CN113219487B - 一种高速目标表面特征和运动参数测量装置及方法 - Google Patents

一种高速目标表面特征和运动参数测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种高速目标表面特征和运动参数测量装置及方法，装置包括：调频连续波激光雷达系统(1)、固态面阵激光雷达组(2)、同步触发装置(3)、上位机(4)；调频连续波激光雷达系统包括：线阵APD传感器(101)、接收光学系统(102)、线激光发射器(103)、信号处理模块(104)；固态面阵激光雷达组包含三个固态面阵激光雷达(201、202、203)；当高速目标经过调频连续波激光雷达系统的视野中时，调频连续波激光雷达系统捕捉到目标反射后的回波信号，并激活同步触发装置，经上位机分析处理后发送启动指令至固态面阵激光雷达组，并控制固态面阵激光雷达组对高速目标进行测量。

Description

一种高速目标表面特征和运动参数测量装置及方法
技术领域
本发明属于目标测量的技术领域，尤其涉及一种高速目标表面特征和运动参数测量装置，以及一种高速目标表面特征和运动参数测量方法。
背景技术
本发明中的高速目标主要指圆柱形或圆锥形的战斗部，通常来说战斗部在出膛过程中表面会产生一定的磨损量，进而影响运动特性，因此为了对出膛过程中磨损机理及其运动学参数进行定性分析，目前主要采用接触法与非接触法等两类测试方法测量高速目标在运动过程中的相关特性参数。
接触法因测试过程中会影响高速目标的飞行姿态且测试精度低，为此不适合测量高速目标的运动参数。
现阶段非接触法主要采用激光光幕、CCD相机、多普勒测速等方法对高速目标进行测量，其解算过程复杂、实时性低、测量精度差，且由于运动目标速度快，表面磨损量较小，目前常用的方法无法在捕捉到被测目标的同时构造出高精度三维点云信息，因此无法有效测量高速目标的外形轮廓以及运动特性参数。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种高速目标表面特征和运动参数测量装置，其能够在捕捉高速目标的同时构建出表面的高精度三维点云信息，进而计算出高速目标表面在运动过程中的磨损量，还能获得高速目标的运动特性参数。
本发明的技术方案是：这种高速目标表面特征和运动参数测量装置，其包括：调频连续波激光雷达系统(1)、固态面阵激光雷达组(2)、同步触发装置(3)、上位机(4)；
调频连续波激光雷达系统包括：线阵APD传感器(101)、接收光学系统(102)、线激光发射器(103)、信号处理模块(104)；固态面阵激光雷达组(2)包含三个固态面阵激光雷达(201、202、203)；同步触发装置(3)分别连接调频连续波激光雷达系统(1)与固态面阵激光雷达组(2)，调频连续波激光雷达系统(1)、固态面阵激光雷达组(2)、同步触发装置(3)分别与上位机(4)相连且由上位机(4)向其发送控制信号；
当高速目标经过调频连续波激光雷达系统(1)的视野中时，调频连续波激光雷达系统(1)捕捉到目标反射后的回波信号，并激活同步触发装置(3)，经上位机(4)分析处理后发送启动指令至固态面阵激光雷达组(2)，并控制固态面阵激光雷达组(2)对高速目标进行测量。
本发明融合了测量精度高、不间断测量的调频连续波激光雷达系统和视野大、抗干扰强的固态面阵激光雷达组，当高速目标经过调频连续波激光雷达系统的视野中时，调频连续波激光雷达系统捕捉到目标反射后的回波信号，并激活同步触发装置，经上位机分析处理后发送启动指令至固态面阵激光雷达组，并控制固态面阵激光雷达组对高速目标进行测量，能够在捕捉高速目标的同时构建出高精度三维表面的点云信息进而计算出高速目标表面在运动过程中的磨损量，此外，还能获得高速目标的运动特性参数。与现有的激光测速装置相比，具有操作方便、结构简单、安全性高、能够连续测速的优势。
还提供了一种高速目标表面特征和运动参数测量方法，其包括以下步骤：
(1)设置目标与固态面阵激光雷达间的垂直距离h，根据高速目标的长度l与最大直径长度d确定固态面阵激光雷达组的视场角；
(2)确定调频连续波激光雷达与固态面阵激光雷达组安装平面之间的距离s，进而计算出触发延迟时长Δt，确保高速目标完全落到固态面阵激光雷达组的视野中；
(3)在测量过程中，调频连续波激光雷达系统中的线激光发射器不间断的发射调频连续波，且所发射的线激光与高速目标运动方向垂直；当运动目标进入调频连续波激光雷达系统的视野中时，线阵APD传感器通过接收光学系统接收到经目标反射后的回波信号，并将回波信号传输至信号处理模块(104)进行处理得到中频信号，记录中频信号开始时刻t1和结束时刻t2；根据公式(3)计算出高速目标的速度；
Figure BDA0003054165270000031
其中，v为高速目标的轴向速度，l为高速目标的长度，t1、t2分别为调频连续波激光雷达系统得到的中频信号起始、结束时刻；
(4)中频信号开始时刻t1激活同步触发装置，同步触发装置将触发信号传送至上位机，经过触发延迟时长Δt后，上位机向固态面阵激光雷达组发送启动指令；
(5)调频连续波激光雷达系统根据中频信号解算得到运动目标表面轮廓的多条包络线；固态面阵激光雷达组获取运动目标的不同方位的三维点云信息，通过对多个方位三维点云信号进行去噪、滤波、拼接，获得运动目标全方位的三维点云信息；
(6)采用临近插值算法对调频连续波激光雷达系统获得的包络线进行差值处理，利用差值处理后的包络线对步骤(5)中高速目标全方位三维点云信息进行异常值剔除，最终得到高精度运动目标三维轮廓的点云信息；
(7)根据步骤(6)得到的高精度运动目标的三维轮廓的点云信息以及包络线，计算出相关运动参数，包括：自转角速度、运动速度、自旋转方向；以及表面特征，包括：目标三维轮廓、运动过程中目标表面产生的磨损量。
附图说明
图1为根据本发明的基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定装置的结构示意图。
图2为根据本发明的调频连续波激光雷达系统测量得到的高速目标表面包络线示意图。
图3为根据本发明的固态面阵激光雷达视场角计算公式示意图，(a)为轴向视图，(b)为径向视图。
图4为根据本发明的调频连续波激光雷达系统工作模式图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
如图1所示，这种高速目标表面特征和运动参数测量装置，其包括：调频连续波激光雷达系统1、固态面阵激光雷达组2、同步触发装置3、上位机4；
调频连续波激光雷达系统包括：线阵APD传感器101、接收光学系统102、线激光发射器103、信号处理模块104；固态面阵激光雷达组2包含三个固态面阵激光雷达201、202、203；同步触发装置3
分别连接调频连续波激光雷达系统1与固态面阵激光雷达组2，调频连续波激光雷达系统1、固态面阵激光雷达组2、同步触发装置3分别与上位机4相连且由上位机4向其发送控制信号；
当高速目标经过调频连续波激光雷达系统1的视野中时，调频连续波激光雷达系统1捕捉到目标反射后的回波信号，并激活同步触发装置3，经上位机4分析处理后发送启动指令至固态面阵激光雷达组2，并控制固态面阵激光雷达组2对高速目标进行测量。
本发明融合了测量精度高、不间断测量的调频连续波激光雷达系统和视野大、抗干扰强的固态面阵激光雷达组，当高速目标经过调频连续波激光雷达系统的视野中时，调频连续波激光雷达系统捕捉到目标反射后的回波信号，并激活同步触发装置，经上位机分析处理后发送启动指令至固态面阵激光雷达组，并控制固态面阵激光雷达组对高速目标进行测量，能够在捕捉高速目标的同时构建出高精度三维表面的点云信息进而计算出高速目标表面在运动过程中的磨损量，此外，还能获得高速目标的运动特性参数。与现有的激光测速装置相比，具有操作方便、结构简单、安全性高、能够连续测速的优势。
优选地，所述调频连续波激光雷达系统放置在距运动目标近侧位置；固态面阵激光雷达组2中的三个固态面阵激光雷达在空间上间隔120°均匀分布，放置在距运动目标远侧位置，确保运动目标依次经过调频连续波激光雷达系统1、固态面阵激光雷达组2视野区域。
优选地，所述固态面阵激光雷达组的三个固态面阵激光雷达201、202、203视场角以及摆放位置取决于与运动目标之间的垂直距离，固态面阵激光雷达组的安装平面与高速目标的运动方向相互垂直；
固态面阵激光雷达201、202、203的水平角度根据公式(1)获得：
Figure BDA0003054165270000061
其中，α为水平角度，l为高速目标的长度，h为固态面阵激光雷达与高速目标的垂直距离；
固态面阵激光雷达201、202、203的垂直角度根据公式(2)获得：
Figure BDA0003054165270000062
其中β为垂直角度，d为高速目标最大直径长度，h为固态面阵激光雷达与高速目标的垂直距离。
优选地，由上位机向固态面阵激光雷达组发送的启动指令，选择与调频连续波激光雷达系统(1)同步触发或延迟Δt后触发，根据公式(3)获得：
Figure BDA0003054165270000063
