一种任意方向入射的弹丸速度测量装置及其测量方法与流程

本发明属于靶场弹道参数测试技术领域，具体涉及一种任意方向入射的弹丸速度测量装置及其测量方法

背景技术：

在身管武器的研制和靶场试验当中，弹丸的飞行速度是需要测量的一个关键参数，现有常用弹丸速度测量方法有锡箔靶、网靶、线圈靶、天幕靶、光幕靶，以及多普勒雷达测速。锡箔靶和网靶属于接触型测量装置，在测量弹丸速度时，弹丸必须接触锡箔靶的靶纸或网靶的金属丝，这会对弹丸速度产生一定的影响，而且对于有些安装有真实引信的可爆炸弹丸，锡箔靶和网靶会引起弹丸爆炸，导致弹丸速度无法测试；线圈靶的靶面无法做到很大，靶框容易被弹丸击中，且很多弹丸在测试时，需要将弹丸磁化，给试验带来较多麻烦；相对于锡箔靶、网靶和线圈靶，天幕靶和光幕靶具有非接触、靶面大、测速精度高、布靶方便等优点，但天幕靶和光幕靶仍无法解决弹丸斜入射情况下弹丸速度精确测量的问题，当弹丸以一定角度入射天幕靶或光幕靶的探测光幕面时，其无法测量弹丸的实际飞行角度，所以无法得到弹丸实际穿越两个探测光幕面的距离，进而无法测得实际的弹丸速度，特别是对于有些需要测量弹道末端弹丸飞行速度的场合，或是对于一些弹丸爆炸后产生的破片的速度测量，由于弹丸在末端的飞行方向无法得知，破片的飞行方向也无法预知，所以天幕靶和光幕靶无法用于弹丸斜入射情况下的速度测量；对于多普勒雷达测速法，其优点在于它可以测量弹丸速度的连续值，绘制出弹丸飞行的P－T曲线，但雷达只能用于弹道初始阶段的速度测量，当飞行弹丸处于末端弹道时，由于弹道倾角的存在，测得的速度不是弹丸的实际速度，仅是弹丸在空间沿预定弹道方向的飞行速度。

对于斜入射情况下的弹丸速度测量，董涛、倪晋平发表的论文《斜入射弹丸速度测量系统研究》提出采用六个探测光幕的测量原理测量弹丸在斜入射情况下的飞行速度，当弹丸以一定范围的入射角度穿越六个探测光幕时，测时仪记录弹丸穿越各个光幕的时间间隔，根据这些时间间隔和相关的系统结构参数便可以求出弹丸的速度飞行方向和速度值。该方案需要在弹丸穿越的预定空间形成六个探测光幕，相对于普通天幕靶和光幕靶只需要两个探测光幕，六个探测光幕的实现在实际工程中较为复杂。且该方法只能用于弹丸在一定范围的角度入射的情况，当弹丸入射的角度太大时，很可能无法全部穿越六个探测光幕，进而导致测量失败。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种任意方向入射的弹丸速度测量装置及其测量方法，其测量装置简单、测量原理简单、使用范围广。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种任意方向入射的弹丸速度测量装置，其特征在于：包括一台高速面阵CCD相机，一台激光器，投影板、供电和信号处理装置，所述激光器位于高速面阵CCD相机的一侧，所述投影板设置于高速面阵CCD相机的正上方，所述激光器发光形状为圆锥形，激光器发射出来的光线投射到投影板上，所述投影板作为高速面阵CCD相机的探测背景，供电和信号处理装置分别与激光器和高速面阵CCD相机连接。

一种任意方向入射的弹丸速度测量方法为：通过对捕获弹丸图像的处理，识别出弹丸投影和弹丸自身两种影像的位置坐标，最后根据测量装置弹丸速度计算模型求解弹丸飞行速度。

一种任意方向入射的弹丸速度的测量方法具体通过以下步骤实现：

步骤1、以镜头主点O为原点建立空间三维坐标系OXYZ，投影板(3)和镜头主点在竖直方向上的距离为H，激光器发光点为已知值；

步骤2、实弹射击，当弹丸飞越高速面阵CCD相机(2)的探测视场时，激光器(1)通过弹丸会在投影板(3)上留下弹丸投影的轨迹，高速面阵CCD相机(2)捕获弹丸在对应两个时刻T1和T2的两个不同位置时的投影的影像，以及弹丸自身的影像；

步骤3、信号处理装置对捕获图像进行处理，识别出两种影像的在高速面阵CCD相机(2)上的位置坐标，进一步根据所求坐标确定投影板(3)上的弹丸投影的位置坐标；

步骤4、根据两条直线相交可确定一点的测量原理求解得到对应时刻T1弹丸在空间的位置P1的坐标以及对应时刻T2弹丸在空间的位置P2的坐标进一步求解弹丸在对应两个时刻T1和T2的两个位置P1和P2之间的空间距离S为：

步骤5、根据弹丸速度计算公式计算得到弹丸飞行速度：

最终得到弹丸飞行速度V。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明适用范围广，可用于弹丸和破片等飞行目标的速度测量，由于自带激光光源，所以室内和室外都可以使用；

相对于现有基于六光幕探测原理的斜入射速度测量方法，本发明不需要多个复杂的探测光幕阵列，测量原理简单，大大简化了测量装置工程实现的难度；

本发明可测量弹丸的入射角度为360°，即从四周360°范围入射的弹丸均可被探测到，这是现有其它任何速度测量装置无法实现的；

由于本发明所用的高速面阵CCD相机在工作时是连续捕获弹丸的图像，每捕获一幅图象，便可得到弹丸在空间的一个位置的三维坐标，根据被测弹道上所对应的任意两个位置的坐标和两个位置对应的时间间隔便可计算得到两个位置中点对应的速度值，相对于现有的天幕靶和光幕靶等区截测速装置存在的只能测量弹道上一个点的速度值的问题，本发明可以得到被测弹道上任意一点的弹丸速度值。

附图说明

图1为本发明实施例测量装置的结构示意图；

图2为斜入射弹丸速度计算示意图；

图中，1.激光器，2.高速面阵CCD相机，3.投影板，4.供电和信号处理装置。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明实施例提供一种可用于斜入射弹丸飞行速度的测量装置，包括一台高速面阵CCD相机2，一台激光器1，投影板3，以及供电和信号处理装置4。所述激光器1位于高速面阵CCD相机2的一侧，所述投影板3设置于靶架顶部，所述激光器1发光形状为圆锥形，激光器1的发光光线投射到投影板上，所述投影板设置为高速面阵CCD相机2的探测背景，供电和信号处理装置4分别与激光器1和高速面阵CCD相机2连接。

参见图1和图2，激光器的光线投射到投影板上的位置和高速面阵CCD相机的探测视场在投影板上的对应位置重合，激光器的发光点位置和镜头的主点位置高度一致，高速面阵CCD相机的镜头主光轴和投影板投影面垂直。

本发明实施例还提供一种用于斜入射弹丸飞行速度的测量方法，该方法为：通过对捕获弹丸图像的处理，识别出弹丸投影和弹丸自身两种影像的位置坐标，最后根据测量装置弹丸速度计算模型求解弹丸飞行速度。

一种用于斜入射弹丸飞行速度的测量方法具体通过以下步骤实现：

步骤1、以镜头主点O为原点建立空间三维坐标系OXYZ，投影板和镜头主点在竖直方向上的距离为H，激光器发光点为已知值；

步骤2、实弹射击，当弹丸飞越高速面阵CCD相机的探测视场时，激光器通过弹丸会在投影板上留下弹丸投影的轨迹，高速面阵CCD相机捕获弹丸在对应时刻T1和T2两个不同位置P1和P2时，在面阵CCD器件上的投影的影像A1′和A2′，以及弹丸自身的影像P1′和P2′；

步骤3、信号处理装置对捕获图像进行处理，识别出影像P1′和P2′的位置坐标，以及影像A1′和A2′的位置坐标。

步骤4、在已知镜头主点O的位置的情况下便可确定弹丸两个投影A1和A2的位置坐标，进一步根据直线AA1和直线P1′O便可确定弹丸在位置P1的空间坐标根据直线AA2和直线P2′O便可确定弹丸在位置P2的空间坐标进一步求解弹丸在对应时刻T1和T2两个位置P1和P2之间的空间距离S为：

步骤5、根据弹丸速度计算公式计算得到弹丸飞行速度：

最终得到弹丸飞行速度V。