本發(fā)明涉及一種彈幕武器炮口振動(dòng)測(cè)試裝置及其測(cè)試方法，尤其涉及一種炮口振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著導(dǎo)彈等精確制導(dǎo)武器的突防能力的不斷提高，為對(duì)精確制導(dǎo)武器進(jìn)行有效的防御，用于精確制導(dǎo)武器近程防御的彈幕武器也取得了長(zhǎng)足發(fā)展。比較著名的有美國(guó)雷神公司的mk-15“密集陣”、荷蘭的“守門員”、澳大利亞的“金屬風(fēng)暴”、俄羅斯的“cads-n-1”、“卡什坦”，以及我國(guó)的“632”、“732”、“1132”、“陸盾”等多管小口徑火炮近程低空防御武器系統(tǒng)，在艦船防空、車載機(jī)動(dòng)防空以及地面的重要固定目標(biāo)對(duì)空防御等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用^[1]。為有效的履行近程防空攔截作戰(zhàn)任務(wù)，對(duì)彈幕武器的射彈散布要求與常規(guī)武器有所區(qū)別。與傳統(tǒng)火炮要求射擊彈著點(diǎn)集中相反，而是要求彈丸散布成一定面積的彈幕，具有一定面積的彈幕有利于覆蓋來襲目標(biāo)可能的彈道軌跡；其次為避免出現(xiàn)被攔截的導(dǎo)彈雖穿過彈幕但仍未被有效攔截的情況，要求具有一定的散布密度，即彈幕武器的彈丸在射擊范圍內(nèi)相對(duì)均勻散布，才能保證攔截成功概率^[2]。彈幕武器的射彈散布情況是影響其攔截能力的重要因素。

由于彈幕武器具有彈丸散布面積大、短時(shí)間發(fā)射彈丸數(shù)量多、前后彈丸之間的間隔時(shí)間短等特點(diǎn)，普通靶板等射彈散布接觸式測(cè)試方法在大量彈丸的射擊后，很難再有效判別彈孔，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)彈幕武器射彈散布的可靠測(cè)試^[3]。隨著技術(shù)的發(fā)展以及軍事上的迫切需求，彈幕武器的射頻還在不斷提高，給射彈散布測(cè)試技術(shù)帶來了新的難題。為有效測(cè)試彈幕武器射彈散布，迫切需要一種有效靶面大、測(cè)試靈敏度和精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用的非接觸式測(cè)試方法，要求測(cè)試系統(tǒng)必須具有較高的測(cè)量精度、靈敏度及高速信號(hào)接收與處理能力，同時(shí)適應(yīng)高速或者低速飛行彈丸的測(cè)試需要，具有大面積的靶面且易于靶場(chǎng)安裝調(diào)試。

同時(shí)，在射擊的過程中，發(fā)射藥在火炮身管內(nèi)發(fā)生劇烈化學(xué)作用，在復(fù)雜外力及環(huán)境作用下，身管必然會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，影響火炮的射彈散布。彈幕武器通常采用多管形式的小口徑轉(zhuǎn)管炮，由于射頻快，射擊時(shí)前后的沖擊振動(dòng)相互影響，不同身管之間射擊的振動(dòng)情況交叉影響，其炮口振動(dòng)情況比常規(guī)火炮更為復(fù)雜。由于火炮射擊時(shí)的測(cè)試環(huán)境惡劣、振動(dòng)激勵(lì)源復(fù)雜、加速度大、振動(dòng)幅度和頻率多樣等特點(diǎn)，缺乏有效的炮口振動(dòng)測(cè)試手段。

上世紀(jì)90年代以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)火炮振動(dòng)與射彈散布的關(guān)系進(jìn)行了深入的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明搖架及身管振動(dòng)都會(huì)對(duì)密集度產(chǎn)生影響，炮彈出炮口時(shí)的炮口動(dòng)態(tài)射角與火炮的射彈散布的關(guān)系密切，是影響火炮射彈散布的重要原因之一。因此，復(fù)雜的炮口振動(dòng)是影響彈幕武器彈丸散布的重要原因之一。研究測(cè)試其炮口振動(dòng)與射彈散布的測(cè)試方法，能夠?yàn)榕诳谡駝?dòng)與射彈散布相關(guān)性研究提供實(shí)踐支撐。研究相關(guān)技術(shù)手段測(cè)量彈幕武器射彈散布和炮口的振動(dòng)特性，為彈幕武器振動(dòng)控制提供技術(shù)支撐，對(duì)于獲取合理的彈幕武器射彈散布參數(shù)，提高武器作戰(zhàn)效能具有重要意義。對(duì)彈幕武器射擊時(shí)的炮口振動(dòng)與彈丸散布進(jìn)行測(cè)試，分析炮口振動(dòng)對(duì)彈丸散布的影響程度，對(duì)彈幕武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)研究也有指導(dǎo)意義。

