CN113124719B - 一种激光测距扫描式精度靶及其测试方法 - Google Patents
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- F42B35/00—Testing or checking of ammunition
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Abstract
本发明公开了一种激光测距扫描式精度靶及其测试方法，该精度靶包括：激光测距仪，用于发射点状激光光束，并使得点状激光光束照射到反射镜的旋转轴上，发射到空中，形成探测视场；还用于接收发射至空中的，被弹丸原向反射回的激光，并得出距离值；伺服电机和伺服控制电路，用于控制反射镜沿旋转轴转动；反射镜，用于将激光测距仪发射的激光光束反射至空中；转角测试传感器，用于输出当前反射镜的实时角度值；信号处理电路，用于采集激光测距仪输出的距离值以及转角测试传感器输出的旋转角度值，实现被测弹丸穿过探测视场时，得出当前被测弹丸的空中着靶坐标。本发明结构简单、成本低、测试精度高，仅使用单个激光器就能实现着靶坐标测试功能。
Description
技术领域
本发明涉及靶场参数测量技术领域，具体涉及一种激光测距扫描式精度靶及其测试方法。
背景技术
靶场测试在兵器发展中起着重要的作用,而立靶精度是评价靶场弹道武器性能优劣的一项重要指标。随着现代兵器的发展,测试精度进一步的提高,发展大面积测试靶已成为重要趋势之一,同时对抗干扰也提出了更高的要求。
近些年来，随着对防恐/反恐武器和非致命武器等课题研究的深入，对弹丸着靶坐标密集度的关注也越来越高，因此该项技术取得了不断的更新和发展，从最初的利用纸靶、网靶、木板靶等设备接触式测量，到如今已发展为利用各类光电器件形成的如四光幕光幕靶、六光幕光幕靶、六光幕天幕靶、CCD交汇式精度靶，以及声学精度靶等多种手段的非接触测量。
接触式测量相对于非接触式测量，一般被认为是传统的测试方法。该法在测量时先要在预定的弹道上放置一个垂宜于预定弹道的靶板,射击时瞄准中心标记射击一定次数之后人工测量射击精度，再计算出其他的相关数据。此方法对靶材耗费严重,人工判读时的误差无法消除，无法解决重孔和脱靶的问题，在测试中需要更换靶面时给靶场安全带来隐患。
目前使用最多的方法是非接触测试技术，非接触式测试技术与接触式测试技术相比具有节约资源、损坏率低、重复性高等优点，因此在立靶精度测试中非接触式测试方法备受青睐。
对于非接触式测量，现有的设备如声学精度靶，通过声传感器器件测试超音速弹丸在飞行中产生基波信号，根据各个传感器接收的信号时间差既可以确定弹丸的着靶坐标，此设备使用方便,但原理上无法完成飞行速度低于声速的弹丸测试，很多场合无法使用，如现在警用手枪弹速一般为320米/秒，声学精度靶就无法对其测试；六光幕天幕靶是用天幕靶设备在空间形成交汇光幕阵列，记录弹丸依次穿过各个光幕的时刻并结合布阵的几何关系得出弹丸着靶坐标，此法从设备上对明亮的天空背景产生依赖，无法在阴天或夜晩测试；四光幕光幕靶和六光幕光幕靶，用天幕靶代替光幕靶,通过空间布阵(四个或六个光幕)使弹丸依次穿过各个光幕，记录时刻点后结合布阵的几何关系计算着靶坐标,该法弥补了天幕靶对明亮天空的依赖，但设备结构比天幕靶稍显复杂，不但在使用时需要靶面的对正，且在组合光幕阵列的搭建过程也会带来误差,影响结果精度；CCD交汇式精度靶虽然性能较好但其昂贵的造价不宜在我国普及。
在申请号为“200710103685.2”,名称为“多层扇形光幕枪弹投影定位靶面”的文件中，给出了这样的方案，靶框采用中空的金属结构，靶框内侧开有出射光窗口(狭缝光阑),靶框内安装有多组半导体激光线光源(激光器)和光敏管排(光敏器件阵列)。每组的半导体激光线光源与光敏管排组成单个扇形光幕面，多个扇形光幕面位于不同的层面内，各自独立工作。当枪弹穿过各层扇形光幕时，在光敏管排上形成阴影段，根据阴影段的长短和位置计算枪弹的着靶坐标。以类似的方式增加光幕坐标系的层数,进一步提高测试可靠性和精度。但是，该方法存在这样的致命问题：1)从测试原理上来看,枪弹在光敏管上形成的阴影段位置和长短在弹径未知的情况下不存在唯一对应关系，故不能得出枪弹的着靶坐标；2)即使单层扇形光幕得出枪弹着靶坐标，但由于测试误差是离散随机分布，增加扇形光幕的层数不能提高测试精度；3)光敏管排由于单个元件的尺寸限制，不能精确得出枪弹在光敏管排上投影的精确长度。
