一种大靶面脱靶量修正测试系统及测试方法
【专利摘要】本发明涉及一种大靶面脱靶量修正测试系统，其包括第一光电探测靶体、第二光电探测靶体、计时与图像采集仪，其中，第一光电探测靶体和第二光电探测靶体沿枪炮发射方向相邻布置在靶道的测试段，并且这两个光电探测靶体都与计时与图像采集仪相连接，计时与图像采集仪与计算机相连接。本发明利用两个光电靶体产生的五个交汇天幕空间几何阵列实现目标速度、飞行角度矢量和坐标的测量。
【专利说明】一种大靶面脱靶量修正测试系统及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测试系统，具体来说，本发明涉及一种高空大靶面脱靶量测试系统及相应的测试方法。
【背景技术】
[0002]在靶场测试中，弹丸的飞行速度与这把坐标的测试是武器校验的核心参数，特别是高空中弹丸相对空中模拟目标近炸的脱靶量测量，即弹丸正视于相对目标头部中心的两维坐标，它是关系到武器校验与定型的重要参数，一般情况下，高空相对目标近炸的脱靶量的条件通常是目标中心与地面高度距离大于20米。针对弹丸坐标等参数的测量，目前国内外主要采用光幕靶交汇测试方法、天幕靶交汇测试方法、线阵CCD交汇测试方法、阵列激光传感器测试方法等。天幕靶交汇测试系统主要采用四个或六个天幕靶组成，所有的探测天幕靶设计都采用光纤汇聚，单个圆形光电管接收设计方案，存在探测灵敏度较低，对高空大靶面弹丸信息的探测显得不足，六天幕靶测试系统虽可以测量弹丸着靶的位置，也可以给出飞行弹丸的矢量角度，但是探测光幕的标定和校准比较复杂，通常的六光幕交汇测试系统装置主要是在室内使用的小靶面光幕靶，对野外的测试主要是在低伸弹道测试，对于高空大靶面的探测系统，还存在探测灵敏度不足，视场小等问题。四光幕测试系统，对飞行弹丸有严格的限制，弹丸必须是垂直穿过探测光幕，否则测试坐标误差比较大，因其所测坐标是弹丸穿过交汇面上的点坐标，不是弹丸实际着靶面坐标，该坐标必须修正。在国内期刊上获悉采用数码相机与四天幕交汇测量结合的方案，数码相机的拍摄技术同样存在摄影法的问题，再者数码相机的拍摄同步比较难以解决，且四天幕交汇测量系统测到的两位坐标数据并非同点坐标位置，因此，在测量时，要求弹丸必须垂直穿过天幕，否则产生较大的测量误差；针对光幕靶交汇测试方法，其主要采用光幕靶为核心建立交汇测量模型，测试原理与天幕靶一致，所不同的是光幕靶采用主动光源为测试背景光源，光幕靶测试靶面小，对高空大靶面的测试无法满足需求。
[0003]在所有的光电靶测试装置中，对探测天幕靶的探测器设计都采用光纤汇聚，单个圆形光电管接收设计方案，存在探测灵敏度较低，对高空弹丸信息的探测显得不足且设计结构复杂。在国内期刊所涉及的论文中有提出利用长条形拼接阵列光电接收器件，且离焦技术措施消除探测盲区的设计方案设计天幕靶，但这种方案在实际应用中也存在许多不足，如探测电路因拼接的小单元光电器件越多，叠加的背景噪声也大，在模拟放大电路中难以消除，其所采用的活动光阑消除照度变化的影响，存在活动光阑抖动引起误触发、弹丸信号触发点不一致等问题，如果探测距离过高需要更换长焦距镜头，使得作用视场减小，容易产生漏测的可能，且结构相对较复杂。
[0004]有研究者发明了各种光幕靶，如中国专利CN89102652、CN200620134458.7、CN200420007418.7，还有在国内靶场大面积使用的XGK-91-1型测速光幕靶和XGK-2002型光幕靶。以上光幕靶采用光源直射接收装置的方法，也就是光源和接收装置布置在所形成光幕的两侧。在米用四个光幕祀或六个光幕祀构建四光幕和六光幕立祀测试系统时，这种结构的光幕靶很难保证各光幕靶光幕间的几何角度，也不容易测量几何角度值，也不能主观的观测出弹丸的成像具体位置。
[0005]随着成像技术的发展，研究者又提出了线阵CCD交汇测试方法，其采用双目视觉原理，测试精度在小靶面时相对比较高，但是对于高空大靶面的测试需要将两个线阵CCD相机布置得比较远才能满足靶面要求，但两个线阵CCD相机布置得远给测试系统的标定带来了很大的困难，并且靶面的对称性难以在工程中实现，给测试系统带来很大的误差。此夕卜，阵列激光传感器测试方法采用激光对管的发射一接收组合单元设计，靶面做得都比较小也无法满足高空中目标脱靶量测试需求。为了提高空中大靶面弹丸脱靶量测试精度，需要研制出能够满足高空大靶面的测试设备。
【发明内容】
[0006]为了解决上述技术问题，本发明旨在提供一种高空大靶面脱靶量修正测试系统，其包括第一光电探测靶体、第二光电探测靶体、计时与图像采集仪，其中，第一光电探测靶体和第二光电探测靶体沿枪炮发射方向相邻布置在靶道的测试段，并且这两个光电探测靶体都与计时与图像采集仪相连接，计时与图像采集仪与计算机相连接，其中，第一光电探测靶体和第二光电探测靶体通过电缆线将探测信号和采集弹丸图像传输到计时与图像采集仪，并进行处理再传输到终端计算机进行处理与显示。
[0007]优选的是,第一光电探测祀体包括三角底座、方形底盘和第一壳体，其中，在该三角底座的三个角的位置处通过三个可调节三角底座高低的高低水平旋钮分别与三个底脚相连接并通过该三个底脚水平地固定放置在地面上或测试台上，其中，通过螺柱将三角底座和相对应的高低水平旋钮和底脚连接在一起，三角底座的上表面与连接凸起盘固定连接，在该连接凸起盘上嵌套连接有连接座，该连接座可相对连接凸起盘旋转，从而该探测靶装置能在三角底座上自由旋转，此外，在连接凸起盘和连接座之间的嵌套部位处设置有锁紧旋钮，其用以锁定使连接座相对于连接凸起盘位置固定，从而锁定探测靶的位置。
[0008]优选的是,第一壳体布置在方形底盘上，第一壳体的上端面由一水平面和一斜面组成，在该水平面和斜面上分别设有相同的光学镜头，水平面上的光学镜头的方向垂直向上，斜面上的光学镜头的方向垂直该斜面向上，在该水平面上还设有水平水泡，该水平水泡用以观测第一光电探测靶体的水平状态；在第一壳体内部且位于水平面上的光学镜头垂直正下方以及斜面上的光学镜头的垂直下方分别设有相同的第二壳体，这两个第二壳体分别悬置在壳体上端面的水平面和斜面的内侧。
[0009]优选的是，在第二壳体中设有长条形狭缝光栅，在长条形狭缝光栅的狭缝下方设有光电探测器，其中该光电探测器是长条形无缝隙的整体光电探测器，在光电探测器的下方设有探测与处理电路，第一壳体上端面的水平面和斜面上的光学镜头的下方均为通孔，以便于光电探测器能够探测到光线，在第一光电探测靶体的侧面设有面板，面板上设有信号输出显不电压表、数据输出端口、电源输入端口和电源开关。
[0010]优选的是，在第二光电探测靶体中的方形底盘上设有第三壳体，第三壳体上端面的水平面上并排布置有两个与第一光电探测靶体中相同的第一光学镜头，在第三壳体上端面的斜面上设有第二光学镜头，在第三壳体上端面的斜面内侧悬置有线阵CCD相机，在线阵CCD相机的垂直上方设有线阵CCD感光器件，在线阵CCD相机内部设有十七位高精度角度编码器；在第三壳体的内部底面上设置有角度编码器采集与处理电路；在第二光电探测靶体的侧面设有面板，面板上设有信号输出显示电压表、数据输出端口、电源输入端口、电源开关、图像数据输出端口、输出角度显示窗口。
[0011]优选的是，第一光电探测靶体可形成第一探测天幕Ml和第二探测天幕M2，其中，第一探测天幕Ml垂直于水平弹道且正交于弹道线，第二探测天幕M2与水平弹道不垂直且与第一探测天幕Ml之间形成夹角α !;第二光电探测靶体可形成第三探测天幕M3、第四探测天幕Μ4和第五探测天幕Μ5，其中，第三探测天幕M3和第四探测天幕Μ4均垂直于水平弹道，同时第四探测天幕Μ4正交于弹道线，第三探测天幕M3与第四探测天幕Μ4之间形成夹角α2，第五探测天幕Μ5与水平弹道不垂直且与第四探测天幕Μ4之间形成夹角Ci3，且第一探测天幕Ml和第四探测天幕Μ4为一对平行天幕，第一探测天幕Ml、第二探测天幕M2、第三探测天幕M3以及第四探测天幕M4都是利用狭缝透过光学镜头形成探测天幕；第五探测天幕M5利用线阵CCD感光器件的感光面透过第二光学镜头形成扇形探测成像天幕，其中，第五探测天幕M5与第四探测天幕M4之间的夹角可调，其中，十七位高精度角度编码器能够用于测量第五探测天幕M5与第四探测天幕M4之间的夹角，并利用线阵数码管在面板上显示角度值。
[0012]优选的是，在每个光电探测靶体的方形底盘上设有自校准平行光幕的刻度标尺和激光测距仪，将激光测距仪底部放置于方形底盘上刻度标尺的位置，通过利用激光测距仪测出出射的激光光斑照射到相对应的另一靶体上的刻度标尺，测量出在两个靶体间相互交换校正测量，结合360°可调的三角底座，测出两个靶体两边的距离，通过调节距离，使两边所测距离相等，确保天幕Ml和天幕M4平行。
[0013]优选的是，计时与图像采集仪中设有四路计时处理电路和图像采集储存与处理装置。
[0014]本发明还提供一种`采用上述测试系统的高空大靶面飞行弹丸脱靶量测试方法，具体操作步骤包括:
[0015](I)在预定测试位置弹道上，沿炮弹弹丸飞行方向依次布置第一光电探测靶体和第二光电探测靶体，利用每个靶体中的三角底座上的高低旋钮调节第一光电探测靶体和第二光电探测靶体，使它们均与水平靶道的水平面平行，且处于同一连线上；
[0016](2)沿着弹丸飞行方向，将第一光电探测靶体中的激光测距仪放置于方形底盘上，使激光测距仪的激光出射点落在第二光电探测靶体的刻度尺上，测量第一光电探测靶体与第二光电探测靶体标度尺之间的距离，然后，将第二光电探测靶体中的激光测距仪放置于第二光电探测靶体的方形底盘上，激光点对准第一光电探测靶体的刻度尺，再测量第二光电探测靶体到第一光电探测靶体标度尺之间的距离，若两者相等，即完成两个靶体的平行光幕校正平行，所测距离值为两个靶距距离S’，该靶距S’在实测中含有修正值120mm，即真正的靶距为S=S’ -120mm，之后，利用锁紧旋钮将每个靶体中的方形底盘和三角底座之间锁紧；
[0017](3)调整第五探测天幕M5与第四探测天幕M4之间的夹角角度值α3，通过输出角度显示窗口读取角度α3数值，并记录该角度值；
[0018](4)利用数据连接线，将第一光电探测靶体和第二光电探测靶体的数据输出端口及第二光电探测靶体的图像数据输出端口与计时与图像采集仪端口连接，并将再通过计时与图像采集仪的远程数据端口将远程传输数据线接至计算机的通讯接口；
[0019](5)在距离第二光电探测靶体一定距离处悬挂设有模拟目标头部，利用激光测距仪测量出悬挂的模拟目标头部到以第一光电探测成像靶体为基准的水平面距离高度H.[0020](6)将供电电源与第一光电探测靶体和第二光电探测靶体的电源输入端相连，并打开两个探测靶的电源开关，运行和启动计算机中的专用处理软件，将测量的靶距S，H和α 3值输入到终端处理计算机中的专用处理计算机软件的程序赋值对话框，并启动测试程序;
[0021](7)计时和图像采集仪采集到发射弹丸穿越五个探测天幕，记录以第一探测天幕Ml为启动点的穿越第二至第四探测天幕的三个时间值&^3和处理出的第五探测天幕Μ5的弹丸图像坐标(n, m),并自动传送到终端处理计算机；
[0022](8)终端处理计算机利用专用处理计软件对第(2)、(3)和(5)步测量到的参数、第
(7)步中采集到的时间参数和第五探测天幕M5的弹丸图像位置坐标参数，结合坐标测量模型进行计算，获得发射弹丸的飞行速度、飞行矢量角度和相对模拟目标头部中心的脱靶量坐标(X，y)；
[0023](9)计算完成，存储并显示计算结果，即:弹丸的飞行角度Θ和Y、相对模拟目标头部中心的脱靶量坐标U，y)及弹速V。
[0024]10、根据权利要求9所述的测试方法，其包括终端处理计算机对高空飞行弹丸脱靶量测量进行的修正处理，具体方法包括:
[0025](I)确定飞行弹丸速度V表示式，假设弹丸飞行速度为V，第一探测天幕Ml与第四探测天幕M4距离为S，弹丸飞行方向是任意的，其飞行方向与X0z平面的夹角为Y，与yoz
平面的夹角为Θ，则计算实际弹丸速度
【权利要求】
1.一种大靶面脱靶量修正测试系统，其包括第一光电探测靶体、第二光电探测靶体、计时与图像采集仪，其中，第一光电探测靶体和第二光电探测靶体沿枪炮发射方向相邻布置在靶道的测试段，并且这两个光电探测靶体都与计时与图像采集仪相连接，计时与图像采集仪与计算机相连接，其中，第一光电探测靶体和第二光电探测靶体通过电缆线将探测信号和采集弹丸图像传输到计时与图像采集仪，并进行处理再传输到终端计算机进行处理与显示。
2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于:第一光电探测靶体包括三角底座、方形底盘和第一壳体，其中，在该三角底座的三个角的位置处通过三个可调节三角底座高低的高低水平旋钮分别与三个底脚相连接并通过该三个底脚水平地固定放置在地面上或测试台上，其中，通过螺柱将三角底座和相对应的高低水平旋钮和底脚连接在一起，三角底座的上表面与连接凸起盘固定连接，在该连接凸起盘上嵌套连接有连接座，该连接座可相对连接凸起盘旋转，从而该探测靶装置能在三角底座上自由旋转，此外，在连接凸起盘和连接座之间的嵌套部位处设置有锁紧旋钮，其用以锁定使连接座相对于连接凸起盘位置固定，从而锁定探测靶的位置。
3.根据权利要求2所述的测试系统,其特征在于:第一壳体布置在方形底盘上,第一壳体的上端面由一水平面和一斜面组成，在该水平面和斜面上分别设有相同的光学镜头，水平面上的光学镜头的方向垂直向上，斜面上的光学镜头的方向垂直该斜面向上，在该水平面上还设有水平水泡，该水平水泡用以观测第一光电探测靶体的水平状态；在第一壳体内部且位于水平面上的光学镜头垂直正下方以及斜面上的光学镜头的垂直下方分别设有相同的第二壳体，这两个第二壳体分别悬置在壳体上端面的水平面和斜面的内侧。
4.根据权利要求3所述的测试系统，其特征在于:在第二壳体中设有长条形狭缝光栅，在长条形狭缝光栅的狭缝下方设有光电探测器，其中该光电探测器是长条形无缝隙的整体光电探测器，在光电探测器的下方设有探测与处理电路，第一壳体上端面的水平面和斜面上的光学镜头的下方均为通孔，以便于光电探测器能够探测到光线，在第一光电探测靶体的侧面设有面板，面板上设有信号输出显示电压表、数据输出端口、电源输入端口和电源开关。
5.根据权利要求4所述的测试系统，其特征在于:在第二光电探测靶体中的方形底盘上设有第三壳体，第三壳体上端面的水平面上并排布置有两个与第一光电探测靶体中相同的第一光学镜头，在第三壳体上端面的斜面上设有第二光学镜头，在第三壳体上端面的斜面内侧悬置有线阵CCD相机，在线阵CCD相机的垂直上方设有线阵CCD感光器件，在线阵CCD相机内部设有十七位高精度角度编码器；在第三壳体的内部底面上设置有角度编码器采集与处理电路；在第二光电探测靶体的侧面设有面板，面板上设有信号输出显示电压表、数据输出端口、电源输入端口、电源开关、图像数据输出端口、输出角度显示窗口。
6.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于:第一光电探测靶体可形成第一探测天幕Ml和第二探测天幕M2，其中，第一探测天幕Ml垂直于水平弹道且正交于弹道线，第二探测天幕M2与水平弹道不垂直且与第一探测天幕Ml之间形成夹角Ci1 ;第二光电探测靶体可形成第三探测天幕M3、第四探测天幕M4和第五探测天幕M5，其中，第三探测天幕M3和第四探测天幕M4均垂直于水平弹道，同时第四探测天幕M4正交于弹道线，第三探测天幕M3与第四探测天幕M4之间形成夹角α 2，第五探测天幕Μ5与水平弹道不垂直且与第四探测天幕M4之间形成夹角α 3，且第一探测天幕Ml和第四探测天幕Μ4为一对平行天幕，第一探测天幕Ml、第二探测天幕M2、第三探测天幕M3以及第四探测天幕M4都是利用狭缝透过光学镜头形成探测天幕；第五探测天幕M5利用线阵CCD感光器件的感光面透过第二光学镜头形成扇形探测成像天幕，其中，第五探测天幕M5与第四探测天幕M4之间的夹角可调，其中，十七位高精度角度编码器能够用于测量第五探测天幕M5与第四探测天幕M4之间的夹角，并利用线阵数码管在面板上显示角度值。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的测试系统，其特征在于:在每个光电探测靶体的方形底盘上设有自校准平行光幕的刻度标尺和激光测距仪，将激光测距仪底部放置于方形底盘上刻度标尺的位置，通过利用激光测距仪测出出射的激光光斑照射到相对应的另一靶体上的刻度标尺，测量出在两个靶体间相互交换校正测量，结合360°可调的三角底座，测出两个靶体两边的距离，通过调节距离，使两边所测距离相等，确保天幕Ml和天幕M4平行。
8.根据权利要求7所述的测试系统，其特征在于:计时与图像采集仪中设有四路计时处理电路和图像采集储存与处理装置。
9.一种采用上述权利要求1-8中任一项测试系统的大靶面飞行弹丸脱靶量测试方法，具体操作步骤包括: (1)在预定测试位置弹道上，沿炮弹弹丸飞行方向依次布置第一光电探测靶体和第二光电探测靶体，利用每个靶体中的三角底座上的高低旋钮调节第一光电探测靶体和第二光电探测靶体，使它们均与水平靶道的水平面平行，且处于同一连线上； (2)沿着弹丸飞行方向，将第一光电探测靶体中的激光测距仪放置于方形底盘上，使激光测距仪的激光出射点落在第二光电探测靶体的刻度尺上，测量第一光电探测靶体与第二光电探测靶体标度尺之间的距离，然后，将第二光电探测靶体中的激光测距仪放置于第二光电探测靶体的方形底盘上，激光点对准第一光电探测靶体的刻度尺，再测量第二光电探测靶体到第一光电探测靶体标度尺之间的距离，若两者相等，即完成两个靶体的平行光幕校正平行，所测距离值为两个靶距距`离S’，该靶距S’在实测中含有修正值120mm，即真正的靶距为S=S’-120mm，之后，利用锁紧旋钮将每个靶体中的方形底盘和三角底座之间锁紧； (3)调整第五探测天幕M5与第四探测天幕M4之间的夹角角度值Ci3，通过输出角度显示窗口读取角度α3数值，并记录该角度值； (4)利用数据连接线，将第一光电探测靶体和第二光电探测靶体的数据输出端口及第二光电探测靶体的图像数据输出端口与计时与图像采集仪端口连接，并将再通过计时与图像采集仪的远程数据端口将远程传输数据线接至计算机的通讯接口 ； (5)在距离第二光电探测靶体一定距离处悬挂设有模拟目标头部，利用激光测距仪测量出悬挂的模拟目标头部到以第一光电探测成像靶体为基准的水平面距离高度H.(6)将供电电源与第一光电探测靶体和第二光电探测靶体的电源输入端相连，并打开两个探测靶的电源开关，运行和启动计算机中的专用处理软件，将测量的靶距S，H和03值输入到终端处理计算机中的专用处理计算机软件的程序赋值对话框，并启动测试程序； (7)计时和图像采集仪采集到发射弹丸穿越五个探测天幕，记录以第一探测天幕Ml为启动点的穿越第二至第四探测天幕的三个时间值trt3和处理出的第五探测天幕M5的弹丸图像坐标(n, m),并自动传送到终端处理计算机； (8)终端处理计算机利用专用处理计软件对第(2)、(3)和(5)步测量到的参数、第(7)步中采集到的时间参数和第五探测天幕M5的弹丸图像位置坐标参数，结合坐标测量模型进行计算，获得发射弹丸的飞行速度、飞行矢量角度和相对模拟目标头部中心的脱靶量坐标(X，y)； (9)计算完成，存储并显示计算结果，即:弹丸的飞行角度θ和Y、相对模拟目标头部中心的脱祀量坐标(X，y)及弹速V。
10.根据权利要求9所述的测试方法，其包括终端处理计算机对高空飞行弹丸脱靶量测量进行的修正处理，具体方法包括: (1)确定飞行弹丸速度ν表示式，假设弹丸飞行速度为V，第一探测天幕Ml与第四探测天幕M4距离为S，弹丸飞行方向是任意的，其飞行方向与XOZ平面的夹角为Y，与yoz平面的夹角为Θ，则计算实际弹丸速度
【文档编号】G01B11/00GK103760379SQ201310716871
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】李翰山, 雷志勇, 高俊钗, 王泽民 申请人:西安工业大学