炮口振動(dòng)對(duì)射彈散布有重要影響，由于測(cè)試環(huán)境惡劣、振動(dòng)情況復(fù)雜，一直是靶場(chǎng)測(cè)試領(lǐng)域的研究難點(diǎn)之一，現(xiàn)有的測(cè)試手段主要有以下幾種。

(1)加速度計(jì)

加速度計(jì)測(cè)量方法需要用到炮口箍等輔助測(cè)量裝置，通過輔助測(cè)量裝置將傳感器固定在炮口上，經(jīng)調(diào)理電路測(cè)出反應(yīng)振動(dòng)加速度的變化的電壓量，然后進(jìn)行信號(hào)處理，即可得到炮口的振動(dòng)參數(shù)。

(2)光電位移跟隨器

光電位移跟隨器測(cè)量原理主要通過跟蹤目標(biāo)靶上黑白標(biāo)識(shí)的分界面來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)振動(dòng)的測(cè)量。黑白分界面的運(yùn)動(dòng)使得析象管的成像發(fā)生變化，產(chǎn)生的電壓變化和物體位移變化成正比，能夠測(cè)量目標(biāo)在某一方向上的位移情況。

(3)電渦流位移傳感器

火炮身管在其電感線圈的感應(yīng)范圍內(nèi)發(fā)生振動(dòng)，由于電磁感應(yīng)原理而產(chǎn)生感應(yīng)電壓變化，感應(yīng)電壓與身管振動(dòng)的參量存在一定關(guān)系，從而求出火炮振動(dòng)參量。

由于原理上的局限性，電渦流傳感器的量程由其感應(yīng)線圈的截面積決定，為保證線圈正確響應(yīng)身管的振動(dòng)位移，被測(cè)的火炮身管截面應(yīng)該比傳感器截面直徑大兩倍以上，在測(cè)試過程中安裝比較困難。而且量程大的傳感器要求反射面就比較大，這樣傳感器測(cè)得的就是整個(gè)反射面的振動(dòng)信息平均，而不是單個(gè)點(diǎn)區(qū)域的振動(dòng)狀態(tài)，所以測(cè)量時(shí)必須使用小截面的傳感器，貼近炮身測(cè)試，而這樣在火炮發(fā)射時(shí)，炮管的位移容易拍打到傳感器，防護(hù)難度大。此外，炮身后坐導(dǎo)致的地面振動(dòng)，將直接影響固定傳感器的地面支架，造成測(cè)量的失敗。

(4)高速攝影

高速攝影器材主要包括高速ccd傳感器、高速處理電路和光學(xué)設(shè)備。通過分析炮口的視頻圖像，提取炮口運(yùn)動(dòng)信息，或?qū)⒁曨l文件分解成多幀圖像，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行提取。由于缺乏有效的振動(dòng)特征評(píng)估方法，其測(cè)量精度難以保證。而且為了兼顧高分辨率和高拍攝速度，高速攝影相機(jī)的視場(chǎng)通常很小，對(duì)炮口運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的幅間距有嚴(yán)格要求，例如apx-rs型高速相機(jī)最大不能超過100mm。且高速攝影設(shè)備采用高速面陣ccd，為保證掃描速度，其像元素?cái)?shù)量通常較少導(dǎo)致測(cè)量精度低，且高速攝影測(cè)連發(fā)火炮射擊炮口振動(dòng)過程時(shí)，需要采集的圖像數(shù)量非常龐大，圖像處理過程復(fù)雜，處理結(jié)果影響測(cè)試精度。

(5)基于psd位移傳感器的炮口振動(dòng)測(cè)試方法

反射鏡通過輔助測(cè)量裝置固定在炮口位置，激光器、psd傳感器及鏡頭在炮口后方相對(duì)反射鏡平面成一定角度布置。測(cè)量時(shí)，激光器發(fā)出點(diǎn)光源照射在反射鏡平面上，反射鏡隨著炮口的振動(dòng)，將炮口的振動(dòng)反應(yīng)到點(diǎn)光源在psd表面的移動(dòng)，psd產(chǎn)生與入射光斑位置對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)，再經(jīng)過psd傳感器信號(hào)處理板處理后，結(jié)合炮口動(dòng)態(tài)射角與psd光斑坐標(biāo)間的檢測(cè)模型，即可得到炮口振動(dòng)參量的測(cè)量結(jié)果。

(6)ccd激光三角位移傳感器

ccd激光位移傳感器主要由激光器、光學(xué)透鏡組和ccd組成。反射光點(diǎn)在ccd上成像，像點(diǎn)響應(yīng)反射鏡的振動(dòng)情況，而反射鏡隨炮口振動(dòng)。基于ccd輸出的光點(diǎn)位移變化量，并結(jié)合兩者之間的數(shù)學(xué)模型就可以測(cè)量目標(biāo)的振動(dòng)位移情況。

綜合上述分析可以看出，火炮射擊現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，炮口振動(dòng)測(cè)量的復(fù)雜因素多，能滿足彈幕武器炮口振動(dòng)的測(cè)試手段缺乏?，F(xiàn)有的炮口振動(dòng)測(cè)試手段存在的缺點(diǎn)主要有：

(1)接觸式傳感器的測(cè)試方法測(cè)量原理簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，但會(huì)改變炮口振動(dòng)狀態(tài)，尤其對(duì)于小口徑火炮炮口振動(dòng)測(cè)試影響大。由于身管振動(dòng)頻率多樣，不同頻率不同沖擊的振動(dòng)也容易損壞非對(duì)應(yīng)量程區(qū)間的傳感器，對(duì)于轉(zhuǎn)管火炮而言，接觸式傳感器安裝難度很大。

(2)非接觸式測(cè)量?，F(xiàn)有非接觸式測(cè)量方法存在的問題歸納起來主要有：

1)測(cè)量距離過近，易被身管后坐或炮口沖擊損壞；

2)抗炮口焰及煙霧等干擾能力差；

3)無法跟蹤測(cè)量炮口的二維振動(dòng)，后期數(shù)據(jù)處理困難；

4)需要在身管上加裝輔助測(cè)量設(shè)備，影響火炮本身的振動(dòng)特性，且對(duì)于采用轉(zhuǎn)管形式的彈幕武器而言，難以完成安裝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于基于線激光技術(shù)、ccd成像技術(shù)等，研究線激光束在炮口成像以及隨炮口振動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合面陣ccd與線陣ccd輸出信號(hào)頻率特點(diǎn)，提出雙線陣ccd檢測(cè)線激光炮口振動(dòng)測(cè)試方法；原理；分析測(cè)量原理，分析測(cè)試系統(tǒng)布局，研究相關(guān)參量光學(xué)投影轉(zhuǎn)換關(guān)系，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，推導(dǎo)測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)炮口振動(dòng)位移的二維求解。

本發(fā)明的技術(shù)方案在于提供了一種炮口振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，具體包括下方測(cè)量光路系統(tǒng)、側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)和雙線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置，其特征在于：

下方測(cè)量光路系統(tǒng)包括第一線激光器、第一柱面透鏡、第一平面反射鏡、第一濾光片、第一成像系統(tǒng)、第一線陣ccd；

下方測(cè)量光路系統(tǒng)布置在待測(cè)身管正下方,在靠近炮口一側(cè)安裝第一線激光器，在第一線激光器的上方安裝有第一柱面透鏡，第一線激光器發(fā)射的激光經(jīng)過第一柱面透鏡后形成第一線激光面，并照射到待測(cè)身管上，形成第一線激光投影，在這個(gè)過程中線激光束的光平面應(yīng)當(dāng)垂直于身管的徑向垂直截面，接著安裝第一平面反射鏡，用于反射光束投影。

第一平面反射鏡被安裝在第一線激光器的右側(cè)，同時(shí)第一平面反射鏡與待測(cè)身管成一定角度，使得反射后的像能夠傳遞到第一成像系統(tǒng)。

第一濾光片放置在第一平面反射鏡和第一成像系統(tǒng)的鏡頭間。接著在第一濾光片的后方依次安裝第一成像系統(tǒng)和第一線陣ccd,第一線陣ccd要與待測(cè)身管成一定角度α；

第一線陣ccd上連接線路，使第一線陣ccd與雙線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置連接進(jìn)行測(cè)得信號(hào)的采集與處理，同時(shí)側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)也通過傳輸?shù)搅穗p線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置上，

側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)包括：第二線激光器、第二柱面透鏡、第二平面反射鏡、第二濾光片、第二成像系統(tǒng)、第二線陣ccd。

其中：在靠近炮口一側(cè)安裝第二線激光器，在第二線激光器的后方安裝第二柱面透鏡，第二線激光器發(fā)射的激光穿過第二柱面透鏡后形成第二線激光面，并照射到待測(cè)身管上，形成第二線激光投影，在這個(gè)過程中線激光束的光平面應(yīng)當(dāng)垂直于身管的軸向水平截面，接著安裝第二平面反射鏡，用于反射光束投影。

第二平面反射鏡被安裝在第二線激光器右側(cè)，同時(shí)第二平面反射鏡與待測(cè)身管成一定角度，使得反射后的像能夠傳遞到第二成像系統(tǒng)，第二濾光片放置在第二平面反射鏡和第二成像系統(tǒng)的鏡頭間，用于濾除自然光線，以減少外界因素對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。接著在第二濾光片的后方依次安裝第二成像系統(tǒng)和第二線陣ccd,第二線陣ccd要與待測(cè)身管成一定角度α；

第二線陣ccd上連接線路，使其與雙線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置連接，進(jìn)行測(cè)得信號(hào)的采集與處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)炮口振動(dòng)的測(cè)量。

進(jìn)一步地，還包括同步電路，其作用就是在待測(cè)身管受到激勵(lì)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，使下方測(cè)量光路系統(tǒng)和側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)能夠同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，并將信號(hào)傳遞到雙線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)炮口振動(dòng)的同步測(cè)量。

