專利名稱:一種高速運動物體運動參數(shù)的測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明專利涉及激光靶測量高速運動物體(彈丸、破片等)運動參數(shù)的技術領域：
， 尤其涉及一種測量高速運動物體的運動參數(shù)的測量系統(tǒng)，包括運動物體的坐標、速度、散 布、偏轉(zhuǎn)角、俯仰角、運動姿態(tài)等參數(shù)。
背景技術：
在兵器研制、生產(chǎn)，射擊訓練以及射表編制中，需要經(jīng)常測量彈丸的運動參數(shù)。目 前，對高速運動物體運動參數(shù)的測量，主要有接觸式和非接觸式兩種。傳統(tǒng)的測量方法是 在預定的彈道上豎立硬紙靶，按照有關標準射擊一定次數(shù)后，通過人工方法測量紙靶上留 下的彈孔。方法操作簡單，但測量結(jié)果不夠客觀，測量精度也不高，而且難于區(qū)別重合及接 近重合坐標位置。在非接觸式測量系統(tǒng)中，聲靶是利用彈丸超音速飛行時產(chǎn)生的激波，通 過測量彈丸激波到達預定傳感器陣列的時間來計算彈丸的運動參數(shù)的，這種類型的國內(nèi)外 專利技術很多，如中國專利 CN85107388、CN92106027，美國專利 US006198694、US002916289 等，聲靶技術雖然簡單、方便，但是容易受到外界干擾，特別是在室外，誤靶率較高。光電靶 利用光電檢測的手段實現(xiàn)非接觸測速，操作簡便、測試效率高、精度高、測試范圍大、且不 受天氣的影響，在常規(guī)兵器彈丸速度測試中具有顯著優(yōu)勢。目前，該測試技術已經(jīng)廣泛應 用到彈丸運動姿態(tài)測試試驗中。國際國內(nèi)都已經(jīng)研制出多種實用的光電靶，如中國專利 CN200420007418. 7等，美國專利US4272189、US3727069等，它們是采用多個發(fā)光器件和與 之對應的多個接收器件組成網(wǎng)絡，當彈丸穿過時，遮擋相應的光線，檢測對應位置的接受器 件的輸出信號，來判斷彈丸的運動參數(shù)，這種方法可以同時測量多于一個的運動參數(shù)。但是 這種方法需要多個性能優(yōu)良的光電接收器件以及多個光源，在測試過程中還要不斷檢測多 個接受器件的狀態(tài)，電路部分的設計比較復雜。采用多個光幕交匯測量的方法，如中國專利 CN200710019000. 6，這種方法對光幕的平行性要求不高，但是結(jié)構(gòu)復雜，光幕之間的相對位 置需要精確調(diào)，而且獲取參數(shù)時的計算較為復雜。還有CCD交匯立靶，該方法具有測量精度 高、測試速度快和自動化程度高等優(yōu)點，且已成功應用于現(xiàn)代靶場中目標飛行軌跡的跟蹤 測量。如奧地利AVL公司研制的2mxaii的光電檢測系統(tǒng)；南京理工大學設計的TDI-C⑶光 靶彈著點坐標測量系統(tǒng)，其測量的最大誤差為2. 53mm。但此系統(tǒng)在使用時要進行復雜的調(diào) 整，位置坐標的計算公式很復雜，影響坐標精度的因素多，無法區(qū)別連續(xù)射擊重合坐標，需 要多個CCD，成本較高。而且，使用了兩個CCD相機只能面向彈道方向，拍攝一個靶面坐標。 此外，在非接觸測量中還有很多方法如采用多普勒測速原理研制的多普勒雷達測速系統(tǒng)也 是重要的測速于段，并且它擁有很高的測試精度。但是這種測速方法有諸多弊端，如設備龐 大、價格昂貴，且不適于小口徑彈速度的測量等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利提出一種操作簡單，測量精確，性能穩(wěn)定，全天候不間斷的高速運動物 體運動參數(shù)的測量系統(tǒng)?？梢酝瑫r測量運動物體的速度、坐標、散布及運動姿態(tài)，實現(xiàn)一機多能，并且可以制作成大面積激光靶。可以使用一個高速面陣CMOS相機完成上述多項測量 任務，既保證了較高的測量精度，又降低了測量成本。該方法為非接觸測量，一次性投入永 久使用。
為實現(xiàn)上述技術任務，本發(fā)明提出如下解決方案。
本測試系統(tǒng)由平行激光光幕、信號采集、圖像處理和顯示部分構(gòu)成。當有運動物體 穿過光幕時，遮擋部分激光光幕，光學接收裝置接收的光通量發(fā)生變化，該變化量由信號采 集裝置采集，并傳輸至計算機，通過對采集到的圖像進行處理，就可以得到運動物體穿過光 幕時的速度、坐標、散布及運動姿態(tài)等參數(shù)，并由顯示器顯示。
激光靶為一個方形框架，水平方向為X軸方向，垂直方向為Y軸方向，在X軸和Y軸 方向分別設有平行激光發(fā)射器和光學接收裝置。以X軸方向為例，在激光靶的左端安裝激 光發(fā)射器，在同側(cè)裝有菲涅爾透鏡，使激光發(fā)射器位于菲涅爾透鏡的焦點上。在激光發(fā)射器 相對一側(cè)激光靶上(右端)安裝光纖線陣，光纖端面作為光幕的接收裝置，如圖4所示。為 了獲得速度信號，我們制作一對相同的激光靶，將靶架放置在水平操作臺上，靶的間距為固 定值S(S依據(jù)實際情況而定)，由于工作時高速面陣CMOS相機的采樣頻率固定，每幀圖像之 間的時間間隔是相等的。所以，找到帶有運動物體運動參數(shù)特征的圖像，就可以計算出運動 物體經(jīng)過兩個激光靶的時間差At，那么可以計算得到運動物體過靶時的速度ν。其特點在 于平行激光光幕的形成。采用線型激光器作為光源，激光器發(fā)出扇形激光束，將激光器置 于菲涅爾透鏡的焦點上，調(diào)整激光器位置使激光束扇形面正交于菲涅爾透鏡的中心線。菲 涅爾透鏡是一種精密的光學系統(tǒng)，它是根據(jù)對接收靈敏度和接收角度的要求設計制造的， 通常由聚乙烯材料注塑成薄紋片，再刻上精細的鏡面和紋理。其技術精度要求甚高，優(yōu)質(zhì)透 鏡必須紋理清晰、表面光潔、厚度在0.65mm左右。紅外光的透過率應大于65%。與傳統(tǒng)的 光學玻璃透鏡相比，菲涅爾透鏡具有重量輕，材料來源豐富，成本低，制作方便，口徑大，厚 度薄等特點。設計中利用了菲涅爾透鏡的平行聚焦特性，讓光源從菲涅爾透鏡的焦點發(fā)射， 經(jīng)過它之后形成一道平行光幕。線型激光器發(fā)出的扇形光幕經(jīng)菲涅爾透鏡作用后，形成較 均勻的平行光幕。使用一個激光發(fā)射器就能滿足激光靶一個方向的光源需求，相對于其它 光電靶中采用陣列LED作為光源的設計，本發(fā)明專利容易調(diào)試和更換，而且降低了成本。
信號采集部分由光纖陣列、高速面陣CMOS相機組成。光纖線陣的光纖端面作為光 幕的接收端，當有運動物體經(jīng)過光幕時會遮擋部分光幕，使光纖面陣對應的位置產(chǎn)生暗斑， 高速面陣CMOS相機就將這些產(chǎn)生的變化記錄下來，并傳輸?shù)接嬎銠C中進行處理。其特點在 于塑料光纖束的變換。將塑料光纖插入帶有線陣小孔的鋁板中組成光纖線陣，如圖4所 示，鋁板上的小孔等間距，直徑相同，所有小孔的圓心在一條中心線上。將塑料光纖插入鋁 板的小孔中，并用膠水粘牢。光纖線陣的端面作為平行激光光幕接收端，激光經(jīng)塑料光纖傳 輸至光纖另一端面。將光纖的另外一端插入帶有面陣小孔的鋁板中組成光纖面陣。鋁板上 的光纖面陣小孔等間距，直徑相同，成規(guī)則的矩陣式分布，如圖5所示，將光纖按順序依次 插入小孔中，并用膠水粘牢。通過光纖束的變換，可將兩個靶上面的光纖線陣全部匯聚到一 起構(gòu)成光纖面陣。光纖面陣的尺寸要滿足高速面陣CMOS相機的視場要求。相機的視場是 由相機成像面和鏡頭共同決定的。目前市場上與高速面陣CMOS相機相匹配的鏡頭種類很 多，選擇空間較大。通過對高速CMOS相機拍攝的圖像進行處理可以得到運動物體的速度、 坐標、散布、運動姿態(tài)等多種參數(shù)。[0008]本發(fā)明中的激光靶由線型激光發(fā)射器、菲涅爾透鏡和光纖線陣組成，這種設計的 特點在于使用一個激光發(fā)射器在菲涅爾透鏡的作用下就可以在一個軸方向形成能量分布 比較均勻的平行光幕，便于安裝和調(diào)試，可以制作大面積激光靶。而且通過調(diào)節(jié)激光器和菲 涅爾透鏡的位置，可以使X軸方向和Y軸方向的平行光幕共面。
本發(fā)明的實現(xiàn)還在于光學接收端使用塑料光纖束來傳輸激光。將塑料光纖束壓制 而成單排光纖線陣，可根據(jù)實際測試要求選用不同直徑的塑料光纖。塑料光纖具有良好的 柔韌性，使得施工安裝更為簡單和快捷，光纖芯徑大使得其連接不需要采用高精度定位連 接器件，允許使用注塑連接器，從而大大降低了連接成本。同時，塑料光纖價格較低，具有傳 輸速率高，傳輸容量大的特點。采用塑料光纖作為傳輸媒介，使得接收端的結(jié)構(gòu)簡化，減少 了高速CMOS相機的使用個數(shù)。
本發(fā)明只采用一個高速面陣CMOS相機來接收多個光纖線陣接收裝置中光信號的 改變，只需對采集到的圖片信號進行處理，就可以得到多個運動物體的參數(shù)。高速CMOS相 機的主要部件是CMOS圖像傳感器，它是一種用傳統(tǒng)芯片工藝方法將光敏元陣列、信號讀取 電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理電路及控制器等集成到一塊芯片上的圖像傳感器，具有 結(jié)構(gòu)簡單、處理功能多、成品率高且價格低廉的優(yōu)點。與CCD采用相同的光敏材料，光電轉(zhuǎn) 換原理相同，但讀取過程不同，系統(tǒng)電路較CCD傳感器簡單。CMOS傳感器是單電源工作，而 CCD傳感器需要2-3個不同的電源，CMOS傳感器的功耗只是CDD傳感器的10 % -20 %。此外， CXD傳感器需要特殊的制造工藝，而CMOS傳感器共用了 90 %制造半導體器件所用的相同的 基本技術，這就意味著可以在生產(chǎn)大多數(shù)其他數(shù)字信號芯片的制造廠內(nèi)制造CMOS傳感器。 可以說，CMOS傳感器比CCD傳感器具有更好的性價比。所以，使用一個高速面陣CMOS相機 作為信號采集設備，不但簡化了結(jié)構(gòu)，降低實驗成本，而且使整體更加優(yōu)化，實現(xiàn)一機多能。


圖1本發(fā)明的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖
圖2本發(fā)明激光靶結(jié)構(gòu)示意圖，以激光靶A為例，B與A結(jié)構(gòu)相同；
圖3彈丸通過激光靶姿態(tài)示意圖；
圖4本發(fā)明測試系統(tǒng)的一種具體實施例；
圖5本發(fā)明測試系統(tǒng)中光纖面陣的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
實施例1
如圖1所示為本發(fā)明的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，包括激光靶A和激光靶B，激光靶A 和激光靶B中各形成兩個共面的平行激光光幕，兩個平行激光光幕的傳播方向互相垂直； 激光靶A和激光靶B通過光纖與光纖面陣9連接，當有運動物體穿過平行激光光幕時，遮擋 部分激光光幕，引起光纖面陣中的光通量發(fā)生變化，該變化量由光信號采集裝置(例如高 速面陣CMOS相機8)采集，并傳輸至計算機10，通過對采集到的圖像進行處理，就可以得到 運動物體穿過光幕時的速度、坐標、散布及運動姿態(tài)等參數(shù)，并由顯示器顯示。
實施例2
本實施例介紹一種具體實現(xiàn)方法，首先制作一個立方體靶架，具體尺寸由實際需要而定。立方體靶架上垂直地面放置兩個激光靶A和B，兩激光靶的靶面平行，靶的間距S， 如圖2所示為本發(fā)明激光靶結(jié)構(gòu)示意圖，以激光靶為例A進行說明，每個激光靶都有X軸方 向和Y軸方向的平行激光光幕，每個方向的平行激光光幕都是由激光發(fā)射器15和16、菲涅 爾透鏡3和4和光纖線陣61組成。同時參考圖4，激光器發(fā)射器15安裝于圖4中靶架上 015的位置，菲涅爾透鏡3安裝于靶架上03的位置，激光發(fā)射器16安裝于圖4中靶架上016 的位置，菲涅爾透鏡4安裝于靶架上04的位置；激光器發(fā)射器15、16和菲涅爾透鏡3、4在 同一側(cè)；光纖線陣安裝在靶架上5和6的位置；激光發(fā)射器15和16采用線型激光器，激光 器發(fā)出扇形激光束，將激光器15和16分別置于菲涅爾透鏡3和4的焦點上，調(diào)整激光器位 置使激光束扇形面正交于菲涅爾透鏡的中心線，扇形光幕經(jīng)由菲涅爾透鏡作用后形成較均 勻的平行光幕，平行光幕的寬度由菲涅爾透鏡的長度決定。
光纖線陣61的光纖端面作為激光光幕的接收裝置，光纖線陣由塑料光纖和帶孔 的鋁板構(gòu)成，光纖的直徑可由測試需要而定。假設光纖線陣由N根塑料光纖按一維方向排 列而成，參考圖4，將激光靶A的X軸方向光纖線陣中的塑料光纖依次編碼為1到N，靶A的 Y軸方向的塑料光纖依次編碼為N+1至2N，靶B的X軸方向的塑料光纖依次編碼為2N+1至 3N。靶B的Y軸方向的塑料光纖依次編碼為3N+1至4N。將4N根光纖的另一端按照從1 到4N的順序，每行從左至右，依次插入面陣的小孔中，構(gòu)成光纖面陣9。例如，用本裝置測 量7. 62mm的彈丸的運動參數(shù)，我們在厚度為10mm，寬16mm，長Im的鋁板上打孔，孔的直徑 為3. 0mm，孔的圓心在鋁板長軸方向的中心線上，孔中心距3. 5mm，此工件作為光纖線陣的 端套。選擇直徑為3mm裸光纖垂直插入小孔并用膠水密封，制成光纖線陣。光纖線陣所有光 纖的端面在同一平面，且端面最好用砂紙打磨平滑。裸光纖的價格要比光電探測器便宜很 多，而且多根光纖所占的體積很小。制作一個Imxlm的激光靶大約需要330根一到兩米長 的裸光纖，約1200米長。使用照明級的塑料光纖就能滿足傳光的要求，而且照明級光纖的 價格要比通信級光纖便宜很多。在裸光纖外還可以用熱塑套管包裹起來，起到一定的防護 作用。制作Imxlm的激光靶，則需要兩個沈口6的小孔矩陣。將光纖垂直插入小孔，再用膠 水粘牢，光纖面陣的光纖端面要在同一個平面上，而且要用砂紙或其他研磨工具打磨光滑。 光纖面陣的面積不能太大，要滿足高速面陣CMOS相機的視場要求，所以光纖的間距要根據(jù) 相機的視場計算以后合理設計。
高速面陣CMOS相機的選擇要滿足所要測量的運動物體速度要求，即能捕捉
