有电机盒28，电机盒28内设置有调整电机，调整电机用于调整调焦平面27的上下位置，即电机盒2828配置为当线阵CCD2626采集信号序列的某时刻出现多个目标重合或者遮挡的情况，调整盒内电机以调整光学镜头9的焦距，从而改变光电探测器23的调焦平面27。线阵CCD26和光学镜头9共同形成第三光幕M3，光路图如图7所示。当目标通过探测区域，光电探测器23和线阵CCD26探测到目标信息并传输给上位机2，上位机2根据测试装置光幕间的空间几何关系计算出目标的参数。
壳体22内设置有信号处理电路模块19和图像采集模块20，图像采集模块20用于采集并存储线阵CCD26获取的目标图像，光电探测器23与信号处理电路模块19电连接，图像采集模块20和光信号处理电路模块19均与上位机2电连接。当目标穿过探测区域，光电探测器23探测到目标信号，通过信号处理电路模块19模块将目标信号进行放大、滤波处理；线阵CCD26获取目标图像，图像采集模块采集并存储目标图像，将目标信号和图像信息传输给上位机2，上位机2根据测试装置光幕间的空间几何关系计算出目标的参数。
进一步地，本实施例中，壳体22顶部两侧分别设置有互相垂直的水平水泡10和垂直水泡11，使基于大画幅镜头的多光幕多目标测试装置1与地面呈水平状态。
同时，为了进一步方便调整水平度，本实施例中，底座包括支撑板29和设置在支撑板29底部的三个支撑座，每个支撑座均包括调节旋钮13和螺柱17，螺柱17穿过支撑板29，上端螺接有螺柱帽14，下端连接有锥体地脚12，调节旋钮13设置在支撑板和锥体地脚12之间并与螺柱17螺纹连接，壳体22与支撑板29转动连接。
进一步地，本实施例中，壳体22底部设有调整转盘18，支撑板29上设置有与调整转盘18配合的连接凸起盘15，调整转盘18套接在连接凸起盘15上并绕连接凸起盘15转动，调整转盘18外壁设置有锁紧旋钮16。调整转盘18通过转动调整壳体22的方向，锁紧旋钮16用于固定壳体22。
进一步地，本实施例中，壳体22顶部设置有镜头固定壳31，大画幅镜头8的下端设置在镜头固定壳31内，镜头固定壳31一侧设置有自调焦电机30，自调焦电机30调节大画幅镜头8的离焦距离。
进一步地，本实施例中，壳体22内还设置有电源模块21和控制器，光电探测器23与控制器电连接，壳体22侧面设置有与控制器连接的LED显示器5、数据接口4、状态显示旋钮6和电源开关7；LED显示器5用于显示测试装置电源电量、光电探测器23产生的光电流；数据接口4用于连接信号处理电路模块19和上位机2，电源开关7用于控制测试装置的供电。
在上述装置的基础上，本实施例还提供多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试方法，如图8至图10所示，图9中L为第二光幕与第三光幕的距离，第二第三光幕为垂直光幕，所以它们之间的距离也是两个镜头中心点之间的距离，x1、x2、x3为三个目标m1、m2、m3的X坐标，图10中y1、y2、y3为三个目标m1、m2、m3的Y坐标，该方法具体包括以下步骤：
步骤1、由于光幕之间距离较小，即光电探测器和光学镜头共同形成的空间探测区域太小，所以假设多个目标同时垂直进入光幕，目标编号m1；
步骤2、目标分别通过第一光幕M1、第二光幕M2、第三光幕M3，第二光幕M2与第三光幕M3之间的距离为L，目标经过三个光幕的时间值分别为t1、t2、t3，yt1＝t2-t1，Δt2＝t3-t2；
步骤3、以大画幅镜头(8)的视场中心为原点、以垂直于地面方向为y轴、以目标飞行方向为z轴、以同时垂直于y轴和z轴的方向为x轴建立空间位置坐标系xoyz；
步骤4、在yoz平面内，确定目标的yi坐标和速度vi；
Figure GDA0003777660960000071
Figure GDA0003777660960000072
步骤5、在xoz平面，确定目标的x坐标，以线阵CCD(26)的中心为x轴的原点，根据CCD的探测原理计算x坐标，设光学镜头(9)的焦距为f，线阵CCD(26)的像素点数从中心位置开始的个数为n；
Figure GDA0003777660960000081
步骤6、在xoz坐标系中，对于水平方向同时进入探测区域的目标，第三光幕M3是由线阵CCD26和光学镜头9构成的，根据线阵CCD26的探测原理，可以识别水平方向同时着靶目标的x坐标；对于垂直方向同时着靶的目标，由于第一光幕M1是与垂直方向x有一定的夹角α，所以对于垂直方向的目标到第一光幕M1的距离是不同的，根据第一光幕目标信号时间的先后顺序确定目标的y坐标。
本实施例采用大画幅镜头与线阵CCD结合的方式实现对多目标参数的测量，具有探测光幕结构简易、探测能力强、测试方法简单，体积小靶场布置方便；能够有效测量多个目标速度及位置参数，实现多目标参数的高精度测量，节约了成本，方便搬运，标定方便，可以测量多目标的速度和位置参数，解决了现有装置结构复杂、成本高、布置困难的问题。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置，其特征在于，包括底座、壳体(22)和设置在所述壳体(22)上的测试单元；
所述壳体(22)设置在所述底座上并与所述底座转动连接；
所述测试单元包括设置在所述壳体(22)顶部的大画幅镜头(8)和光学镜头(9)，所述大画幅镜头(8)的正下方依次设置有阵列汇聚透镜(25)、双狭缝光阑(24)和光电探测器(23)，所述阵列汇聚透镜(25)包括五个中透镜和四个棱镜，五个所述中透镜并排设置构成中透镜组，所述中透镜下方依次设置有一个凸透镜、一个凹透镜、一个凸透镜，所述中透镜组及中透镜组下方的凸透镜两端分别设置有一个所述棱镜；所述双狭缝光阑(24)能够形成呈不同角度的两个光幕，且该双狭缝光阑(24)位于阵列汇聚透镜(25)的下方，所述双狭缝光阑(24)上有两道狭缝，分别形成倾斜的第一光幕M1和垂直的第二光幕M2；
所述光学镜头(9)正下方设置有电气盒(3)，所述电气盒(3)与所述壳体(22)的内侧连接，所述电气盒(3)内从上到下依次设置有调焦平面(27)和线阵CCD(26)，所述电气盒(3)外壁设置有电机盒(28)，所述电机盒(28)内设置有调整电机，所述调整电机用于调整所述调焦平面(27)的上下位置，所述线阵CCD(26)和光学镜头(9)共同形成第三光幕M3；
所述壳体(22)内设置有信号处理电路模块(19)和图像采集模块(20)，所述图像采集模块(20)用于采集并存储所述线阵CCD(26)获取的目标图像，所述光电探测器(23)与所述信号处理电路模块(19)电连接，所述图像采集模块(20)和信号处理电路模块(19)均与上位机(2)电连接。
2.根据权利要求1所述的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置，其特征在于，所述壳体(22)顶部两侧分别设置有互相垂直的水平水泡(10)和垂直水泡(11)。
3.根据权利要求2所述的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置，其特征在于，所述底座包括支撑板(29)和设置在所述支撑板(29)底部的三个支撑座，每个所述支撑座均包括调节旋钮(13)和螺柱(17)，所述螺柱(17)穿过所述支撑板(29)，上端螺接有螺柱帽(14)，下端连接有锥体地脚(12)，所述调节旋钮(13)设置在所述支撑板和锥体地脚(12)之间并与所述螺柱(17)螺纹连接，所述壳体(22)与所述支撑板(29)转动连接。
4.根据权利要求3所述的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置，其特征在于，所述壳体(22)底部设有调整转盘(18)，所述支撑板(29)上设置有与所述调整转盘(18)配合的连接凸起盘(15)，所述调整转盘(18)套接在所述连接凸起盘(15)上并绕所述连接凸起盘(15)转动，所述调整转盘(18)外壁设置有锁紧旋钮(16)。
5.根据权利要求1所述的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置，其特征在于，所述壳体(22)顶部设置有镜头固定壳(31)，所述大画幅镜头(8)的下端设置在所述镜头固定壳(31)内，所述镜头固定壳(31)一侧设置有自调焦电机(30)，所述自调焦电机(30)调节大画幅镜头(8)的离焦距离。
6.根据权利要求1所述的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置，其特征在于，所述壳体(22)内还设置有电源模块(21)和控制器，所述光电探测器(23)与所述控制器电连接，所述壳体(22)侧面设置有与所述控制器连接的LED显示器(5)、数据接口(4)、状态显示旋钮(6)和电源开关(7)；所述LED显示器(5)用于显示测试装置电源电量、光电流；所述数据接口(4)用于连接所述信号处理电路模块(19)和上位机(2)，所述电源开关(7)用于控制测试装置的供电。
7.根据权利要求1至6任一项所述的多微透镜汇聚二次成像探测的多目标参数测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、多个目标同时垂直进入光幕，目标编号mi；
步骤2、目标分别通过第一光幕M1、第二光幕M2、第三光幕M3，第二光幕M2与第三光幕M3之间的距离为L，目标经过三个光幕的时间值分别为t1、t2、t3，Δt1＝t2-t1，Δt2＝t3-t2；
步骤3、以大画幅镜头(8)的视场中心为原点、以垂直于地面方向为y轴、以目标飞行方向为z轴、以同时垂直于y轴和z轴的方向为x轴建立空间位置坐标系xoyz；
步骤4、在yoz平面内，确定目标的yi坐标和速度vi；
Figure FDA0003789584560000031
Figure FDA0003789584560000032
步骤5、在xoz平面，确定目标的x坐标，以线阵CCD(26)的中心为x轴的原点，根据CCD的探测原理计算x坐标，设光学镜头(9)的焦距为f，线阵CCD(26)的像素点数从中心位置开始的个数为n；
Figure FDA0003789584560000033
步骤6、在xoz坐标系中，对于水平方向同时进入探测区域的目标，第三光幕M3是由线阵CCD(26)和光学镜头(9)构成的，根据线阵CCD(26)的探测原理，可以识别水平方向同时着靶目标的x坐标；对于垂直方向同时着靶的目标，由于第一光幕M1是与垂直方向x有一定的夹角α，所以对于垂直方向的目标到第一光幕M1的距离是不同的，根据第一光幕目标信号时间的先后顺序确定目标的y坐标。
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Assignee: Xi'an Yinyuan Technology Co.,Ltd.

Assignor: XI'AN TECHNOLOGICAL University

Contract record no.: X2023980045055

Denomination of invention: Multi target parameter testing device and method for secondary imaging detection with multi micro lens convergence

Granted publication date: 20220916

License type: Common License

Record date: 20231030

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