進(jìn)一步地，該發(fā)明還提供了一種炮口振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方法，具體包括：

步驟1、進(jìn)行防震裝置的安裝；

步驟2、在待測(cè)身管下方正對(duì)位置，靠近炮口一側(cè)安裝第一線激光器，用于生成線激光；在第一線激光器上方安裝第一柱面透鏡用于生成第一線激光面，當(dāng)?shù)谝痪€激光面照射到待測(cè)身管上時(shí)可以在炮口處形成第一線激光投影；在第一線激光器后方位置安裝第一平面反射鏡，用于反射在待測(cè)身管上形成的第一線激光投影；在第一平面反射鏡反射后形成光線對(duì)應(yīng)的光路上安裝第一濾光片；第一濾光片后方安裝第一成像系統(tǒng)，使第一成像系統(tǒng)的鏡頭正對(duì)第一濾光片，用于對(duì)第一平面反射鏡反射光線的成像；在第一成像系統(tǒng)后方安裝第一線陣ccd，用于接收第一成像系統(tǒng)傳遞過來的像；第一線陣ccd需與身管成一定角度α；

步驟3、在待測(cè)身管側(cè)方正對(duì)位置，靠近炮口一側(cè)安裝第二線激光器，用于生成線激光；在第二線激光器前方安裝第二柱面透鏡，用于生成第二線激光面，當(dāng)?shù)诙€激光面照射到待測(cè)身管上時(shí)可以在炮口處形成第二線激光投影；在第二線激光器后方合適位置安裝第二平面反射鏡，用于反射在待測(cè)身管上形成的第二線激光投影；在第二平面反射鏡反射后形成光線對(duì)應(yīng)的光路上安裝第二濾光片，第二濾光片后方安裝第二成像系統(tǒng)，使第二成像系統(tǒng)的鏡頭正對(duì)第二成像系統(tǒng)，用于對(duì)第二平面反射鏡反射光線的成像；在第二平面反射鏡后方安裝第二線陣ccd，用于接第二成像系統(tǒng)傳遞過來的像；第二線陣ccd需與身管成一定角度α；

步驟4、進(jìn)行雙線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置的安裝，通過線路將第一線陣ccd和第二線陣ccd與雙線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置進(jìn)行連接；

步驟5、接通電源，對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，使其滿足預(yù)定測(cè)試需求；調(diào)試完成過后，使測(cè)試系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)待測(cè)身管施加激勵(lì)，進(jìn)行測(cè)試；

步驟6、對(duì)測(cè)試過程中測(cè)得信號(hào)進(jìn)行采集、傳輸與處理，分別獲得第一線激光投影在第一線陣ccd上像的坐標(biāo)和第二線激光投影第二線陣ccd上像的坐標(biāo)；

步驟7、進(jìn)行測(cè)得數(shù)據(jù)的處理分析，第一線陣ccd和第二線陣ccd的像平面與待測(cè)身管都成一定夾角α，在待測(cè)身管、第一線陣ccd和第二線陣ccd上各建立一個(gè)坐標(biāo)系，而后將在第一線陣ccd和第二線陣ccd上測(cè)得信號(hào)變?yōu)樽鴺?biāo)值，而后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，將第一線陣ccd和第二線陣ccd上的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為炮口的坐標(biāo)值。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)以激光在身管上的投影作為成像對(duì)象，激光光波單色性好、能量集中，便于濾除炮口散光等環(huán)境光干擾，提高信噪比；

(2)線激光在三維空間內(nèi)是一個(gè)激光平面，具有一定長(zhǎng)度的線激光束可以保證射擊時(shí)，炮口在劇烈振動(dòng)過程中始終在激光光幕中；

(3)線陣ccd的掃描頻率更高，可以使用像元素更多的ccd器件，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的頻率和位移測(cè)量精度；

(4)無需在身管上加輔助測(cè)試設(shè)備，不改變炮口本身的振動(dòng)特性。安裝簡(jiǎn)單、安全性高且適用于不同結(jié)構(gòu)的火炮炮口，尤其在超高射速轉(zhuǎn)管火炮等非常不便于安裝或粘貼各種測(cè)量輔助物的場(chǎng)合。

附圖說明

圖1是單線陣ccd火炮沿線激光出射方向振動(dòng)位移測(cè)試原理示意圖；

圖2是雙線陣ccd檢測(cè)線激光測(cè)試系統(tǒng)基本組成圖；

圖3是雙線陣ccd檢測(cè)線激光炮口振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)布局主視圖；

圖4是雙線陣ccd檢測(cè)線激光炮口振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)布局俯視圖；

圖5是雙線陣ccd檢測(cè)線激光炮口振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)布局側(cè)視圖

