一种光幕靶测速仪及弹道捕获方法
【专利摘要】本发明涉及一种应用于弹丸测速的光幕测速仪和弹丸弹道捕获的方法，其特征在于包括微处理器单元、显示和操作的显示触屏单元、X轴激光光幕发射单元、X轴接收激光光幕的激光接收单元、Y轴激光光幕发射单元、Y轴接收激光光幕的激光接收单元、信号处理电路单元。在测速的同时能通过多点描绘出弹丸在空间的弹道运动轨迹，弹道测量方法与现有技术相比，是一种低成本，原理简单，效率高，不受外界环境可见度的影响，测量结果形象直观的弹道捕获方法。
【专利说明】一种光幕靶测速仪及弹道捕获方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于弹丸测速的光幕测速仪和弹丸弹道捕获的方法，本发明属于常规兵器靶场测试【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前，光幕测速的方式多采用红外发射管和接收管的方式设计，每个对应的接收管必须与一个红外发射管相对应，整套系统必须保证每个接收管严格的和发射管对准，系统才能够进入测试状态，但是由于红外光线是不可见光，人眼是无法看见的，只有采用特殊设备才可以进行观测，而且红外接收管是感知红外的方向性很强，如果红外发射管因为物理安装结构上的变形，我们在不借助于任何专业设备的情况下无法进行人为的校正，使得其存在维护难度大的隐患，在红外接收管数量不多的时候，可以进行以上的安装方式，但是若数量不多则使得光幕的光束的数目也减少，而且此类光幕只有在单方向上有一排光束，光幕的检测密度稀疏，无法对弹径小的弹丸进行测量，只能在光幕光束密度的允许范围内进行有限制的测量，这也使得即使在弹丸弹径达到一定级别也会有漏弹检测的风险，对测试效果大打折扣。
[0003]在对弹丸进行测速的同时，实验人员会对发射枪或者弹丸的综合性能进行考察，比如对弹丸的飞行弹道进行分析，从而间接性的对其性能进行评估。但是目前对弹丸弹道的分析，大多是使用3D成像仪器进行图像处理，或者使用高速摄像机等专业光电学设备进行分析，该类设备基本是在弹丸飞行中获取整个动态过程，将捕获到的高清图像进行高分辨率的放大，然后通过对处理后的图像分析，得出弹丸的弹道路径。此类设备价格非常昂贵，维护价格同样很高，而且有的光电学设备甚至是国外制造，价格昂贵不适合普及，售后维护难度大。这种光电学设备需要采集大量的高清画面，因此外界的环境成为影响的重要因素，在复杂的天气情况下是无法正常使用的，如大雾和阴霾天气对测量产生直接影响，夕卜界的环境能见度的大小直接影响其测试的准确性和可靠性，从而有一定的局限性。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的问题就是针对现有技术所存在的缺陷，提供一种弹丸测速的激光交织光幕测速仪和弹丸弹道捕获的方法，仪器结构简单、操作方便、成本低、检测效率高，通过高亮度激光二极管形成人眼可见的交织激光光幕，准确的捕获通过光幕的弹丸。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:一种激光光幕测速仪，包括微处理器单元、显示和操作的显示触屏单元、X轴激光光幕发射单元、X轴接收激光光幕的激光接收单元、Y轴激光光幕发射单元、Y轴接收激光光幕的激光接收单元、信号处理电路单元。
[0006]所述的显示触屏单元，是可触摸操作的高分辨率TFT彩色屏，用于显示系统的数据状态和测试结果，上面的触屏按键代替了物理按键对系统进行操作设置，与所述的微处理器单元连接。
[0007]所述的X轴激光光幕发射单元和Y轴激光光幕发射单元，是由高亮度的激光二极管发射器构成，用于形成可见度和方向性强的激光光幕，所述的X轴激光光幕发射单元与所述的Y轴激光接收单元安装位置是端点处相互垂直的。
[0008]所述的X轴接收激光光幕的激光接收单元和Y轴接收激光光幕的激光接收单元，是由多个光电二极管直线排列组成的，用于接收所述的激光光幕发射单元的激光，所述的激光接收单元的光电二极管能够感知光通量的变化。所述的X轴接收激光光幕的接收单元和Y轴接收激光光幕的激光接收单元安装位置是端点处相互垂直的。所述的光电二极管的状态感知是完全独立的，他们的状态能被所述的信号处理单元进行处理，然后把电信号给所述的微处理器单元进行运算处理。
[0009]所述的信号处理电路单元，是光电信号处理单元，能够把光通量的变化转化为电信号，通过多路相与电路最终输出一个有效信号给微处理器单元进行处理，同时也能够把所述的多个光电二极管的状态进行并转串处理，与所述的微处理器单元的串口进行连接，所述的信号处理电路单元使得所述的微处理器在低硬件开销的情况下有效处理每个光电二极管的电信号。
[0010]为解决上述技术问题，本发明还提出了一种弹丸弹道捕获的方法，其特征在于包括如下步骤:
[0011]1、通过显示触屏单元的触屏按键输入各个光幕靶之间的间距值，即获取了 Z轴的坐标值。
[0012]2、微处理器单元将所述的信号处理单元的串转并信号输出端的信号进行采集。
[0013]3、对信号的特征进行分析，如X坐标轴的光电二极管阵列以8个数目为基本单元，若得到的数据为0XF7，对应的二进制位为1111 0111，则可知第4位的光电二极管被截断，由于二极管的排列的间距是相等的，则可以得到弹丸截断的光电二极管的实际物理位置。同理，在Y轴上的光电二极管阵列的信号以同样的方式进行解算，并由等间距公式计算出该运行的弹丸在空间中位置的偏移值。而Z轴的坐标值即是各个光幕靶之间安装的间隔值。
[0014]4、多个光幕组成的数据采集系统中，运行弹丸的偏移位置的数值量都可以在测试完速度的值后在显示触摸屏单元得到。实验人员在显示触屏单元很直观的获取这些有效数据，然后把这些值输入到计算机Matlab软件进行处理，该软件可以由这些值形成一个三维曲线坐标图，就可以很直观的通过三维坐标点描述弹丸飞行轨迹的变化。
[0015]本发明的有益效果，本发明与现有技术相比本发明的技术优势在于:
[0016]1.采用交织激光光幕和光电信号处理电路，检测精度高、装置结构简单、成本低、抗干扰能力强、操作简单。
[0017]2.能够根据实际测量精度的需要对光幕靶的数目进行扩展和光幕靶之间的间隔的距离进行调节。能够测多组速度数据进行分析，能够有效的缩小实验误差；
[0018]3.在测速的同时能通过多点描绘出弹丸在空间的弹道运动轨迹，弹道测量方法与现有技术相比，是一种低成本，原理简单，效率高。测速和弹道捕捉能够同时进行，且不受外界环境可见度的影响，测量结果形象直观的弹道捕获方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，附图中:[0020]图1是本发明的光幕靶结构示意图；
[0021]图2是本发明的光幕靶工作时有弹丸穿过的结构示意图；
[0022]图3是本发明的光幕靶的装配剖面图；
[0023]图4是本发明的弹道捕获方法原理图；
[0024]图5A是本发明的信号处理单元的信号放大电路示意图；
[0025]图5B是本发明的信号处理单元的信号比较单元示意图；
[0026]图5C是本发明的信号处理单元电气连接结构示意图；
[0027]图6本发明的整个测试过程的流程示意图；
[0028]图中，100——光幕靶，101——X轴光幕接收装置，102——Y轴光幕接收装置，103——X轴光幕发射装置，104——Y轴光幕发射装置，201——X轴上被截断的光电二极管，202——Y轴上被截断的 光电二极管，203——弹丸，300——光幕测速和弹道捕获系统，301—飞行的弹道线，302—瞄准基线，501—比例运算放大电路，502——电压跟随电路，503——比较器电路，504——并转串电路单元，505——微处理器单元，506——显示触摸单元，507—相与电路单元。
【具体实施方式】
[0029]如图1所示，本发明的光幕靶100包括X轴光幕接收装置101，Y轴光幕接收装置102，X轴光幕发射装置103，Y轴光幕发射装置104，Χ轴和Y轴上的发射装置和接收装置形成的交织的光幕区域，所形成的光束被有效截断时候，系统会识别该信号并进行处理，系统处理中能够抗蚊虫和火光等干扰。
[0030]光幕祀100是一个光电转换系统，电路实现的功能包括信号放大、后续处理和人机界面操作控制。光电二极管阵列与前级放大电路相连，经中间级放大电路的进一步放大，输入到触发电路和模拟输出电路.触发电路将模拟信号转为数字信号。图2所示是当运行弹丸203穿过光幕靶100时，X轴上被截断的光电二极管201和Y轴上被截断的光电二极管202。如图4所示，其弹道捕获原理图，当第一个光幕(如图3中的I靶)Χ轴上被截断的光电二极管201的截断信号SO给信号处理电路单元，该突变的信号SO作为一个交流信号处理，如图5Α的信号放大电路单元，采用低噪声和高共模拟制比的仪表放大器进行放大，当微弱的信号通过耦合电容到比例运算放大电路501，按照需要的比例进行信号的同相放大，当信号放大到一定的程度时，通过滤波电路连接下一级电压跟随电路502，其电路如图5Β所示，该电路的输入阻抗高，而输出阻抗低，有利于隔离后续处理电路对前级的干扰。当模拟信号的有效信号SO经过这些电路的处理，输出为TO信号到比较器电路503，把模拟信号转化成数字信号Q0,若当输出的信号大于比较器电路503反相端的阀值电压时，QO输出为高电平信号；相反，当输出的信号小于比较器电路503反相端的阀值电压时,QO输出为低电平信号。输出信号Qn作为每个光电二极管的光电转化最终输出信号。
[0031]在使用光幕靶100的进行速度测试时，如图3所示，各个光幕靶100的间隔距离Dn^1,间隔距离Dlri和光幕靶100的数目是可以根据实际测试需要进行增减的。当弹丸穿过第一靶面时，其上的光电二极管传感单元启动，记录弹丸穿入靶区的时间Τ1η、Τ1 (η+1)、…；当弹丸穿过第二靶面时，其上的光电二极管传感单元启动，记录弹丸穿出靶区的时间Τ2η、Τ2(η+1)、…，弹丸从第一靶面到第二靶面的飞行时间为相对应传感单元时间差Atl =Τ2η-Τ1η、Δ t2 = