CN112985264B - 一种基于空间点检索机理的破片位置测试装置与方法 - Google Patents

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CN112985264B CN202110187959.0A CN202110187959A CN112985264B CN 112985264 B CN112985264 B CN 112985264B CN 202110187959 A CN202110187959 A CN 202110187959A CN 112985264 B CN112985264 B CN 112985264B
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Abstract

本发明提供了一种基于空间点检索机理的破片位置测试装置与方法，涉及光电探测领域，测试装置包括两个光场相机，光学导轨，移动式靶板，无线传输模块，信号接收与发送模块，图像工作站。其中，移动式靶板可在光学导轨上分步、分方向移动，形成的测试区间等效为破片场有效的分布场，建立破片像点坐标与对应空间坐标的关系模型，获得破片空间坐标与其像点坐标对应的数据库，通过破片成像像点坐标查找对应破片空间坐标，实现对破片空间位置的快速测试，改善了破片空间位置测试方法复杂的不足。

Description

一种基于空间点检索机理的破片位置测试装置与方法
技术领域
本发明涉及光电探测领域，具体涉及一种基于空间点检索机理的破片位置测试装置与方法。
背景技术
武器弹药爆炸破片随机分布，破片的位置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参数位置的精确获得密切相关，由于爆炸瞬间产生破片的随机性和不确定性，使战斗部破片散布测量非常困难，导致破片毁伤目标的效能无法衡量，因此，高精度测量破片空间位置散布具有很高的研究意义，为目标毁伤评价体系提供有效的理论依据。
目前，对于破片位置参数的测试装置主要有多光幕交汇测试系统、CCD交汇测试系统等，这些测试方法获取破片位置存在一定的局限性，多光幕交汇测试系统采用阵列探测光幕构成一定的几何结构，结构复杂，探测靶面较小，布置不灵活，当多个破片经过探测区域时，无法对所有的破片探测，存在一定的漏测现象；CCD交汇测试系统通过两个或者多个面阵CCD交汇构建探测区域，布置多个CCD时无法精准控制多个面完全重合，导致测量的破片坐标位置、速度等参数精度低。基于已有的测试装置和方法不能完全满足破片参数测试精度高的要求，迫切需要一种能满足破片群散布参数测试新的测试装置及其测试方法。本发明提出一种于空间点检索机理的破片位置测试装置与方法，本发明提出一种于空间点检索机理的破片位置测试装置与方法，通过在测试靶板装有LED并在轨道分方向、分步地移动，形成的测试区间等效为破片场有效的分布场，建立破片像点坐标与对应空间坐标的关系模型，获得破片空间坐标与其成像点坐标对应的数据库，实现对破片空间位置的快速测试。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于空间点检索机理的破片位置测试装置，包括光学导轨、设置在所述移动式靶板模块和设置在所述光学导轨两端结构相同的双光场相机组合模块；
所述移动式靶板模块包括靶板底座和设置在所述靶板底座上的靶板，所述靶板两侧均匀设置有若干LED16；所述靶板底座设置在所述光学导轨上并与所述光学导轨滑动连接，所述靶板底座通过移动驱动模块驱动在所述光学导轨上移动；
所述双光场相机组合模块包括信号接收与发送模块、图像采集仪和光学相机，所述光学相机通过相机安装座固定在所述光学导轨的端部，所述图像采集仪用于采集所述光学相机摄取的的图像信息，所述信号接收与发送模块与所述图像采集仪通讯，用于将所述图像采集仪接收到的图像信息发送到图形工作站。
优选地，所述光学导轨为回字形结构，中间为光学导轨凹槽；所述靶板底座为倒T型结构，所述靶板底座下端的凸块卡在所述光学导轨凹槽内；所述移动驱动装置包括步进电机和螺杆，所述步进电机设置在所述光学导轨一端外壁，所述螺杆穿过所述靶板底座下端的凸块，一端与所述光学导轨另一端转动连接，另一端穿过所述光学导轨一端并与所述电机的输出轴传动连接，所述螺杆与所述靶板底座螺纹连接。
优选地，所述相机安装座包括支撑底板和相对设置在所述支撑底板上的两个立板，所述支撑底板通过紧固螺丝固定在所述光学导轨上，所述光学相机外设置有保护壳，所述光学相机的镜头裸露在保护壳外并朝向所述靶板；所述保护壳两侧均设置有转轴，所述转轴与所述立板转动连接，一侧所述转轴穿过与其对应的立板，其端部设置有固定旋钮。
优选地，所述光学导轨底部两端分别设置有支撑座。
优选地，所述支撑座包括支撑板和设置在所述支撑板底部两端的调整底座，每个所述调整底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。
优选地，两个所述支撑底板内侧设置有水平面内互相垂直的水平仪。
优选地，所述光学导轨顶部侧两侧均设置有刻度。
本发明的另一目的在于提供一种基于空间点检索机理的破片位置测试方法，将两个光场相机分别记为第一光场相机和第二光场相机，构成双光场相机，包括以下步骤：
步骤1、调节支撑座底部的调节旋钮，通过观察两个水平仪的状态，使得光学导轨与地面保持水平；
步骤2、调节两个固定旋钮，使得第一光场相机与第二光场相机与地面的倾角分别为θ1,θ2；
步骤3、图像工作站通过控制命令控制步进电机，将移动式靶板模块移动至光学导轨上表面刻度的中间点，打开第一光场相机和第二光场相机，以及LED的电源开关；
步骤4、测量LED的直径，记为D；测量第一光场相机与第二光场相机的距离,记为L；测量移动式靶板的长和宽,记为a和b；根据双光场相机交汇成像原理，计算出每个LED在第一光场相机和第二光场相机经过微透镜在成像面上的像点坐标(ui1,vi1)与(ui2,vi2)，i＝1,L,30；
步骤5、假定光场相机像素之间距离记为di，光场相机微透镜的直径为d，靶板的长和宽都被分成n等份且满足
Figure BDA0002943904000000031
根据靶板上LED空间位置(x,y,z)与LED经过微透镜成像点坐标(ui1,vi1)和(ui2,vi2)的关系，计算每个LED在yoz平面上投影角γ1i与γ2i；
Figure BDA0002943904000000032
计算LED空间三维位置(Xi,Yi,Zi)在第一光场相机与第二光场相机像点坐标关系为：
Figure BDA0002943904000000041
采用插值法精确拟合将整个靶板坐标与LED像点坐标的录入数据库，当x为零时，靶板坐标与LED在第一光场相机和第二光场相机像点坐标关系为：
Figure BDA0002943904000000042
Figure BDA0002943904000000043
步骤6、靶板在x轴正方向和负方向各移动T次，每次移动距离为L/2T，形成的测试区间等效为有效的破片分布场；靶板每移动一次，光场相机光轴与靶板交汇点发生变化，将靶板固定点A13与相机光轴在xoy面形成的夹角记为θi,i＝1,L,T，在xoz面形成夹角λt,t＝1,L,n；采用插值法精确拟合将移动状态下靶板坐标与LED像点坐标的录入数据库，当x不为0时，靶板坐标与移动距离坐标关系为：
Figure BDA0002943904000000044
步骤7、根据整个测试区间靶板坐标与LED像点坐标关联的数据库，建立靶板面任意位置且在光学轨道任意位置处与其成像点的关联关系为：
Figure BDA0002943904000000045
依据已建立的靶板面所有位置且在光学轨道所有位置与其成像点的关联数据库，结合测试装置，当破片穿过测试区域，可快速获取破片空间位置坐标。
本发明提供的基于空间点检索机理的破片位置测试装置与方法具有以下有益效果：
该方法通过在测试靶板装有LED并在轨道分方向、分步地移动，形成的测试区间等效为破片场有效的分布场，建立破片像点坐标与对应空间坐标的关系模型，获得破片空间坐标与其成像点坐标对应的数据库，实现对破片空间位置的快速测试；不需要建立复杂的数学模型计算破片的坐标位置，极大地节省了测试破片位置的时间。
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是本发明涉及的基于空间点检索机理的破片位置测试装置不带测试靶板的结构图；
图2是本发明涉及的基于空间点检索机理的破片位置测试装置带测试靶板的结构图；
图3是本发明涉及的基于空间点检索机理的破片位置测试装置中测试靶板侧视图；
图4是本发明涉及基于空间点检索机理的破片位置测试装置中光学导轨侧视图；
图5是本发明涉及的基于空间点检索机理的破片位置测试方法中测试靶板LED光学成像建模图；
图6是本发明涉及基于空间点检索机理的破片位置测试方法中测试靶板LED坐标位置建模图；
图7是本发明涉及基于空间点检索机理的破片位置测试方法中测试靶板坐标与光学成像像点建模图。