圖6是身管截面內(nèi)炮口在線激光光幕中的振動(dòng)情況圖；

圖7是炮口振動(dòng)過程中線激光在在身管投影情況圖。

其中：1-待測(cè)身管、2-炮口、3-線激光投影、4-線激光器、5-柱面透鏡、6-線激光面、7-平面反射鏡、8-濾光片、9-成像系統(tǒng)、10-線陣ccd、11-單線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置、12-下方測(cè)量光路系統(tǒng)、13-側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)、14-第一線激光器、15-第一柱面透鏡、16-第一線激光面、17-第一線激光投影、18-第一平面反射鏡、19-第一濾光片、20-第一成像系統(tǒng)、21-第一線陣ccd、22-同步電路、23-雙線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置、24-第二線激光器、25-第二柱面透鏡、26-第二線激光面、27-第二線激光投影、28-第二平面反射鏡、29-第二濾光片、30-第二成像系統(tǒng)、31-第二線陣ccd、32-隔震裝置。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖1-7對(duì)該發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

在這里為了有效闡明本發(fā)明的具體功能，首先對(duì)單線陣ccd火炮沿線激光出射方向振動(dòng)位移測(cè)試裝置構(gòu)成和工作原理進(jìn)行說明。

如圖1所示，在單線陣ccd火炮沿線激光出射方向振動(dòng)位移測(cè)試裝置，在待測(cè)身管1一側(cè)靠近炮口2處，選擇一合適位置安裝線激光器4，為了滿足測(cè)試需求和后期計(jì)算需要，在安裝過程中應(yīng)當(dāng)使激光器4的軸線位于身管軸向水平方向平面內(nèi)，且與身管徑向垂直方向平面垂直，而后在線激光器4的前方放置一柱面透鏡5，用于形成一線型的三角激光面6，當(dāng)其照射到待測(cè)身管1上時(shí)，會(huì)在待測(cè)身管1表面形成一道高亮度的光束投影3。接著安裝一平面反射鏡7，用于反射光束投影。在圖1所示方位中，該平面反射鏡7被安裝在線激光器4的右側(cè)，同時(shí)該平面反射鏡7與身管成一定角度1，使得反射后的像能夠傳遞到成像系統(tǒng)9。而在平面反射鏡7和成像系統(tǒng)9的鏡頭間放置有一濾光片8，用于濾除自然光線，以減少外界因素對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。接著在濾光片8的后方依次安裝成像系統(tǒng)9和線陣ccd10，其中線陣ccd10需要與身管成一定角度，使像元線垂直于線激光束3的像，這是為后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，能夠建立起測(cè)量坐標(biāo)值和實(shí)際坐標(biāo)值之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型。最后在線陣ccd10上連接線路，與單線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置11形成信號(hào)通道實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、傳輸和處理。至此一個(gè)完整的單線陣ccd火炮沿線激光出射方向振動(dòng)位移測(cè)試裝置就搭建完成。

單線陣ccd火炮沿線激光出射方向振動(dòng)位移測(cè)試裝置工作時(shí)，激光器4通過柱面透鏡5形成線型的三角激光面6，該線激光面6照射到被測(cè)身管1上，在目標(biāo)表面形成一道高亮度的光束投影3，該光束投影3通過平面反射鏡7的反射，可以出現(xiàn)在成像系統(tǒng)9的光學(xué)鏡頭上，通過成像系統(tǒng)9轉(zhuǎn)換進(jìn)而在線陣ccd10上成像。而根據(jù)線陣ccd10的性能特點(diǎn)，當(dāng)受到外界光學(xué)信號(hào)刺激時(shí)，被照射位置會(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，而后該信號(hào)將通過單線陣ccd信號(hào)采集和處理裝置11傳遞到上位機(jī)上去，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲得。通過該系統(tǒng)，可以獲得光束投影3的像的初始位置，當(dāng)待測(cè)身管1產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，炮口2位置發(fā)生變化，使得光束投影3位置隨之發(fā)生改變，相對(duì)應(yīng)的線陣ccd10上產(chǎn)生的信號(hào)也發(fā)生變化，并通過單線陣ccd信號(hào)采集和處理裝置11轉(zhuǎn)換為直觀的數(shù)據(jù)。由于在初期搭建測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，人為設(shè)定了測(cè)試裝置的放置位置和角度，因此可以在待測(cè)身管1和線陣ccd10平面上各自建立坐標(biāo)系，通過待測(cè)身管1和線陣ccd10平面之間的位置關(guān)系，可以求出兩個(gè)坐標(biāo)系上坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而通過對(duì)線陣ccd10上像平面坐標(biāo)值的變換，求得待測(cè)身管1振動(dòng)時(shí)實(shí)際發(fā)生的位移，從而達(dá)到測(cè)試目的。

火炮在射擊過程中，火炮主要做水平、垂直方向的擾動(dòng)，而身管的彎曲

相對(duì)于水平和垂直擾動(dòng)可以忽略不計(jì)。炮口振動(dòng)可以看作是身管以炮尾為圓心，身管長(zhǎng)為半徑的圓上的擾動(dòng)，因此可以選面陣ccd作為測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而獲得炮口的平面振動(dòng)情況。但由ccd的性能特點(diǎn)可以知道，線陣ccd相較于面陣ccd具有更高的頻率響應(yīng)，且同樣長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，后續(xù)需要處理的數(shù)據(jù)量要少的多，因此使用線陣ccd的測(cè)試效果會(huì)更好。但由于線陣ccd只能輸出一維信號(hào)，因此線陣ccd只能測(cè)身管在線激光平面內(nèi)相對(duì)于激光發(fā)射方向的運(yùn)動(dòng)。

前面已經(jīng)提及，炮口振動(dòng)可以看作是身管在以炮尾為圓心，身管長(zhǎng)為半徑的圓上的擾動(dòng)，此時(shí)，這個(gè)擾動(dòng)可以在水平、垂直兩個(gè)方向進(jìn)行分解，因此該實(shí)施例中，利用兩個(gè)線陣ccd測(cè)試炮口在水平和垂直兩個(gè)方向的位移情況，將一個(gè)線陣ccd成像系統(tǒng)布置在火炮的側(cè)方，另一個(gè)布置的火炮的下方，對(duì)兩者進(jìn)行時(shí)間同步，構(gòu)成雙線陣ccd測(cè)試系統(tǒng)。

下面對(duì)雙線陣ccd檢測(cè)線激光測(cè)試系統(tǒng)的布局進(jìn)行說明，由于單幅視圖無法清楚直觀的展現(xiàn)整個(gè)布局，因此在這里采用了三視圖的方式，對(duì)雙線陣ccd檢測(cè)線激光測(cè)試系統(tǒng)的空間布局進(jìn)行說明。在此需要說明的是：正視圖是以身管軸向垂直平面為基準(zhǔn)構(gòu)建的，俯視圖是以身管軸向水平平面為基準(zhǔn)構(gòu)建的，側(cè)視圖以炮口截面為基準(zhǔn)構(gòu)建的。

由于從正視圖方向看去，側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)13正好位于待測(cè)身管1前方，若將其表現(xiàn)出來，會(huì)使視圖顯得過于凌亂，故將側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)13進(jìn)行簡(jiǎn)化，因此，圖3主要展現(xiàn)了下方測(cè)量光路系統(tǒng)12的組成。由于下方測(cè)量光路系統(tǒng)12位于待測(cè)身管1的下方，不便于在圖中展示出來，故對(duì)下方測(cè)量光路系統(tǒng)12進(jìn)行了簡(jiǎn)化，該圖主要是對(duì)側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)13進(jìn)行介紹?？梢钥吹絺?cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)13布置在待測(cè)身管1的側(cè)面,，從俯視角度看去位于炮管前方。

如圖2-3所示，雙線陣ccd檢測(cè)線激光炮口振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，包括下方測(cè)量光路系統(tǒng)12、側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)13和雙線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置23；

下方測(cè)量光路系統(tǒng)12包括：第一線激光器14、第一柱面透鏡15、第一平面反射鏡18、第一濾光片19、第一成像系統(tǒng)20、第一線陣ccd21，其布置在待測(cè)身管1正下方,在靠近炮口2一側(cè)安裝第一線激光器14，在第一線激光器14的上方安裝有第一柱面透鏡15，第一線激光器14發(fā)射的激光經(jīng)過第一柱面透鏡15后形成第一線激光面16，并照射到待測(cè)身管1上，形成第一線激光投影17，在這個(gè)過程中線激光束的光平面應(yīng)當(dāng)垂直于身管的徑向垂直截面，接著安裝第一平面反射鏡18，用于反射光束投影。

在圖3所示方位中，第一平面反射鏡18被安裝在第一線激光器14的右側(cè)，同時(shí)第一平面反射鏡18與待測(cè)身管1成一定角度，使得反射后的像能夠傳遞到第一成像系統(tǒng)20。

第一濾光片19放置在第一平面反射鏡18和第一成像系統(tǒng)20的鏡頭間，用于濾除自然光線，以減少外界因素對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。接著在第一濾光片19的后方依次安裝第一成像系統(tǒng)20和第一線陣ccd21,第一線陣ccd21要與待測(cè)身管1成一定角度α，同時(shí)第一線陣ccd21的像元線應(yīng)垂直于第一線激光投影17的像，這是為了在后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，能夠建立起測(cè)量坐標(biāo)值和實(shí)際坐標(biāo)值之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型。

最后在第一線陣ccd21上連接線路，使其與雙線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置23連接進(jìn)行測(cè)得信號(hào)的采集與處理，同時(shí)側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)13測(cè)得的數(shù)據(jù)也通過傳輸?shù)搅穗p線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置23上，其中同步電路22的作用就是在待測(cè)身管1受到激勵(lì)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，使下方測(cè)量光路系統(tǒng)12和側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)13能夠同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，并將信號(hào)傳遞到雙線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置23中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)炮口2振動(dòng)的同步測(cè)量。

如圖4所示，側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)13包括第二線激光器24、第二柱面透鏡25、第二平面反射鏡28、第二濾光片29、第二成像系統(tǒng)30、第二線陣ccd31，其布置在待測(cè)身管1一側(cè)。

在靠近炮口2一側(cè)安裝第二線激光器24，在第二線激光器24的后方安裝第二柱面透鏡25，第二線激光器24發(fā)射的激光穿過第二柱面透鏡25后形成第二線激光面26，并照射到待測(cè)身管1上，形成第二線激光投影27，在這個(gè)過程中線激光束的光平面應(yīng)當(dāng)垂直于身管的軸向水平截面，接著安裝第二平面反射鏡28，用于反射光束投影。

在圖4所示方位中，第二平面反射鏡28被安裝在第二線激光器24右側(cè)，同時(shí)第二平面反射鏡28與待測(cè)身管1成一定角度，使得反射后的像能夠傳遞到第二成像系統(tǒng)30，第二濾光片29放置在第二平面反射鏡28和第二成像系統(tǒng)30的鏡頭間，用于濾除自然光線，以減少外界因素對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。接著在第二濾光片29的后方依次安裝第二成像系統(tǒng)30和第二線陣ccd31,第二線陣ccd31要與待測(cè)身管1成一定角度α，同時(shí)第二線陣ccd31的像元線應(yīng)垂直于第二線激光投影27的像，這是為后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，能夠建立起測(cè)量坐標(biāo)值和實(shí)際坐標(biāo)值之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型。最后在第二線陣ccd31上連接線路，使其與雙線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置23連接，進(jìn)行測(cè)得信號(hào)的采集與處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)炮口2振動(dòng)的測(cè)量。

根據(jù)線激光在炮口投影、線陣ccd成像系統(tǒng)以及線激光平面三者之間的位置關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，即可求得炮口振動(dòng)位移。

如圖5所示，向炮口截面方向看去進(jìn)行觀察，在此圖中主要展現(xiàn)下方測(cè)量光路系統(tǒng)12、側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)13和待測(cè)身管之間的空間位置關(guān)系?？梢钥吹较路綔y(cè)量光路系統(tǒng)12位于待測(cè)身管1的正下方，側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)13在圖5中位于待測(cè)身管1的正右方，兩個(gè)系統(tǒng)下方都裝有隔震裝置32，以免在射擊時(shí)引起的地面震動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，二者與雙線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置23相連實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程中的同步測(cè)量。

火炮振動(dòng)過程中，炮口1在激光光幕中的位移情況如圖6所示。以身管切面的縱面方向?yàn)閥軸，以身管切面水平方向?yàn)閤軸建立直角坐標(biāo)系oxy，圓p為火炮初始位置，圓p′為振動(dòng)后的炮口位置，點(diǎn)j為線激光發(fā)射點(diǎn)，其發(fā)射的光幕如圖中虛線所示，炮口在線激光光幕區(qū)域中會(huì)攔截一段光線。

由光線的直線傳播定律可知，線激光束在炮口的投影在y軸方向的長(zhǎng)度等于炮口直徑。則pa為炮口水平方向偏移量，p′a為炮口垂直方向偏移量。當(dāng)線激光光幕區(qū)域在炮口處的覆蓋長(zhǎng)度大于炮口振動(dòng)的上下最大位置時(shí)，可以保證炮口在振動(dòng)過程中，身管上始終有完整的線激光束投影。

炮口在射擊擾動(dòng)過程中在不考慮身管彎曲影響的前提下，可以看成是炮口在以炮尾為原點(diǎn)，火炮身管長(zhǎng)度為半徑的部分圓上做弧面運(yùn)動(dòng)。由于線激光的位置是固定在地面的，火炮射擊過程中線激光器及線激光束位置固定不變。水平方向線激光在身管上的投影情況如圖7所示。

其中pa、pa′為身管振動(dòng)前后的兩個(gè)位置，虛線圓弧為炮口振動(dòng)位移軌跡，線激光束j交火炮身管于b、b′兩點(diǎn)，可知，線激光束在炮口振動(dòng)前后的不同位置，但始終在線激光束所在平面。在測(cè)試過程中，可以預(yù)先測(cè)出bp的長(zhǎng)度，再由測(cè)試系統(tǒng)測(cè)出bb′的值，則水平方向的動(dòng)態(tài)射角可以表示為

從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水平方向動(dòng)態(tài)射角的求解，同理也可以進(jìn)行垂直方向動(dòng)態(tài)射角的求解。

該實(shí)例提供了一種炮口振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方法，具體包括：

步驟1、進(jìn)行防震裝置32的安裝；

該步驟主要用于保證雙線陣ccd檢測(cè)線激光炮口振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試過程中不會(huì)受到外界震動(dòng)的影響，測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏差；