到運動物體的過靶信號。所以相機的幀頻和曝光時間都要滿足要求。例如要測量
7. 62mm槍彈的運動參數(shù)，彈丸速度約為700m/s，彈頭長沈.8mm，那么彈丸的過靶時間
28x10—3 λ' ΛI
t^ IOOmh =4xl° ^那么相機的幀頻(邙8)要滿足./W = 25000(./聲/.O曝光時間小
J^f
于40us。目前市場上的高速面陣CMOS相機的頻率和價格有較大差異，所以選擇空間較大。
1、速度的測量。
運動物體，如彈丸P，垂直光幕的方向運動，當其經(jīng)過激光光幕時遮擋部分光幕，會 在光纖面陣9相應的位置產(chǎn)生暗斑，物體的不斷運動，使得高速面陣CMOS相機采集到的多 幅圖片上的光斑有差異。由于工作時CMOS相機的采樣頻率固定，所以每幀圖像之間的時間 間隔是相等。靶A和靶B分別與光纖面陣固定區(qū)域?qū)謩e找出在靶A和靶B位置產(chǎn)生 暗斑的第一幅圖像，就可以得到兩張圖像之間的時間差，又已知兩靶間距為S，那么通過計算可得運動物體的速度，。
1I "'ι
2、坐標和散布的測量。
將每一根光纖按照靶A的X軸方向、Y軸方向、靶B的X軸方向、Y軸方向的順序依 次編碼，使光纖面陣9的每個光纖端面都在圖像上對應唯一的坐標，建立編碼表。運動物體 垂直光幕的方向運動，當其經(jīng)過光幕時遮擋部分光幕，光幕對應位置的光纖端面接收的光 通量產(chǎn)生變化，因為每個靶都有X軸方向和Y軸方向兩個光纖陣列端面，所以兩個方向都會 在光纖面陣上產(chǎn)生暗斑，通過圖像處理找到產(chǎn)生的暗斑的坐標，就可以對應的找到運動物 體的著靶坐標。當有多個運動物體同時經(jīng)過光幕時，分別測量各個運動物體的著靶坐標，通 過對相同物體分別在靶一和靶二上的坐標進行比較，就可以得到其散布參數(shù)。
3、運動姿態(tài)的測量
當運動物體經(jīng)過光幕時，如果其運動姿態(tài)處在不斷的變化中，那么光纖線陣對應 的光纖端面接收到的光通量也在產(chǎn)生變化。高速面陣CMOS相機的頻率完全可以使相機捕 捉運動物體過靶時連續(xù)的多幅圖像，經(jīng)過對獲得的一系列圖像進行處理就可以獲知該物體 的運動姿態(tài)。即多幅圖像上暗斑的變化，反映出運動物體的運動姿態(tài)。
4、俯仰角、偏轉(zhuǎn)角的測量。
當運動物體，如彈丸，經(jīng)過光幕的瞬間不是垂直光幕時，就會產(chǎn)生俯仰角和偏轉(zhuǎn) 角，如圖3所示，彈丸垂直光幕的方向經(jīng)過光幕和非垂直方向進入光幕遮擋的光通量是不 一樣的，光纖端面接收的光通量變化也是不一樣的。例如，彈丸垂直通過靶面時使三根光纖 接收的光通量產(chǎn)生了變化，如圖3所示，當有仰角θ時，使Y軸方向的七根光纖接收的光通 量產(chǎn)生變化，通過對高速面陣CMOS相機獲得的圖像進行分析計算，就可得到物體過靶時產(chǎn)
生的仰角的值。即i^arcsin+，其中，1為光通量產(chǎn)生變化的所有光纖端面的長度，L為彈丸
Lj
長度。同理，當產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角時，在X軸方向上接收光通量產(chǎn)生的變化的光纖數(shù)目也會產(chǎn)生變 化，用相同的方法可以計算出偏轉(zhuǎn)角的值。
本發(fā)明從平行激光光幕的基本單元陣列結(jié)構(gòu)入手，進行了激光靶的立體框架結(jié)構(gòu) 設計，巧妙的運用了菲涅爾透鏡，使得扇形光幕轉(zhuǎn)換成平行光幕。使用一個激光器就可以滿 足一個方向的光源需求，并且不需要大量的光電接收器件，使激光靶的結(jié)構(gòu)簡單化，便于調(diào) 試和更換，降低了測試成本。通過對光纖束的變換，將兩個激光靶的所有光纖線陣匯聚到一 個光纖面陣上，從而實現(xiàn)了使用一個高速面陣CMOS相機就可以獲得運動物體的多個運動 參數(shù)的目標，不僅可以測量運動物體在預定靶面的坐標，而且可以測量著靶時的速度、俯仰 角、偏轉(zhuǎn)角和運動姿態(tài)。本發(fā)明具有較高的性價比和實用性，可以廣泛用于測量高速運動物 體的運動參數(shù)。
應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求
的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種高速運動物體運動參數(shù)的測量系統(tǒng)，其特征在于，包括激光靶(A)和激光靶 (B)，激光靶(A)和激光靶(B)中各形成兩個共面的平行激光光幕，兩個平行激光光幕傳播 方向互相垂直；激光靶(A)和激光靶(B)分別連接兩個光纖線陣，全部光纖線陣共同匯聚 為一個光纖面陣(9)，當有運動物體穿過所述激光光幕時，遮擋部分激光光幕，引起光纖面 陣中的光通量發(fā)生變化，該變化量由光信號采集裝置采集，并傳輸至計算機(10)，通過對采 集到的圖像進行處理，就可以得到運動物體穿過光幕時的速度、坐標、散布及運動姿態(tài)等參 數(shù)，并由顯示器顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光信號采集裝置為一臺高速面 陣CMOS相機。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光靶A和B均包括X軸方向和 Y軸方向的平行激光光幕。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述X軸方向和Y軸方向的平行激光 光幕由一個激光發(fā)射器和一個菲涅爾透鏡形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光發(fā)射器采用線型激光器，激 光器發(fā)出扇形激光束，將所述激光器置于菲涅爾透鏡焦點上。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種高速運動物體運動參數(shù)的測量系統(tǒng)，包括激光靶(A)和激光靶(B)，激光靶A和激光靶B中各形成兩個共面的平行激光光幕，兩個平行激光光幕的傳播方向互相垂直；激光靶(A)和激光靶(B)通過光纖與光纖面陣(9)連接，當有運動物體穿過平行激光光幕時，遮擋部分激光光幕，引起光纖面陣中的光通量發(fā)生變化，該變化量由光信號采集裝置采集，并傳輸至計算機(10)，通過對采集到的圖像進行處理，就可以得到運動物體穿過光幕時的速度、坐標、散布及運動姿態(tài)等參數(shù)，并由顯示器顯示。使用此測量系統(tǒng)成本低，操作簡單，精度高，可全天候連續(xù)進行測量。
文檔編號F41A31/00GKCN102135393SQ201010595293
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月20日
發(fā)明者劉新剛, 周漢昌, 李仰軍, 王小燕, 王楠楠, 王艷紅, 王高, 趙慧明, 郝慧艷 申請人:中北大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan