CN102721826B - 一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了的一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置，通过采用一套一字线型激光光源产生90°覆盖范围的大靶面激光光幕，避免光幕拼接；采用“锯齿”型结构的原向反射装置作为反射合作目标，提高各区域激光反射率，确保弹丸飞行穿越大面积光幕各区域时的信号响应；采用带有激光出射孔的球面反射镜斜置于（即球面反射镜的光轴与激光器的出射光轴成一角度）激光器前，会聚形成一圆弧型光斑；采用“三段式”结构或圆弧型结构并联拼接光敏管阵列，实现基于90°覆盖范围大靶面激光光幕的光发射接收一体化光电检测；通过采用最大负斜率点寻找算法，精确确定弹丸飞行穿越两光幕时的计时时刻，从而获得更精确的弹丸速度。

Description

一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置及方法

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，涉及一种非拼接型大靶面激光光幕弹丸速度探测装置及探测方法。

背景技术

弹丸速度是武器***各种参数中一项重要内容。国内外弹丸测速的方法有很多，其中区截测速法是最主要的方法之一。区截装置的具体结构一般分为接触靶和非接触靶两大类，接触靶中的通断靶靠接触测量，对弹速及飞行姿态有较大影响，影响测试精度。非接触靶有线圈靶、声靶、天幕靶和光幕靶，但使用线圈靶时对被测弹丸的材质有特殊要求，并且该靶易受磁场强度的影响；声靶对于低于音速飞行的运动物体不能测量；天幕靶不适于在夜间和雨天使用；光幕靶测速技术因其测速精度高、非接触式、不受天气影响的特点在弹丸速度测试中具有显著优越性。根据采用的光源不同，光幕靶又分为激光光幕靶和LED光幕靶，由于LED光源发散性强、能量不集中，难以实现大靶面弹丸速度的测试。激光光幕靶采用激光作为光源，在大靶面探测方面独具优势，但现有的激光靶在大靶面探测时多采用光幕拼接的方法，难以实现无缝拼接和共面拼接，光路调整困难，使用维护不便。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置及方法，能够解决大靶面探测时采用光幕拼接方法导致的难以无缝拼接的问题。

本发明的一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置，包括启动光幕、停止光幕和测试模块，所述启动光幕和停止光幕互相平行地垂直于弹道线放置，启动光幕和停止光幕具有相同的结构，均包括原向反射装置、激光器、球面反射镜和探测器，其中：

所述原向反射装置包括两个互相垂直的支撑面和多个反射屏；所述激光器为能产生90度发散角的线激光的激光器，激光器放置在与两个支撑面之间对角线的端点上，并且激光器的光轴与该对角线重合；

两个所述支撑面上均设置多个反射屏，每个所述反射屏与其所在支撑面所成的角度满足：入射到该反射屏的所有的激光光线相对于反射屏的入射角度小于等于5°；每个所述反射屏的大小满足：每个反射屏最多接收其所在位置的10度范围内的激光光线；每个支撑面上布置的反射屏形成不漏光的锯齿结构，激光光线入射到该锯齿结构上后再被反射回去，形成激光光幕；

所述反射屏表面铺设原向反射材料；

所述球面反射镜的圆心处具有一个通光孔，激光器的出光孔从球面反射镜的凸面方向与球面反射镜的通光孔贴合，且球面反射镜的光轴与激光光幕不共面；

所述探测器放置在球面反射镜的焦点上，用于接收由球面反射镜会聚的激光光线，探测器的输出端与测试模块相连；所述球面反射镜的焦点为由原向反射装置反射回来的激光光线再经球面反射镜反射的会聚点；

所述测试模块根据来自启动光幕的探测器的信号提取出弹丸的进入时刻T1，根据来自停止光幕的探测器的信号提取出弹丸的飞出时刻T2，然后再用启动光幕和停止光幕之间的距离除以（T2-T1），即测试出弹丸的飞行速度。

所述两个支撑面连接处的反射屏采用以两个支撑面之间对角线的端点为圆心的圆弧形凹面反射屏。

所述探测器包括圆弧形的基座和铺设于基座的3个光敏管，两个相邻光敏管的首、尾搭接，使光敏管覆盖住基座的整个圆弧面，所有光敏管信号输出接口并联后输出至测试模块；基座的凸面朝向球面反射镜，基座的中心点与球面反射镜的焦点重合；所述基座的圆弧型表面根据原向反射装置反射回来的激光光斑的形状和大小进行加工，使探测器完全接收激光光斑。