步驟2、在待測(cè)身管1下方正對(duì)位置，靠近炮口2一側(cè)安裝第一線激光器14，用于生成線激光；在第一線激光器14上方安裝第一柱面透鏡15用于生成第一線激光面16，當(dāng)?shù)谝痪€激光面16照射到待測(cè)身管1上時(shí)可以在炮口2處形成第一線激光投影17；在第一線激光器14后方位置安裝第一平面反射鏡18，用于反射在待測(cè)身管1上形成的第一線激光投影17；在第一平面反射鏡18反射后形成光線對(duì)應(yīng)的光路上安裝第一濾光片19；第一濾光片19后方安裝第一成像系統(tǒng)20，使第一成像系統(tǒng)20的鏡頭正對(duì)第一濾光片19，用于對(duì)第一平面反射鏡18反射光線的成像；

在第一成像系統(tǒng)20后方安裝第一線陣ccd21，用于接收第一成像系統(tǒng)20傳遞過來的像；

該步驟中，需要注意的是第一線陣ccd21需與身管成一定角度α，這是為了在后期對(duì)第一線陣ccd21上測(cè)得坐標(biāo)值和待測(cè)身管1上對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。至此下方測(cè)量光路系統(tǒng)12安裝完成，其結(jié)構(gòu)布局如圖4所示；

步驟3、在待測(cè)身管1側(cè)方正對(duì)位置，靠近炮口2一側(cè)安裝第二線激光器24，用于生成線激光；在第二線激光器24前方安裝第二柱面透鏡25，用于生成第二線激光面26，當(dāng)?shù)诙€激光面26照射到待測(cè)身管1上時(shí)可以在炮口2處形成第二線激光投影27；

在第二線激光器24后方合適位置安裝第二平面反射鏡28，用于反射在待測(cè)身管1上形成的第二線激光投影27；在第二平面反射鏡28反射后形成光線對(duì)應(yīng)的光路上安裝第二濾光片29，第二濾光片29后方安裝第二成像系統(tǒng)30，使第二成像系統(tǒng)30的鏡頭正對(duì)第二成像系統(tǒng)30，用于對(duì)第二平面反射鏡28反射光線的成像；在第二平面反射鏡28后方安裝第二線陣ccd31，用于接第二成像系統(tǒng)30傳遞過來的像；

在該步驟中，需要注意的是第二線陣ccd31需與身管成一定角度α，這是為了在后期對(duì)第二線陣ccd31上測(cè)得坐標(biāo)值和待測(cè)身管1上對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備至此側(cè)方測(cè)量光路系統(tǒng)13安裝完成，其結(jié)構(gòu)布局如圖5所示；

步驟4、進(jìn)行雙線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置23的安裝，通過線路將第一線陣ccd21和第二線陣ccd31與雙線陣ccd信號(hào)采集與處理裝置23進(jìn)行連接；

步驟5、接通電源，對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，使其滿足預(yù)定測(cè)試需求；調(diào)試完成過后，使測(cè)試系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)待測(cè)身管1施加激勵(lì)，進(jìn)行測(cè)試；

步驟6、對(duì)測(cè)試過程中測(cè)得信號(hào)進(jìn)行采集、傳輸與處理，分別獲得第一線激光投影17在第一線陣ccd21上像的坐標(biāo)和第二線激光投影27第二線陣ccd31上像的坐標(biāo)；

步驟7、進(jìn)行測(cè)得數(shù)據(jù)的處理分析，由于第一線陣ccd21和第二線陣ccd31的像平面與待測(cè)身管1都成一定夾角α，因此可以在待測(cè)身管1、第一線陣ccd21和第二線陣ccd31上各建立一個(gè)坐標(biāo)系，而后將在第一線陣ccd21和第二線陣ccd31上測(cè)得信號(hào)變?yōu)樽鴺?biāo)值，而后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，將第一線陣ccd21和第二線陣ccd31上的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為炮口的坐標(biāo)值。

而炮口在振動(dòng)過程中的位置變換關(guān)系可以從圖6和圖7中獲得，從而可以建立起炮口不同位置坐標(biāo)值之間的關(guān)系式，將測(cè)得不同炮口位置的坐標(biāo)值帶入關(guān)系式，從而可以求得炮口振動(dòng)時(shí)在水平方向和垂直方向的位移值，以及水平方向和垂直方向的動(dòng)態(tài)射角，進(jìn)而確定炮口的在其截面內(nèi)的平面振動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)炮口振動(dòng)的測(cè)量。

上述流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)了雙線陣ccd檢測(cè)線激光炮口振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的安裝，進(jìn)而可以通過該測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)炮口振動(dòng)的測(cè)試。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，但應(yīng)理解的是，這些描述僅僅用具體的個(gè)例對(duì)原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，并非用來限制本發(fā)明專利的應(yīng)用。本發(fā)明專利的保護(hù)范圍由附加權(quán)利要求限定，并可包括在不脫離本發(fā)明專利保護(hù)范圍和精神的情況下針對(duì)發(fā)明專利所作的各種變型、改型及等效方案。