发明内容
为了克服现有技术存在结构复杂、成本高昂和测试精度差的缺点，本发明提供了一种激光测距扫描式精度靶及其测试方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种激光测距扫描式精度靶，包括激光测距仪、反射镜、伺服电机、转角测试传感器、伺服控制电路、信号处理电路构成；激光测距扫描式精度靶的测试背景为无遮挡物的天空，探测视场为激光测距仪发出的点状激光的扫描范围；激光测距仪发出的点状激光照射到反射镜的旋转轴上，由反射镜将激光反射并发射到空中，当有弹丸穿越激光测距扫描式精度靶探测视场时，弹丸反射的激光通过原光路返回至激光测距仪并被激光测距仪接收，得出距离值；所述反射镜经旋转轴与伺服电机的转轴对接，旋转运动轨迹由伺服控制电路控制，并由转角测试传感器得出旋转角度值；所述的信号处理电路采集弹丸穿过探测视场时激光测距仪得到的距离值，以及同一时刻转角测试传感器输出的角度值，由激光测距仪的距离值减去激光测距仪与反射镜旋转轴的固定距离值，结合转角测试传感器的角度值，计算出被测弹丸的空中坐标。
进一步地，反射镜采用轻质材料，其光路反射特性符合平面反射镜反射规律。
进一步地，激光测距仪与反射镜具有固定距离值。
进一步地，伺服电机的转轴与反射镜的旋转轴重合，并为固定刚性连接。
进一步地，信号处理电路同时采集激光测距仪输出的距离值和转角测试传感器输出的角度值，同一时刻的两值采用同步处理。
本发明还提供了上述一种激光测距扫描式精度靶的测试方法，包括如下步骤：当弹丸穿过探测视场时，激光测距仪输出距离值L2，转角测试传感器输出角度值θ2，已知激光测距仪基准点与反射镜旋转轴之间距离为L1，转角测试传感器输出初始角度值为θ1；极坐标系极点O设定为反射镜旋转轴的轴线与激光束交点，极轴OX为探测视场内激光束初始位置；信号处理电路将当前被测弹丸穿过探测视场的时刻作为触发点M，计算出当前被测弹丸的着靶坐标为M((L2-L1)，(θ2-θ1))。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明具有结构简单、成本低、测试精度高的特点，仅使用单个激光器就能实现着靶坐标测试功能。
附图说明
图1是本发明实施例一种激光测距扫描式精度靶的结构组成示意图；
图2是本发明实施例的测试原理图；
图3是本发明的工作流程示意图；
图4是伺服控制电路流程图；
图5是信号处理电路流程图；
其中：1-激光测距仪；2-反射镜；3-伺服电机；4-转角测试传感器；5-伺服控制电路；6-信号处理电路；7-通信电路；8-弹丸；9-反射镜旋转轴轴线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种激光测距扫描式精度靶，激光测距仪1，用于发射点状激光光束，并使得点状激光光束照射到反射镜2上，形成探测视场；还用于接收发射至空中的，被弹丸8原向反射回的激光，并得出距离值；伺服电机3和伺服控制电路5，用于控制反射镜2沿旋转轴转动；反射镜2，用于将激光测距仪发射的激光光束反射至空中；转角测试传感器4，用于输出当前反射镜的实时角度值的；信号处理电路7，用于采集激光测距仪输出的距离值以及转角测试传感器输出的旋转角度值，实现被测弹丸穿过探测视场时，得出当前被测弹丸的空中着靶坐标的。具体的，激光测距仪发射的点状激光光束照射到反射镜的旋转轴上，反射镜由伺服电机和伺服控制电路控制其沿旋转轴转动，反射镜将激光测距仪发射的激光光束反射至空中，转角测试传感器输出当前反射镜的实时角度值，发射至空中的激光被弹丸8原向反射回激光测距仪，由激光测距仪得出距离值，信号处理电路采集激光测距仪输出的距离值以及转角测试传感器输出的旋转角度值；所述的激光光束在空中的扫描范围为探测视场，被测弹丸穿过探测视场时，得出当前被测弹丸的空中着靶坐标，可由通信电路输出给其它测试仪器如计算机。
所述探测视场产生过程如下：激光测距仪发射的点状激光光束照射到反射镜旋转轴上，反射镜由伺服电机控制其沿旋转轴转动，反射镜将激光测距仪发射的激光光束反射至空中，激光光束在空中扫描范围为探测视场，探测视场形成的时间为扫描时间，扫描时间不大于弹丸整体穿过探测视场的时间值，为保证其精准度，探测视场其探测视角为0°～180°，探测大小为10m×10m。
所述扫描时间及弹丸整体穿过探测视场的时间值产生过程如下：激光测距仪发射的点状激光光束照射到反射镜旋转轴上，反射镜由伺服电机控制其沿选择轴转动，形成扫描时间。设弹丸长为L，速度为v，设弹丸穿过探测视场的时间为t，计算出弹丸穿过探测视场的时间如下：
t＝L/v(1)
弹丸飞行过程中由于受到阻力影响导致速度会衰减，但由于靶距相对有限，测量过程中可认为弹丸做匀速直线运动。
扫描时间是由旋转电机控制，即计算出旋转频率即可代表扫描时间，设旋转频率为f，则旋转频率公式如下：
f＝1/t(2)
联立(1)(2)即可计算出探测视场的最大扫描时间。
所述激光测距仪输出距离值L2产生过程如下：当激光测距仪发射激光到反射镜时，已知激光测距仪基准点与反射镜旋转轴之间的距离为L1，由反射镜反射至探测视场中的被弹丸原向反射回激光测距仪，此时的输出距离值L2包括反射镜反射点到弹丸的距离和激光测距仪基准点到反射镜旋转轴的距离。
本发明实施例还提供了一种激光测距扫描式精度靶的测试方法，包括以下步骤：激光测距仪发射点状激光照射到反射镜的旋转轴上，由反射镜将激光反射并发射到空中，当有弹丸穿越激光测距扫描式精度靶探测视场时，弹丸反射的激光通过原光路返回至激光测距仪并被激光测距仪接收，得出距离值；信号处理电路采集弹丸穿过探测视场时激光测距仪得到的距离值，以及同一时刻转角测试传感器输出的角度值，由激光测距仪的距离值减去激光测距仪与反射镜旋转轴的固定距离值，结合转角测试传感器的角度值，计算出被测弹丸的空中坐标。
本发明的测试原理如图2所示。已知激光测距仪基准点与反射镜旋转轴之间的距离为L1，转角测试传感器输出初始角度为θ1，极坐标系极点O设定为反射镜旋转轴的轴线与激光束交点，极轴OX为探测视场内激光束初始位置；弹丸8穿过极坐标系时生成圆M，则由于弹丸的反射效应，反射至空中的激光被弹丸8原向反射回激光测距仪，此时可得到弹丸8至极点的距离为L2-L1,由转角测试传感器输出当前反射镜的实时角度值θ2，则反射镜的旋转角度为θ2-θ1，在极坐标系中，弹丸M的着靶坐标为M((L2-L1),(θ2-θ1))。已知在极坐标系中，
将方程(3)，(4)和弹丸M的极坐标联立可得弹丸M在平面直角坐标中的着靶坐标：
X＝(L2-L1)×cos(θ2-θ1)
Y＝(L2-L1)×sin(θ2-θ1)
参照图3，激光测距扫描式精度靶装置中有信号处理电路及可编程逻辑器件FPGA(或CPLD)，信号处理电路包括有源滤波电路、同步电路和输出电路；有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用，同时还可以进行放大。有源滤波电路不适用于高电压大电流的场合，只适用于信号处理。二阶带通滤波器的通带频率为1KHz～20KHz,通带增益为1倍左右，可有效滤除靶场实验中存在的爆炸激波和膛口激波。信号带通滤波器之后输入到同步时序逻辑电路中，同步时序逻辑电路中有一个公共的时钟信号，电路中各记忆元件受它统一控制，只有在该时钟信号到来时，记忆元件的状态才能发生变化，从而使时序电路的输出发生变化，而且每来一个时钟信号，记忆元件的状态和电路输出状态才能改变一次。激光测距仪输出信号和伺服控制电路的输出信号输入到同步时序逻辑电路后，实现不同时刻下的不同信号的统一输出。之后信号通过输出电路与可编程逻辑器件FPGA(或CPLD)相连，最后的数据值通过并转串模块后通过UART发送至上位机。
参照图4，伺服控制电路首先检测旋转角度传感器和驱动电机设备是否成功接入，在设备成功接入后由测试人员输入电机相关参数，随后开始准备接收数据。当接收到异常值时，忽略该异常值并继续停留在数据接收准备状态。在成功接收到数据后，即可得知触发时刻反射镜的旋转角，储存数据并传输至信号处理电路。
参照图5，信号处理电路首先检测激光测距扫描式精度靶各设备是否成功接入，在设备成功接入后由测试人员输入精度靶相关参数，随后开始准备接收激光测距仪和旋转角等相关参数的数据值。当接收到异常值时，忽略该异常值并继续停留在数据接收准备状态。在成功接收到数据后，数据通过模型算法处理，即完成弹丸着靶平面坐标的计算，存储计算结果。由通信电路输出给其它测试仪器如计算机，最后完成报告、打印。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种激光测距扫描式精度靶，其特征在于：包括：
激光测距仪，用于发射点状激光光束，并使得点状激光光束照射到反射镜的旋转轴上，发射到空中，形成探测视场；还用于接收发射至空中的，被弹丸原向反射回的激光，并得出距离值；
伺服电机和伺服控制电路，用于控制反射镜沿旋转轴转动；
反射镜，用于将激光测距仪发射的激光光束反射至空中；
转角测试传感器，用于输出当前反射镜的实时角度值；
信号处理电路，用于采集激光测距仪输出的距离值以及转角测试传感器输出的旋转角度值，实现被测弹丸穿过探测视场时，得出当前被测弹丸的空中着靶坐标；
激光光束在空中扫描范围为探测视场，探测视场形成时间为扫描时间，扫描时间不大于弹丸整体穿过探测视场的时间值，
所述扫描时间及弹丸整体穿过探测视场的时间值产生过程如下：激光测距仪发射的点状激光光束照射到反射镜旋转轴上，反射镜由伺服电机控制其沿旋转轴转动，形成扫描时间；设弹丸长为L，速度为v，设弹丸穿过探测视场的时间为t，计算出弹丸穿过探测视场的时间如下：
t＝L/v (1)
弹丸飞行过程中由于受到阻力影响导致速度会衰减，但由于靶距相对有限，测量过程中弹丸做匀速直线运动；
扫描时间是由旋转电机控制，即计算出旋转频率即可代表扫描时间，设旋转频率为f，则旋转频率公式如下：
f＝1/t (2)
联立(1)(2)计算出探测视场的最大扫描时间；
所述激光测距扫描式精度靶的测试方法，包括以下步骤：激光测距仪发射点状激光照射到反射镜的旋转轴上，由反射镜将激光反射并发射到空中，当有弹丸穿越激光测距扫描式精度靶探测视场时，弹丸反射的激光通过原光路返回至激光测距仪并被激光测距仪接收，得出距离值；信号处理电路采集弹丸穿过探测视场时激光测距仪得到的距离值，以及同一时刻转角测试传感器输出的角度值，由激光测距仪的距离值减去激光测距仪与反射镜旋转轴的固定距离值，结合转角测试传感器的角度值，计算出被测弹丸的空中坐标；
测试时，包括如下步骤：当弹丸穿过探测视场时，激光测距仪输出距离值L2，其中，所述激光测距仪输出距离值L2产生过程如下：当激光测距仪发射激光到反射镜时，已知激光测距仪基准点与反射镜旋转轴之间的距离为L1，由反射镜反射至探测视场中的被弹丸原向反射回激光测距仪，此时的输出距离值L2包括反射镜反射点到弹丸的距离和激光测距仪基准点到反射镜旋转轴的距离，得到弹丸至极点的距离为L2-L1；转角测试传感器输出角度值θ2，已知激光测距仪基准点与反射镜旋转轴之间距离为L1，转角测试传感器输出初始角度值为θ1，得到反射镜的旋转角度为θ2-θ1；极坐标系极点O设定为反射镜旋转轴的轴线与激光束交点，极轴OX为探测视场内激光束初始位置；信号处理电路将当前被测弹丸穿过探测视场的时刻作为触发点M，计算出当前被测弹丸的着靶坐标为M((L2-L1)，(θ2-θ1))；已知在极坐标系中，
将方程(3)，(4)和弹丸的着靶坐标联立可得弹丸M在平面直角坐标中的着靶坐标：
X＝(L2-L1)×cos(θ2-θ1)
Y＝(L2-L1)×sin(θ2-θ1)。
2.如权利要求1所述的一种激光测距扫描式精度靶，其特征在于：激光测距仪发射的激光为点状激光光束，照射在反射镜旋转轴上，经由反射镜反射后，激光光束指向无遮挡物的天空。
3.如权利要求1所述的一种激光测距扫描式精度靶，其特征在于：反射镜采用轻质材料，其光路反射特性符合平面反射镜反射规律。
4.如权利要求1所述的一种激光测距扫描式精度靶，其特征在于：激光测距仪与反射镜具有固定距离值。
5.如权利要求1所述的一种激光测距扫描式精度靶，其特征在于：伺服电机的转轴与反射镜的旋转轴重合，并为固定刚性连接。
6.如权利要求1所述的一种激光测距扫描式精度靶，其特征在于：信号处理电路同时采集激光测距仪输出的距离值和转角测试传感器输出的角度值，同一时刻的两值采用同步处理。
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