其中，v为高速目标的轴向速度，l为高速目标的长度，t1、t2分别为调频连续波激光雷达系统得到的中频信号起始、结束时刻；
Figure BDA0003054165270000064
其中，Δt为触发延迟时长，s为调频连续波激光雷达与固态面阵激光雷达组安装平面之间的距离。
优选地，所述调频连续波激光雷达的线阵APD传感器(101)为1×8、1×16或1×32；像元数越多，测量得到的包络线越多，表征高速目标表面特征的分辨率越高。
优选地，根据测量范围以及被测目标特性，固态面阵激光雷达组(201、202、203)中的像元数选择320×240或者640×480，调制方式为伪随机码的调制方式。
还提供了一种高速目标表面特征和运动参数测量方法，其包括以下步骤：
(1)设置目标与固态面阵激光雷达间的垂直距离h，根据高速目标的长度l与最大直径长度d确定固态面阵激光雷达组的视场角；
(2)确定调频连续波激光雷达与固态面阵激光雷达组安装平面之间的距离s，进而计算出触发延迟时长Δt，确保高速目标完全落到固态面阵激光雷达组的视野中；
(3)在测量过程中，调频连续波激光雷达系统中的线激光发射器不间断的发射调频连续波，且所发射的线激光与高速目标运动方向垂直；当运动目标进入调频连续波激光雷达系统的视野中时，线阵APD传感器通过接收光学系统接收到经目标反射后的回波信号，并将回波信号传输至信号处理模块(104)进行处理得到中频信号，记录中频信号开始时刻t1和结束时刻t2；根据公式(3)计算出高速目标的速度；
Figure BDA0003054165270000071
其中，v为高速目标的轴向速度，l为高速目标的长度，t1、t2分别为调频连续波激光雷达系统得到的中频信号起始、结束时刻；
(4)中频信号开始时刻t1激活同步触发装置，同步触发装置将触发信号传送至上位机，经过触发延迟时长Δt后，上位机向固态面阵激光雷达组发送启动指令；
(5)调频连续波激光雷达系统根据中频信号解算得到运动目标表面轮廓的多条包络线；固态面阵激光雷达组获取运动目标的不同方位的三维点云信息，通过对多个方位三维点云信号进行去噪、滤波、拼接，获得运动目标全方位的三维点云信息；
(6)采用临近插值算法对调频连续波激光雷达系统获得的包络线进行差值处理，利用差值处理后的包络线对步骤(5)中高速目标全方位三维点云信息进行异常值剔除，最终得到高精度运动目标三维轮廓的点云信息；
(7)根据步骤(6)得到的高精度运动目标的三维轮廓的点云信息以及包络线，计算出相关运动参数，包括：自转角速度、运动速度、自旋转方向；以及表面特征，包括：目标三维轮廓、运动过程中目标表面产生的磨损量。
优选地，所述步骤(7)中，鉴于高速目标在运过程中会产生自旋转现象，调频连续波激光雷达所测得包络线为环绕高速目标表面的旋转线，根据包络线的方向和长度计算出高速目标的相关运动参数。
优选地，所述步骤(7)中，鉴于已知高速目标的外形轮廓，通过将其与测量得到的三维表面点云信息进行比对，计算出高速目标表面在运动过程中所产生的磨损量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种高速目标表面特征和运动参数测量装置，其特征在于：其包括：调频连续波激光雷达系统(1)、固态面阵激光雷达组(2)、同步触发装置(3)、上位机(4)；
调频连续波激光雷达系统包括：线阵APD传感器(101)、接收光学系统(102)、线激光发射器(103)、信号处理模块(104)；固态面阵激光雷达组(2)包含三个固态面阵激光雷达(201、202、203)；同步触发装置(3)分别连接调频连续波激光雷达系统(1)与固态面阵激光雷达组(2)，调频连续波激光雷达系统(1)、固态面阵激光雷达组(2)、同步触发装置(3)分别与上位机(4)相连且由上位机(4)向其发送控制信号；
当高速目标经过调频连续波激光雷达系统(1)的视野中时，调频连续波激光雷达系统(1)捕捉到目标反射后的回波信号，并激活同步触发装置(3)，经上位机(4)分析处理后发送启动指令至固态面阵激光雷达组(2)，并控制固态面阵激光雷达组(2)对高速目标进行测量。
2.根据权利要求1所述的高速目标表面特征和运动参数测量装置，其特征在于：所述调频连续波激光雷达系统放置在距运动目标近侧位置；固态面阵激光雷达组(2)中的三个固态面阵激光雷达在空间上间隔120°均匀分布，放置在距运动目标远侧位置，确保运动目标依次经过调频连续波激光雷达系统(1)、固态面阵激光雷达组(2)视野区域。
3.根据权利要求2所述的高速目标表面特征和运动参数测量装置，其特征在于：所述固态面阵激光雷达组的三个固态面阵激光雷达(201、202、203)视场角以及摆放位置取决于与运动目标之间的垂直距离，固态面阵激光雷达组的安装平面与高速目标的运动方向相互垂直；固态面阵激光雷达(201、202、203)的水平角度根据公式(1)获得：
Figure FDA0003054165260000021
其中，α为水平角度，l为高速目标的长度，h为固态面阵激光雷达与高速目标的垂直距离；
固态面阵激光雷达(201、202、203)的垂直角度根据公式(2)获得：
Figure FDA0003054165260000022
其中β为垂直角度，d为高速目标最大直径长度，h为固态面阵激光雷达与高速目标的垂直距离。
4.根据权利要求3所述的高速目标表面特征和运动参数测量装置，其特征在于：由上位机向固态面阵激光雷达组发送的启动指令，选择与调频连续波激光雷达系统(1)同步触发或延迟Δt后触发，根据公式(3)获得：
Figure FDA0003054165260000023
其中，v为高速目标的轴向速度，l为高速目标的长度，t1、t2分别为调频连续波激光雷达系统得到的中频信号起始、结束时刻；
Figure FDA0003054165260000024
其中，Δt为触发延迟时长，s为调频连续波激光雷达与固态面阵激光雷达组安装平面之间的距离。
5.根据权利要求4所述的高速目标表面特征和运动参数测量装置，其特征在于：所述调频连续波激光雷达的线阵APD传感器(101)为1×8、1×16或1×32；像元数越多，测量得到的包络线越多，表征高速目标表面特征的分辨率越高。
6.根据权利要求5所述的高速目标表面特征和运动参数测量装置，其特征在于：根据测量范围以及被测目标特性，固态面阵激光雷达组(201、202、203)中的像元数选择320×240或者640×480，调制方式为伪随机码的调制方式。
7.一种高速目标表面特征和运动参数测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)设置目标与固态面阵激光雷达间的垂直距离h，根据高速目标的长度l与最大直径长度d确定固态面阵激光雷达组的视场角；
(2)确定调频连续波激光雷达与固态面阵激光雷达组安装平面之间的距离s，进而计算出触发延迟时长Δt，确保高速目标完全落到固态面阵激光雷达组的视野中；
(3)在测量过程中，调频连续波激光雷达系统中的线激光发射器不间断的发射调频连续波，且所发射的线激光与高速目标运动方向垂直；当运动目标进入调频连续波激光雷达系统的视野中时，线阵APD传感器通过接收光学系统接收到经目标反射后的回波信号，并将回波信号传输至信号处理模块(104)进行处理得到中频信号，记录中频信号开始时刻t1和结束时刻t2；根据公式(3)计算出高速目标的速度；
Figure FDA0003054165260000031
其中，v为高速目标的轴向速度，l为高速目标的长度，t1、t2分别为调频连续波激光雷达系统得到的中频信号起始、结束时刻；
(4)中频信号开始时刻t1激活同步触发装置，同步触发装置将触发信号传送至上位机，经过触发延迟时长Δt后，上位机向固态面阵激光雷达组发送启动指令；
(5)调频连续波激光雷达系统根据中频信号解算得到运动目标表面轮廓的多条包络线；固态面阵激光雷达组获取运动目标的不同方位的三维点云信息，通过对多个方位三维点云信号进行去噪、滤波、拼接，获得运动目标全方位的三维点云信息；
(6)采用临近插值算法对调频连续波激光雷达系统获得的包络线进行差值处理，利用差值处理后的包络线对步骤(5)中高速目标全方位三维点云信息进行异常值剔除，最终得到高精度运动目标三维轮廓的点云信息；
(7)根据步骤(6)得到的高精度运动目标的三维轮廓的点云信息以及包络线，计算出相关运动参数，包括：自转角速度、运动速度、自旋转方向；以及表面特征，包括：目标三维轮廓、运动过程中目标表面产生的磨损量。
8.根据权利要求7所述的高速目标表面特征和运动参数测量方法，其特征在于：所述步骤(7)中，鉴于高速目标在运动过程中会产生自旋转现象，调频连续波激光雷达所测得包络线为环绕高速目标表面的旋转线，根据包络线的方向和长度计算出高速目标的相关运动参数。
9.根据权利要求8所述的高速目标表面特征和运动参数测量方法，其特征在于：所述步骤(7)中，鉴于已知高速目标的外形轮廓，通过将其与测量得到的三维表面点云信息进行比对，计算出高速目标表面在运动过程中所产生的磨损量。
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