图8是本发明涉及基于空间点检索机理的破片位置测试方法中靶板分步移动后靶板坐标与移动距离位置坐标建模图。
附图标记说明：
1、锥体地脚；2、调节旋钮；3、螺柱帽；4、光学导轨；5、支撑底板；6、紧固螺丝；7、水平仪；9、光学导轨凹槽；10、立板；11、固定旋钮；12、转轴；13、保护壳；14、光学相机；15靶板；16、LED；17、支撑板；18、靶板底座；19、锁紧旋钮；20、凸块；21、步进电机；22第一信号接收与发送模块；23、第二信号接收与发送模块；24、第一图像采集仪；25、第二图像采集仪；26、图像工作站。
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
本发明提供了一种基于空间点检索机理的破片位置测试装置，如图1至图4所示，包括光学导轨4、设置在移动式靶板15模块和设置在光学导轨4两端结构相同的双光场相机组合模块；
移动式靶板15模块包括靶板底座18和设置在靶板底座18上的靶板15，靶板15两侧均匀设置有若干LED16；靶板底座18设置在光学导轨4上并与光学导轨4滑动连接，靶板底座18通过移动驱动模块驱动在光学导轨4上移动；同时，靶板15可通过锁紧旋钮19固定，靶板底座18可通过伸缩紧固旋钮固定。
双光场相机组合模块包括信号接收与发送模块、图像采集仪和光学相机14，具体的，如图2所述，其中一组双光场相机组合模块的信号接收与发送模块记为第一信号接收与发送模块22，其图像采集仪记为第一图像采集仪24；另一组双光场相机组合模块的信号接收与发送模块记为第二信号接收与发送模块23，其图像采集仪记为第二图像采集仪25。光学相机14通过相机安装座固定在光学导轨4的端部，图像采集仪用于采集光学相机14摄取的的图像信息，信号接收与发送模块与图像采集仪通讯，用于将图像采集仪接收到的图像信息发送到图形工作站26。具体的，测试装置的无线传输模块、图像工作站，信号接收与发送模块建立通信，步进电机控制移动式靶板在光学导轨上按步、分方向地移动，形成的测试空间等效为破片场有效的分布场，光场相机采集安装有LED移动式靶板每步移动状态下LED的成像像点坐标，获得破片空间坐标与其像点坐标对应的数据库，建立破片像点坐标与对应空间坐标的关系模型，实现对破片空间位置的快速测试。
具体的，本实施例中，光学导轨4为回字形结构，中间为光学导轨凹槽9；靶板底座18为倒T型结构，靶板底座18下端的凸块20卡在光学导轨凹槽9内；移动驱动装置包括步进电机21和螺杆，步进电机21设置在光学导轨4一端外壁，螺杆穿过靶板底座18下端的凸块20，一端与光学导轨4另一端转动连接，另一端穿过光学导轨4一端并与电机的输出轴传动连接，螺杆与靶板底座18螺纹连接。
具体的，本实施例中，相机安装座包括支撑底板5和相对设置在支撑底板5上的两个立板10，支撑底板5通过紧固螺丝6固定在光学导轨4上，光学相机14外设置有保护壳13，光学相机14的镜头裸露在保护壳13外并朝向靶板15；保护壳13两侧均设置有转轴12，转轴12与立板10转动连接，一侧转轴12穿过与其对应的立板10，其端部设置有固定旋钮11，用于锁定保护壳13，也可用于调节保护壳13与水平面倾角。本实施例中保护壳13为矩形体，保护壳13底部设有数据传输线圆孔。
本实施例中，光学导轨4底部两端分别设置有支撑座。为了达到调节水平度的目的，本实施例中，支撑座包括支撑板17和设置在支撑板17底部两端的调整底座，每个调整底座均包括调节旋钮2和螺柱，螺柱穿过支撑板17，上端螺接有螺柱帽3，下端连接有锥体地脚1，调节旋钮2设置在支撑板17和锥体地脚1之间并与螺柱螺纹连接。
同时，本实施例还在两个支撑底板5内侧设置有水平面内互相垂直的水平仪7。光学导轨4顶部侧两侧均设置有刻度，可方便查看移动位置。
基于以上装置，本实施例还提供一种基于空间点检索机理的破片位置测试方法，如图5至图8所示，图5为测试靶板LED光学成像建模图，以测试靶板底边中点为原点建立空间坐标系，测量式移动靶板的长和宽分别记为a和b,光场相机1和光场相机2倾角分别为θ1与θ2，靶板上某一点P在yoz平面投影角为γ，在第一光场相机和第二光场相机经过微透镜在成像面上的像点坐标为(ui1,vi1)(ui2,vi2)；图6测试靶板LED坐标位置建模图，测试靶板每行LED间隔为
Figure BDA0002943904000000081
每列LED间隔为
Figure BDA0002943904000000082
图7为测试靶板坐标与光学成像像点建模图，将测试靶板长和宽分别分为n等分，长可表示为N11L N1n，宽可表示为N11L Nn1；图8为靶板分步移动后靶板在x轴正方向和负方向各移动T次，每次移动距离为L/2T，坐标与移动距离位置坐标建模图。靶板固定点A13与相机光轴在xoy形成夹角为θi,i＝1L T,在xoz面形成夹角为λt,t＝1L n。
将两个光场相机分别记为第一光场相机和第二光场相机，构成双光场相机，包括以下步骤：
步骤1、调节支撑座底部的调节旋钮2，通过观察两个水平仪7的状态，使得光学导轨4与地面保持水平；
步骤2、调节两个固定旋钮，使得第一光场相机与第二光场相机与地面的倾角分别为θ1,θ2；
步骤3、图像工作站通过控制命令控制步进电机21，将移动式靶板15模块移动至光学导轨4上表面刻度的中间点，打开第一光场相机和第二光场相机，以及LED的电源开关；
步骤4、测量LED的直径，记为D；测量第一光场相机与第二光场相机的距离,记为L；测量移动式靶板15的长和宽,记为a和b；根据双光场相机交汇成像原理，计算出每个LED在第一光场相机和第二光场相机经过微透镜在成像面上的像点坐标(ui1,vi1)与(ui2,vi2)，i＝1,L,30；
步骤5、假定光场相机像素之间距离记为di，光场相机微透镜的直径为d，靶板15的长和宽都被分成n等份且满足
Figure BDA0002943904000000091
根据靶板15上LED空间位置(x,y,z)与LED经过微透镜成像点坐标(ui1,vi1)和(ui2,vi2)的关系，计算每个LED在yoz平面上投影角γ1i与γ2i；
Figure BDA0002943904000000092
计算LED空间三维位置(Xi,Yi,Zi)在第一光场相机与第二光场相机像点坐标关系为：
Figure BDA0002943904000000093
采用插值法精确拟合将整个靶板15坐标与LED像点坐标的录入数据库，当x为零时，靶板15坐标与LED在第一光场相机和第二光场相机像点坐标关系为：
Figure BDA0002943904000000094
Figure BDA0002943904000000095
步骤6、靶板15在x轴正方向和负方向各移动T次，每次移动距离为L/2T，形成的测试区间等效为有效的破片分布场；靶板15每移动一次，光场相机光轴与靶板15交汇点发生变化，将靶板15固定点A13与相机光轴在xoy面形成的夹角记为θi,i＝1,L,T，在xoz面形成夹角λt,t＝1,L,n；采用插值法精确拟合将移动状态下靶板15坐标与LED像点坐标的录入数据库，当x不为0时，靶板15坐标与移动距离坐标关系为：
Figure BDA0002943904000000101
步骤7、根据整个测试区间靶板15坐标与LED像点坐标关联的数据库，建立靶板15面任意位置且在光学轨道任意位置处与其成像点的关联关系为：
Figure BDA0002943904000000102
依据已建立的靶板15面所有位置且在光学轨道所有位置与其成像点的关联数据库，结合测试装置，当破片穿过测试区域，可快速获取破片空间位置坐标。
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 (6)

1.一种基于空间点检索机理的破片位置测试方法，其特征在于，所述测试方法基于破片位置测试装置而实现，所述破片位置测试装置包括光学导轨(4)、设置在靶板(15)模块和设置在所述光学导轨(4)两端结构相同的双光场相机组合模块；
所述靶板(15)模块包括靶板底座(18)和设置在所述靶板底座(18)上的靶板(15)，所述靶板(15)两侧均匀设置有若干LED(16)；所述靶板底座(18)设置在所述光学导轨(4)上并与所述光学导轨(4)滑动连接，所述靶板底座(18)通过移动驱动模块驱动在所述光学导轨(4)上移动；
所述双光场相机组合模块包括信号接收与发送模块、图像采集仪和光学相机(14)，所述光学相机(14)通过相机安装座固定在所述光学导轨(4)的端部，所述图像采集仪用于采集所述光学相机(14)摄取的的图像信息，所述信号接收与发送模块与所述图像采集仪通讯，用于将所述图像采集仪接收到的图像信息发送到图形工作站(26)；所述移动驱动装置包括步进电机(21)和螺杆，两个支撑底板(5)内侧设置有水平面内互相垂直的水平仪(7)，每个调整底座均包括调节旋钮(2)和螺柱；
将两个光场相机分别记为第一光场相机和第二光场相机，构成双光场相机，所述测试方法包括以下步骤：
步骤1、调节支撑座底部的调节旋钮(2)，通过观察两个水平仪(7)的状态，使得光学导轨(4)与地面保持水平；
步骤2、调节两个固定旋钮，使得第一光场相机与第二光场相机与地面的倾角分别为θ1,θ2；
步骤3、图像工作站通过控制命令控制步进电机(21)，将靶板(15)模块移动至光学导轨(4)上表面刻度的中间点，打开第一光场相机和第二光场相机，以及LED的电源开关；
步骤4、测量LED的直径，记为D；测量第一光场相机与第二光场相机的距离,记为L；测量靶板(15)的长和宽,记为a和b；根据双光场相机交汇成像原理，计算出每个LED在第一光场相机和第二光场相机经过微透镜在成像面上的像点坐标(ui1,vi1)与(ui2,vi2)，i＝1,L,30；
步骤5、假定光场相机像素之间距离记为di，光场相机微透镜的直径为d，靶板(15)的长和宽都被分成n等份且满足
Figure QLYQS_1
根据靶板(15)上LED空间位置(x,y,z)与LED经过微透镜成像点坐标(ui1,vi1)和(ui2,vi2)的关系，计算每个LED在yoz平面上投影角γ1i与γ2i；
Figure QLYQS_2
计算LED空间三维位置(Xi,Yi,Zi)在第一光场相机与第二光场相机像点坐标关系为：
Figure QLYQS_3
采用插值法精确拟合将整个靶板(15)坐标与LED像点坐标的录入数据库，当x为零时，靶板(15)坐标与LED在第一光场相机和第二光场相机像点坐标关系为：
Figure QLYQS_4
Figure QLYQS_5
步骤6、靶板(15)在x轴正方向和负方向各移动T次，每次移动距离为L/2T，形成的测试区间等效为有效的破片分布场；靶板(15)每移动一次，光场相机光轴与靶板(15)交汇点发生变化，将靶板(15)固定点A13与相机光轴在xoy面形成的夹角记为θi,i＝1,L,T，在xoz面形成夹角λt,t＝1,L,n；采用插值法精确拟合将移动状态下靶板(15)坐标与LED像点坐标的录入数据库，当x不为0时，靶板(15)坐标与移动距离坐标关系为：
Figure QLYQS_6
步骤7、根据整个测试区间靶板(15)坐标与LED像点坐标关联的数据库，建立靶板(15)面任意位置且在光学轨道任意位置处与其成像点的关联关系为：
Figure QLYQS_7
依据已建立的靶板(15)面所有位置且在光学轨道所有位置与其成像点的关联数据库，结合测试装置，当破片穿过测试区域，获取破片空间位置坐标。
2.根据权利要求1所述的基于空间点检索机理的破片位置测试方法，其特征在于，所述光学导轨(4)为回字形结构，中间为光学导轨凹槽(9)；所述靶板底座(18)为倒T型结构，所述靶板底座(18)下端的凸块(20)卡在所述光学导轨凹槽(9)内；所述步进电机(21)设置在所述光学导轨(4)一端外壁，所述螺杆穿过所述靶板底座(18)下端的凸块(20)，一端与所述光学导轨(4)另一端转动连接，另一端穿过所述光学导轨(4)一端并与所述电机的输出轴传动连接，所述螺杆与所述靶板底座(18)螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的基于空间点检索机理的破片位置测试方法，其特征在于，所述相机安装座包括支撑底板(5)和相对设置在所述支撑底板(5)上的两个立板(10)，所述支撑底板(5)通过紧固螺丝(6)固定在所述光学导轨(4)上，所述光学相机(14)外设置有保护壳(13)，所述光学相机(14)的镜头裸露在保护壳(13)外并朝向所述靶板(15)；所述保护壳(13)两侧均设置有转轴(12)，所述转轴(12)与所述立板(10)转动连接，一侧所述转轴(12)穿过与其对应的立板(10)，其端部设置有固定旋钮(11)。
4.根据权利要求1所述的基于空间点检索机理的破片位置测试方法，其特征在于，所述光学导轨(4)底部两端分别设置有支撑座。
5.根据权利要求4所述的基于空间点检索机理的破片位置测试方法，其特征在于，所述支撑座包括支撑板(17)和设置在所述支撑板(17)底部两端的调整底座，所述螺柱穿过所述支撑板(17)，上端螺接有螺柱帽(3)，下端连接有锥体地脚(1)，所述调节旋钮(2)设置在所述支撑板(17)和锥体地脚(1)之间并与所述螺柱螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的基于空间点检索机理的破片位置测试方法，其特征在于，所述光学导轨(4)顶部侧两侧均设置有刻度。
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