所述探测器包括圆弧形的基座和铺设于基座的多个光敏管，光敏管沿所述基座紧凑排列，覆盖住整个基座的圆弧面，所有光敏管信号输出接口并联后输出至测试模块；基座的凸面朝向球面反射镜，基座的中心点与球面反射镜的焦点重合；所述基座的圆弧型表面根据原向反射装置反射回来的激光光斑的形状和大小进行加工，使探测器完全接收激光光斑。

所述球面反射镜的光轴与激光光幕所成α角满足关系式：

f为球面反射镜的焦距、L为探测器的宽度、H为激光器发射出的激光的厚度。

本发明的一种基于权利要求1所述的测试装置的测试方法，具体方法为：弹丸先后穿过启动光幕和停止光幕，将从启动光幕接收到的激光的时域信号数据进行微分处理，并找到最大负斜率点所对应的时刻t1；将从停止光幕接收到的激光的时域信号数据进行微分处理，并找到最大负斜率点所对应的时刻t2；然后求出弹丸通过两个激光光幕的时间间隔：Δt＝t2-t1，再根据两光幕的靶距S，计算出弹丸速度v＝S/Δt。

本发明提供的一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置及方法，具有如下有益效果：

1）采用一套一字线型激光光源产生90°覆盖范围的大靶面激光光幕，避免光幕拼接；

2）采用“锯齿”型结构的原向反射装置作为反射合作目标，提高各区域激光反射率，确保弹丸飞行穿越大面积光幕各区域时的信号响应；

2）采用带有激光出射孔的球面反射镜斜置于（即球面反射镜的光轴与激光器的出射光轴成一角度）激光器前，会聚形成一圆弧型光斑；采用“三段式”结构或圆弧型结构并联拼接光敏管阵列，实现基于90°覆盖范围大靶面激光光幕的光发射接收一体化光电检测。

3）通过采用最大负斜率点寻找算法，精确确定弹丸飞行穿越两光幕时的计时时刻，从而获得更精确的弹丸速度。

附图说明

图1为本发明的一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置的结构示意图；

图2为本发明的一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置的激光器、球面反射镜和探测器的相对位置示意图；

图3为本发明的一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置的实施例中一种探测器的结构示意图；

图4为本发明的一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置的实施例中另一种探测器的结构示意图；

图5为本发明的一种非拼接大靶面激光光幕速度测试方法中接收到的激光信号的时域曲线；

图6为本发明的一种非拼接大靶面激光光幕速度测试方法中接收到的激光信号经过微分处理后的曲线；

图7为本发明的一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置的整体结构示意图。

其中，1-支撑面，2-激光器，3-反射屏，4-凹面反射屏，5-激光光幕，6-通光孔，7-球面反射镜，8-圆弧形端面，9-探测器，10-基座，11-光敏管，Ⅰ-启动光幕，Ⅱ-停止光幕。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置，如图7所示，包括启动光幕Ⅰ、停止光幕Ⅱ和测试模块，启动光幕Ⅰ和停止光幕Ⅱ互相平行地垂直于弹道线放置，启动光幕Ⅰ和停止光幕Ⅱ具有相同的结构，均包括原向反射装置、激光器2、球面反射镜7和探测器9，其中激光器2为经一维扩束能产生90度发散角的线激光器；原向反射装置包括两个互相垂直的支撑面1和反射屏3；激光器2放置在与两个支撑面1之间对角线的端点上，并且激光器2的光轴与该对角线重合。

为了实现激光发射接收一体化，两个互相垂直的支撑面1上固定多个与支撑面1成一定角度的反射屏3，形成不漏光的“锯齿”结构，且反射屏3表面铺设原向反射材料。

激光器2出射的90度发散的激光入射该“锯齿”结构再被反射回去，形成激光光幕5。

原向反射装置作为反射合作目标，将反射屏3布置成斜率不同的“锯齿”状，是为了匹配大靶面情况下激光入射反射屏3的入射方向，尽量减小原向反射装置的激光入射角度，有效增强回射系数，从而在整个激光光幕5的区域内获得高灵敏度。

为了使入射激光能够实现原向反射，要求每个反射屏3上激光光线在入射激光光幕5面内相对于反射屏3的入射角度小于等于5°，且每个反射屏3的大小要满足最多可接收其所在位置10°范围内的激光光线。实施中，“锯齿”结构中的反射屏3设置的多少或疏密，与激光光幕5的大小有关：激光光幕5的面积越小，激光光线相对于反射屏3的入射角度范围可逐渐加宽，反射屏3设置的密度也减小；当激光光幕5小到一定程度，譬如欲实现0.5m×0.5m的靶面时，反射屏3与所在支撑面1之间没有倾斜的角度，即互相平行即可。

实施中，两个支撑面1的对角线附近的光程最长，为了增强对角线顶点附近区域的检测灵敏度，如图1所示，两个支撑面1的对角线顶点处的反射屏3可设置成斜线，即该反射屏3的中点与对角线垂直，也可设计成以两个支撑面1之间对角线的端点为圆心的圆弧形凹面反射屏4，由此可对入射的激光光线实现近似的原向反射，达到最佳的检测效果。

球面反射镜7的圆心处设置有一个通光孔6，激光器2的出光孔从球面反射镜7的凸面方向与球面反射镜7的通光孔6贴合，如图2所示，且球面反射镜7的光轴与激光光幕5不共面。

探测器9放置在球面反射镜7的焦点上，用于接收由球面反射镜7会聚的激光光线，探测器9的输出端与测试模块相连；球面反射镜7的焦点为由原向反射装置反射回来的激光光线再经球面反射镜7反射的会聚点。

球面反射镜7将被原向反射装置反射回来的激光进行会聚，使激光会聚到球面反射镜7的焦点上，再被焦点上设置的探测器9接收检测，根据原向反射材料的原向反射特性，并非是严格的“原向”返回，而是具有一定的发散，对于线激光束，反射激光的会聚光斑是反射屏3上的原向反射材料的各点在出光孔处返回光斑的叠加，各点的反射光强分散在一定的光斑面积内。当有效激光光幕5的区面积大，反射屏3与激光器2间距离远时，反射回来的光束成较大尺寸的光斑，经球面反射镜7反射会聚后，成像为弧线型会聚光斑。本发明可采用现有技术中的一个尺寸与会聚光斑相当的条形光敏管或光敏管阵列作为探测器9进行接收探测，但由于光斑为弧线型，而探测器9为平面的话会影响检测效果，由此，在本实施例中，将探测器9的基座10的端面按照反射回来的激光光斑的形状和大小加工成圆弧形端面8，圆弧形端面8朝向球面反射镜7，如图3所示，为了使光敏管11覆盖整个圆弧形端面8，并取得良好的接收效果，使用三段长条型光敏管（或光敏管阵列）铺设在圆弧形端面8上，且使两个相邻光敏管11的首、尾搭接，3个光敏管11的接收面近似圆弧形，且保证激光光斑的无缝接收，光敏管11信号输出接口并联后输出至测试模块。

由于3个光敏管11搭接成的接收面并不是一个严格的弧线形，仍达不到最佳的检测效果，因此采用将多个单个的光敏管11（每个光敏面面积很小，如3mm×4mm或更小）沿着圆弧形端面8依次紧凑排列，形成不漏光的接收装置，保证每个光敏管11均位于光斑的焦点处，可获得最佳接收效果，如图4所示。

为了使探测器9摆放的位置不遮挡激光器2的出光，基座10的圆弧形端面的中心对称线所在平面应与激光光幕5成2α角，α角应满足关系式：

f为球面反射镜7的焦距、L为探测器9的宽度、H为激光器2发射出的激光光幕5的厚度。然而，随着α角的增大，成像质量会变差，所以实际工程中选择α+2°的倾斜角度即可。

最后，测试模块根据来自启动光幕Ⅰ的光敏管11的信号提取出弹丸的进入时刻T1，根据来自停止光幕Ⅱ的光敏管11的信号提取出弹丸的飞出时刻T2，然后再用启动光幕Ⅰ和停止光幕Ⅱ之间的距离除以（T2-T1），即测试出弹丸的飞行速度。

本发明还提供了一种基于上述装置的速度测试方法，当弹丸飞行分别穿过启动光幕Ⅰ和停止光幕Ⅱ时，分别阻挡部分光线，变化的光通量经测试模块接收和处理后，分别得到弹丸通过启动光幕Ⅰ的时域信号18和通过停止光幕Ⅱ的时域信号19，如图5所示，如图6所示，弹丸的过靶信号是弹丸飞行穿越光幕过程中挡光量的变化，由于弹丸的弹尾陡峭，因此，时域信号的波形后沿陡峭，产生一个斜率变化最大的点。如图6中上图所示，将从启动光幕Ⅰ接收到弹丸过靶时域信号18进行微分处理，得到图6中的信号20，并找到信号20的最大负斜率点所对应的时刻t1；将从停止光幕Ⅱ接收到的弹丸过靶时域信号19进行微分处理，得到图6中的信号21，并找到信号21的最大负斜率点所对应的时刻t2；然后求出弹丸通过两个激光光幕5的时间间隔：Δt＝t2-t1，再根据两光幕的靶距S，计算出弹丸速度v＝S/Δt，由于通过该方法能更准确地确定弹丸飞过两光幕的时刻，因此最终能够得到更精确的弹丸飞行速度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置，其特征在于，该装置包括启动光幕、停止光幕和测试模块，所述启动光幕和停止光幕互相平行地垂直于弹道线放置，启动光幕和停止光幕具有相同的结构，均包括原向反射装置、激光器（2）、球面反射镜（7）和探测器（9），其中：

所述原向反射装置包括两个互相垂直的支撑面（1）和多个反射屏（3）；所述激光器（2）为能产生90度发散角的线激光的激光器，激光器（2）放置在与两个支撑面（1）之间对角线的端点上，并且激光器（2）的光轴与该对角线重合；

两个所述支撑面（1）上均设置多个反射屏（3），每个所述反射屏（3）与其所在支撑面（1）所成的角度满足：入射到该反射屏（3）的所有的激光光线相对于反射屏（3）的入射角度小于等于5°；每个所述反射屏（3）的大小满足：每个反射屏（3）最多接收其所在位置的10度范围内的激光光线；每个支撑面（1）上布置的反射屏（3）形成不漏光的锯齿结构，激光光线入射到该锯齿结构上后再被反射回去，形成激光光幕（5）；

所述反射屏（3）表面铺设原向反射材料；

所述球面反射镜（7）的圆心处具有一个通光孔（6），激光器（2）的出光孔从球面反射镜（7）的凸面方向与球面反射镜（7）的通光孔（6）贴合，且球面反射镜（7）的光轴与激光光幕（5）不共面；

所述探测器（9）放置在球面反射镜（7）的焦点上，用于接收由球面反射镜（7）会聚的激光光线，探测器（9）的输出端与测试模块相连；所述球面反射镜（7）的焦点为由原向反射装置反射回来的激光光线再经球面反射镜（7）反射的会聚点；

所述测试模块根据来自启动光幕的探测器（9）的信号提取出弹丸的进入时刻T1，根据来自停止光幕的探测器（9）的信号提取出弹丸的飞出时刻T2，然后再用启动光幕和停止光幕之间的距离除以（T2-T1），即测试出弹丸的飞行速度。

2.如权利要求1所述的一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置，其特征在于，所述两个支撑面（1）连接处的反射屏（3）采用以该两个支撑面（1）之间对角线的端点为圆心的圆弧形凹面反射屏（4）。

3.如权利要求1所述的一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置，其特征在于，所述探测器（9）包括圆弧形的基座（10）和铺设于基座（10）的3个光敏管（11），两个相邻光敏管（11）的首、尾搭接，使光敏管（11）覆盖住基座（10）的整个圆弧面，所有光敏管（11）信号输出接口并联后输出至测试模块；基座（10）的凸面朝向球面反射镜（7），基座（10）的中心点与球面反射镜（7）的焦点重合；所述基座（10）的圆弧型表面根据原向反射装置反射回来的激光光斑的形状和大小进行加工，使探测器（9）完全接收激光光斑。

4.如权利要求1所述的一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置，其特征在于，所述探测器（9）包括圆弧形的基座（10）和铺设于基座（10）的多个光敏管（11），光敏管（11）沿所述基座（10）紧凑排列，覆盖住整个基座（10）的圆弧面，所有光敏管（11）信号输出接口并联后输出至测试模块；基座（10）的凸面朝向球面反射镜（7），基座（10）的中心点与球面反射镜（7）的焦点重合；所述基座（10）的圆弧型表面根据原向反射装置反射回来的激光光斑的形状和大小进行加工，使探测器（9）完全接收激光光斑。

5.如权利要求3所述的一种非拼接大靶面激光光幕速度测试装置，其特征在于，球面反射镜（7）的光轴与激光光幕（5）所成α角满足关系式：f为球面反射镜（7）焦距、L为探测器（9）的宽度、H为激光器（2）发射出的激光的厚度。

6.一种基于权利要求1所述的测试装置的测试方法，其特征在于，弹丸先后穿过启动光幕和停止光幕，将从启动光幕接收到的激光的时域信号数据进行微分处理，并找到最大负斜率点所对应的时刻t1；将从停止光幕接收到的激光的时域信号数据进行微分处理，并找到最大负斜率点所对应的时刻t2；然后求出弹丸通过两个激光光幕（5）的时间间隔：Δt＝t2-t1，再根据两光幕的靶距S，计算出弹丸速度v＝S/Δt。

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