CN106017544B - 一种互补式激光立靶参数测试装置和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种互补式激光立靶参数测试装置和测试方法，测试装置包括互补式激光立靶装置、信号采集与处理仪和上位机，其中，互补式激光立靶装置与信号采集与处理仪连接并配置地用于传输探测信号，在互补式激光立靶装置内设有激光发射单元和光电探测单元，在互补式激光立靶装置内通过激光发射单元发射激光光束和光电探测单元接收激光光束从而形成互补式激光探测面。本发明应用于小口径目标着靶坐标测量，可获得目标的着靶坐标、着靶速度、飞行方向角等参数，既满足靶场测试精度要求，又提高了测试系统灵敏度和目标捕获率。

Description

一种互补式激光立靶参数测试装置和测试方法

技术领域

本发明涉及靶场光电测试领域，具体涉及一种互补式激光立靶参数测试装置和测试方法。

背景技术

在枪、弹的研发与生产过程中，目标飞行动态参数是武器性能校验的核心参数，主要包括目标飞行速度、位置、方位角等。目前，针对飞行目标参数的测量，主要有有形靶板测量、多光幕交汇测量法、双CCD交汇测量法。靶板法是根据试验规程要求在弹道规定的位置上，竖立木板靶，一组设计完毕，用手工测量靶板上单孔的位置。靶板法虽然可靠性高，但是材料消耗大，安装不便，不能识别重孔，费时费力，不仅不能做到实时数据的处理，而且由于手工测量的原因，人为误差无法消除。多光幕交汇测量法包括四光幕交汇法和六光幕交汇法。四光幕交汇测试系统是用光幕靶或天幕靶形成的四光个光幕以特定的位置与角度布置，当目标从光幕中穿过，数据计时采集仪将会捕获目标穿过四个光幕的是时刻值，根据四个时刻值和光幕的空间位置就可以计算出目标穿过光幕靶的空间位置坐标，该方法要求目标应垂直入射靶面，当目标不垂直穿过靶面时，则所测值与实际值之间存在较大的误差。六光幕交汇测量系统是在原有的四光幕交汇立靶基础上，通过增加两个光幕实现对斜入光幕目标的速度、空间矢量角度，该系统成功的解决了四光幕交汇立靶测试系统对目标斜入射光幕的着靶位置和速度测量不准的缺陷，但是六光幕交汇测试系统仍存在着结构复杂，角度标定较为繁琐，且对于形成天幕靶的六天幕测试系统，所需探测镜头数目较多，当视场角较大时，光幕厚度变宽，探测灵敏度有较大衰减。CCD交汇立靶测量系统是一种非接触式测量技术，测试系统需要一定的光源才能满足探测要求，且CCD交汇立靶测试系统的精度在小靶面时相对较高，但是对高空大靶面测量时需要将两个CCD相机布置的比较远才能满足测试系统靶面的要求，同时两个CCD难以做到共面布置，这给测试系统带来较大的误差，此外，该测试方法不能同时给出目标飞行的方向角和速度。

发明内容

针对上述不足，本发明提出了一种互补式激光立靶参数测试装置，其包括互补式激光立靶装置、信号采集与处理仪和上位机，其中，互补式激光立靶装置与信号采集与处理仪连接并配置地用于传输探测信号，在互补式激光立靶装置内设有激光发射单元和光电探测单元，信号采集与处理仪与上位机相连接，上位机配置地用于将信号采集与处理仪传输的探测信号进行处理与显示，在互补式激光立靶装置内通过激光发射单元发射激光光束和光电探测单元接收激光光束从而形成互补式激光探测面，互补式激光探测面包括四个相互平行的激光探测面，其中，两个主激光探测面和两个补偿激光探测面之间互补布置。

作为优选，互补式激光立靶装置包括主体框架，在主体框架的角部固定有支架底座，主体框架通过支架底座与滚轮相连接，。

作为优选，主体框架包括第一框架和第二框架，第一框架和第二框架为矩形结构并且均垂直于水平面，第一框架和第二框架之间通过支架连杆连接，第一框架和第二框架中的每个框架包括两个子框架，每个子框架作为一个激光探测面靶，两个子框架相邻布置，每个子框架内部设有两组激光发射单元和两组光电探测单元。

作为优选，在第一框架中的两个子框架上设有相邻且相互平行的第一主激光探测面和第一补偿激光探测面，在第二框架中的两个子框架上设有相邻且相互平行的第二主激光探测面和第二补偿激光探测面。

作为优选，激光发射单元位于每个子框架中相邻的两个侧边上，每组激光发射单元位于一个侧边上，其中，每组激光发射单元包括电路板，电路板位于该侧边的最外侧，在电路板上设有由多个被编码的激光发射器组成的激光发射器阵列，在同一侧边上沿框架厚度方向由外向内依次还设有第一狭缝、平行光透镜和第二狭缝，激光发射器阵列用于向互补式激光立靶装置内部发射激光。

作为优选，在每个子框架内部且位于与该侧边相对的侧边上设有光电探测单元，光电探测单元包括由内向外依次布置的第二狭缝、聚光凸透镜、第一狭缝和电路板，在电路板上设有由多个被编码的光电探测器组成的光电探测器阵列，光电探测器阵列用于接收相对边上激光发射器阵列发射的激光。

本发明还提供一种互补式激光立靶参数测试方法，其采用上述任一项技术方案中的互补式激光立靶参数测试装置，其能够通过计算目标穿过互补式激光立靶装置中每个激光探测面的坐标确定目标通过激光探测面的位置坐标和飞行参数。

作为优选，具体步骤包括：

(1)沿目标出射的延伸方向且一定距离处摆放互补式激光立靶装置，将滚轮固定，互补式激光立靶装置的输出信号端口与信号采集与处理仪的数据接口连接；利用远程数据线将信号采集与处理仪与上位机的通讯端连接，分别给互补式激光立靶装置、信号采集与处理仪和上位机供电；

(2)以第一主激光探测面的靶面中心原点建立坐标系xoy，进行实弹射击，目标的目标依次穿过第一主激光探测面、第一补偿激光探测面、第二主激光探测面和第二补偿激光探测面，目标穿过四个激光探测面的信号经信号采集与处理仪传送给上位机，计算得出目标经过主激光探测面或补偿激光探测面的着靶位置坐标和飞行参数。

作为优选，利用激光探测面对目标着靶所述位置坐标的补充计算，以主激光探测面的中心作为坐标原点，目标的着靶坐标(x,y)为：

式中φ为光电探测器的直径，A为激光发射器的半径，N表示每行或列中光电探测器的个数，B_x·i＝0或1，为水平方向光电探测器的编号，B_y·i＝0或1，为垂直方向光电探测器的编号，L为激光探测面边长，公式应用于主激光探测面时，式中b＝0，应用于补偿激光探测面时，式中b＝1。

作为优选，在测试目标飞行参数时，包括以下步骤：

假设目标经过主激光探测面或补偿激光探测面的着靶位置坐标分别为(x₀，y₀)，(x₁，y₁)，根据坐标测量公式计算出目标飞行的平均速度v、水平偏角θ和垂直偏角γ为：

上式中W为两个主激光探测面或补偿激光探测面之间的距离，Δt为飞行目标穿过主激光探测面或补偿激光探测面之间的时间差。

本发明涉及的应用于小口径目标着靶坐标测量，可获得目标的着靶坐标、着靶速度、飞行方向角等参数，即满足靶场测试精度要求，又提高了测试系统的灵敏度和对目标的捕获率。

附图说明

图1是本发明的互补式激光立靶参数测试装置布局示意图；

图2是本发明的互补式激光立靶装置结构示意图；

图3是本发明的互补式激光立靶装置结构的侧视图；

图4是本发明的单个激光探测面的主视图；

图5是本发明的单个激光探测面的俯视图；

图6是本发明的激光发射器阵列局部位置示意图；

图7是本发明的目标着靶空间坐标计算示意图。

其中，1、第一主激光探测面；2、第一补偿激光探测面；3、第二注激光探测面；4、第二补偿激光探测面；5、支架连杆；6、滚轮；7、支架底座；8、激光发射器阵列；9、光电探测器阵列；10、主体框架；11、目标；12、电路板；13、第一狭缝；14、平行光透镜；15、第二狭缝；16、聚光凸透镜；17、互补式激光立靶装置；18、信号采集与处理仪；19、上位机；20、第一框架；21、第二框架。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，图1示出一种互补式激光立靶参数测试装置，其采用一体式设计，能够独立完成对目标过靶信号的采集、处理，最终得到目标的飞行参数，上述互补式激光立靶参数测试装置包括互补式激光立靶装置17、信号采集与处理仪18和上位机19，其中，互补式激光立靶装置17沿目标11(作为枪炮发射的弹丸)发射的延伸方向且与目标11发射点相距一定距离处布置在水平地面上，互补式激光立靶装置17通过电缆线与信号采集与处理仪18连接并配置地用于传输探测信号，信号采集与处理仪18与上位机19相连接，上位机19配置地用于将信号采集与处理仪18传输的探测信号进行处理与显示。

如图2所示，互补式激光立靶装置17包括主体框架10，在主体框架10上设有激光发射单元和对应的光电探测单元，在主体框架10的角部固定有支架底座7，主体框架10通过支架底座7与滚轮6相连接，滚轮6配置地用于带动主体框架10在水平面上移动或者固定在某一位置，在主体框架10内通过激光发射单元和光电探测单元形成激光探测面。

具体地，主体框架10包括第一框架20和第二框架21，第一框架20和第二框架21为矩形结构并且均垂直于水平面，第一框架20和第二框架21之间通过支架连杆5连接，这样使得互补式激光立靶装置17整体呈方块型结构，这样不但便于整体搬运，还能够通过滚轮6能够实现在水平面上自由移动或固定。

在第一框架20和第二框架21中每个框架中包括两个子框架，每个子框架作为一个激光光幕靶，第一框架20和第二框架21中每个框架中的两个子框架相邻布置，这种双框架设计能够显著增强测试的准确度和稳定性，在4个子框架内分别形成第一主激光探测面1、第一补偿激光探测面2、第二注激光探测面3和第二补偿激光探测面4，具体地，每个子框架内部设有两组激光发射单元，激光发射单元位于每个子框架中相邻的两个侧边上，每组激光发射单元位于一个侧边上，其中，每组激光发射单元包括电路板12，电路板12位于该侧边的最外侧，在电路板12上设有由多个激光发射器组成的激光发射器阵列8，激光发射器阵列8向主体框架10内部发射激光，其初射光斑为Φ＝8mm，在同一激光发射单元所在侧边上沿框架厚度方向由外向内依次还设有第一狭缝13、平行光透镜14和第二狭缝15，在同一子框架内部且位于与该侧边相对的侧边上设有光电探测单元，光电探测单元包括由内向外依次布置的第二狭缝15、聚光凸透镜18、第一狭缝13和电路板12，在电路板12上设有由多个光电探测器组成的光电探测器阵列9，光电探测器阵列9用于接收相对侧边上激光发射器阵列8发射的激光，具体地，激光发射器阵列8中的激光发射器和光电探测器阵列9的光电探测器一一对应。

通过上述激光发射单元与光电探测单元的光学结构设计，激光发射单元中电路板12上的激光发射器阵列8发射的激光依次经过第一狭缝13、平行光透镜15、第二狭缝15后形成垂直入射到对应光电探测单元中的光束；在光电探测单元中，由激光发射器阵列8发出的多组平行光束先后经过第二狭缝15、聚光凸透镜18、第一狭缝13，最终光束能完全汇聚到对应的光电探测器阵列9的光敏面中，从而在每个子框架内形成激光探测面。这样，整齐排列的激光发射器阵列8与其一一对应的光电探测器阵列9形成密集的光束栅格探测网络。

如图2和4所示，互补式激光立靶参数测试装置中的电路板12对激光发射器阵列8和光电探测器阵列9中的激光发射器和光电探测器进行了有序编码，例如在一个优选实施例中，在每个子框架中，每行或列300个激光发射器组成的激光发射器阵列8的编码序列为：A_x,001-A_x,300，与其对应的300个光电探测器组成的光电探测器阵列9的编码序列为：B_x,001-B_x,300，由于激光发射器阵列8中的激光发射器是紧密排列的，且每个激光发射器的直径为φ＝6mm,所以可以得到探测靶面的边长为1800mm,整个有效的探测面大小为M_x＝1800×1800mm²。

在互补式激光立靶装置17内通过激光发射单元发射激光光束形成互补式激光探测面，具体地，由于互补式激光立靶装置17中包括4个子框架，每个子框架内部可形成一个激光探测面，因此，该互补式激光探测面包括四个相互平行的激光探测面，具体为两个主激光探测面和两个补偿激光探测面，主激光探测面和补偿激光探测面之间采用互补式设计，具体地，在第一框架20中的两个子框架内形成相邻且相互平行的第一主激光探测面1和第一补偿激光探测面2，在第二框架21中的两个子框架内形成相邻且相互平行的第二主激光探测面3和第二补偿激光探测面4。具体地，每个激光探测面由所在子框架内按照平行和垂直方向排列的激光发射器阵列8和其一一对应的光电探测器阵列9形成，因此每个子框架作为一个激光光幕靶的靶面可看成一面由若干面积很小的正方形光束格子组成的栅格探测网络。

在互补式激光立靶装置17中形成第一主激光探测面1与第二主激光探测面3的激光发射器阵列8和光电探测器阵列9的排列在空间上沿水平方向完全相同，第一补偿激光探测面2和第二补偿激光探测面4的激光发射器阵列8和光电探测器阵列9的排列在空间上沿水平方向完全相同，但是，对应的主激光探测面和补偿激光探测面的激光发射器阵列8和光电探测器阵列9的排列在空间上沿水平方向不重合，水平高度相差半个激光发射器的距离，所以主激光探测面形成的光束栅格探测网络与补偿激光探测面形成的光束栅格网络在空间延水平方向不重合，主激光探测面在目标探测中起主要的作用，当主激光探测面未能完全捕获目标飞行参数时，补偿激光探测面可以补偿计算出目标过靶的的未知参数。

考虑到形成第一主激光探测面1和第二主激光探测面3以及第一补偿激光探测面2和第二补偿激光探测面4的所属激光发射单元中各部件之间交错排列，因为光电探测单元的光敏面存在一部分的探测盲区，如果目标11的直径小于相邻两个激光发射器产生的光束之间间隔，有可能就不能引起光电探测器阵列9信号的变化，目标11过靶信号有可能不能被测试装置捕获，因此在第一、第二主激光探测面1、3的基础上，增加了第一、第二补偿激光探测面2、4，这样能够通过增加光束的密度来弥补光电探测单元灵敏度的不足。这主要因为，第一、第二主激光探测面1、3和第一、第二补偿激光探测面2、4发出的光束在空间位置上不重，这样，当目标11太小，主激光探测面未能完全捕获目标11的飞行参数的情况下，补偿激光探测面就能起到增加目标11捕获率的作用。这样主激光探测幕和补偿激光探测面之间的激光发射器阵列8在空间上相互交错排列，构成了一个更加密集的栅格探测网络，提高了系统对直径较小目标的捕获率，可以有效提高立靶测试系统的对目标着靶坐标测量的准确性和可靠性。

通过上述装置，可以计算目标穿过互补式激光立靶装置17中每个光幕靶靶面，也就是激光探测面的坐标。具体地，利用光电转换原理，当有目标穿过互补式激光立靶装置17的激光探测面时，目标遮挡了部分由激光发射器阵列8发出的光束，引起相对应光电探测器阵列9上B_x,001-B_x,300中某些光电探测器的探测信号由低电平变为高电平，即由0变为1，通过信号采集与处理仪18采集探测信号，上传至上位机19读取和显示该变化的光电探测器的编号，通过光电探测器的编号就可以确定目标通过四个激光探测面的位置坐标(x,y)。

此外，在确定目标过靶的位置坐标时，可以利用补偿激光探测面对目标的飞行参数进行补充计算。具体地，第一、第二补偿激光探测面2、4在整个探测过程中起补充测量的作用，当目标直径过小，第一、第二主激光探测面1、3未能完全捕获目标过靶信号时，上位机19才会读取目标通过补偿激光探测面的飞行数据，且补偿激光探测面和主激光探测面的空间位置坐标相差3mm。

下面具体介绍利用激光探测面对目标着靶坐标位置的计算，设定补偿激光探测面和主激光探测面的空间位置坐标差值为A，则以主激光探测面的中心作为坐标原点，目标的着靶坐标(x,y)为：

式中φ为光电探测器的直径，A为固定值，表示激光发射器的半径，N表示每行或列中光电探测器的个数，B_x·i＝0或1，为水平方向光电探测器的编号，B_y·i＝0或1，为垂直方向光电探测器的编号，L为激光探测面边长，公式应用于主激光探测面时，式中b＝0，应用于补偿激光探测面时，式中b＝1。

针对本实施例则采用下面的公式应用于主激光探测面时，式中b＝0，应用于补偿激光探测面时，式中b＝1，则以主激光探测面的中心作为坐标原点，目标的着靶坐标(x,y)为：

举例来说，假设被遮挡的第一主激光探测面1水平方向的光电探测器件编码为B_a,100、B_a,101、B_a,102，垂直方向的光电探测器件编码为B_c,32、B_c,33、B_c,34。则可确定目标着靶位置坐标(x,y)为：

则目标着靶位置坐标为(-294，-702)。

由于补偿激光探测面在整个探测系统中起辅助测量的作用，假设在第一补偿激光探测面2中，目标水平方向挡住的光电探测器件编码为B_b,100，垂直方向的光电探测器件编码为B_d,200。则补偿激光探测面的目标过靶位置坐标(x′,y′)为：

x′＝6×80-900+3

y′＝6×67-900+3，

则穿过第一补偿激光探测面2的目标过靶位置坐标(x′,y′)为(-297，303)。

利用上述互补式激光立靶参数测试装置，本实施例还提供一种互补式激光立靶参数测试方法，具体操作步骤如下：

(1)沿目标11出射的延伸方向且一定距离处摆放互补式激光立靶装置17，将滚轮6固定，互补式激光立靶装置17的输出信号端口与信号采集与处理仪18的数据接口连接；利用远程数据线将信号采集与处理仪18与上位机19的通讯接口连接，分别给互补式激光立靶装置17、信号采集与处理仪18和上位机19供电。

(2)以第一主激光探测面1的靶面中心原点建立坐标系xoy，进行实弹射击，目标依次穿过第一主激光探测面1、第一补偿激光探测面2、第二主激光探测面3和第二补偿激光探测面4，目标穿过四个探测面的信号经信号采集与处理仪18传送给上位机19，假设目标经过第一主激光探测面1和第二主激光探测面3或第一补偿激光探测面2和第二补偿激光探测面4的着靶位置坐标分别为(x₀，y₀)，(x₁，y₁)。

(3)根据坐标测量公式计算出目标飞行的平均速度v、水平偏角θ和垂直偏角γ为：

上式中W为两个主激光探测面或补偿激光探测面之间的距离，Δt为飞行目标穿过主激光探测面或补偿激光探测面之间的时间差。

互补式激光立靶参数测试装置与方法对目标过靶位置坐标测量的高精度。由于测试系统采用互补式激光探测面，较单平行单一的探测面具有更高的测试精度和更可靠的稳定性，测试系统对目标着靶坐标位置的测量误差小于3mm。

本发明的一个代表性实施例参照附图得到了详细的描述。这些详细的描述仅仅给本领域技术人员更进一步的相信内容，以用于实施本发明的优选方面，并且不会对本发明的范围进行限制。仅有权利要求用于确定本发明的保护范围。因此，在前述详细描述中的特征和步骤的结合不是必要的用于在最宽广的范围内实施本发明，并且可替换地仅对本发明的特别详细描述的代表性实施例给出教导。此外，为了获得本发明的附加有用实施例，在说明书中给出教导的各种不同的特征可通过多种方式结合，然而这些方式没有特别地被例举出来。

Claims (2)

1.一种互补式激光立靶参数测试方法，其采用互补式激光立靶参数测试装置，其包括互补式激光立靶装置(17)、信号采集与处理仪(18)和上位机(19)，其中，所述互补式激光立靶装置(17)与所述信号采集与处理仪(18)连接并配置地用于传输探测信号，在所述互补式激光立靶装置(17)内设有激光发射单元和光电探测单元，所述信号采集与处理仪(18)与上位机(19)相连接，所述上位机(19)配置地用于将所述信号采集与处理仪(18)传输的探测信号进行处理与显示，在所述互补式激光立靶装置(17)内通过所述激光发射单元发射激光光束和所述光电探测单元接收激光光束从而形成互补式激光探测面，所述互补式激光探测面包括四个相互平行的激光探测面，其中，两个主激光探测面和两个补偿激光探测面之间互补布置，所述互补式激光立靶装置(17)包括主体框架(10)，在所述主体框架(10)的角部固定有支架底座(7)，所述主体框架(10)通过所述支架底座(7)与滚轮(6)相连接，所述主体框架(10)包括第一框架(20)和第二框架(21)，所述第一框架(20)和所述第二框架(21)为矩形结构并且均垂直于水平面，所述第一框架(20)和所述第二框架(21)之间通过支架连杆(5)连接，所述第一框架(20)和所述第二框架(21)中的每个框架包括两个子框架，每个所述子框架作为一个激光探测面靶，两个所述子框架相邻布置，每个所述子框架内部设有两组所述激光发射单元和两组所述光电探测单元，每组所述激光发射单元包括多个由多个被编码的激光发射器组成的激光发射器阵列(8)，每组所述光电探测单元包括由多个被编码的光电探测器组成的光电探测器阵列(9)；在所述第一框架(20)中的两个所述子框架上设有相邻且相互平行的第一主激光探测面(1)和第一补偿激光探测面(2)，在所述第二框架(21)中的两个所述子框架上设有相邻且相互平行的第二主激光探测面(3)和第二补偿激光探测面(4)其中，对应的主激光探测面和补偿激光探测面的所述激光发射器阵列(8)和所述光电探测器阵列(9)的排列在空间上沿水平方向不重合，水平高度相差半个所述激光发射器的距离；

所述方法能够通过计算目标(11)穿过所述互补式激光立靶装置(17)中每个激光探测面的坐标确定所述目标通过激光探测面的位置坐标和飞行参数；具体步骤包括：

(1)沿目标(11)出射的延伸方向且一定距离处摆放所述互补式激光立靶装置(17)，将滚轮(6)固定，所述互补式激光立靶装置(17)的输出信号端口与所述信号采集与处理仪(18)的数据接口连接；利用远程数据线将所述信号采集与处理仪(18)与所述上位机(19)的通讯端连接，分别给所述互补式激光立靶装置(17)、所述信号采集与处理仪(18)和上位机(19)供电；

(2)以主激光探测面的靶面中心原点建立坐标系xoy，进行实弹射击，目标(11)的目标依次穿过第一主激光探测面(1)、第一补偿激光探测面(2)、第二主激光探测面(3)和第二补偿激光探测面(4)，目标(11)穿过四个激光探测面的信号经所述信号采集与处理仪(18)传送给上位机(19)，计算得出目标经过主激光探测面或补偿激光探测面的着靶所述位置坐标和所述飞行参数；

此外，利用激光探测面对目标着靶所述位置坐标的补充计算，以主激光探测面的中心作为坐标原点，目标的着靶坐标(x,y)为：

式中φ为光电探测器的直径，A为激光发射器的半径，N表示每行或列中光电探测器的个数，B_x·i＝0或1，为水平方向光电探测器的编号，B_y·i＝0或1，为垂直方向光电探测器的编号，L为激光探测面边长，公式应用于主激光探测面时，式中b＝0，应用于补偿激光探测面时，式中b＝1。

2.根据权利要求1所述的互补式激光立靶参数测试方法，其特征在于，在测试所述飞行参数时，包括以下步骤:

假设目标(11)经过主激光探测面或补偿激光探测面的着靶位置坐标分别为(x₀，y₀)，(x₁，y₁)，根据坐标测量公式计算出目标(11)飞行的平均速度v、水平偏角θ和垂直偏角γ为：

上式中W为两个主激光探测面或补偿激光探测面之间的距离，Δt为飞行目标穿过主激光探测面或补偿激光探测面之间的时间差。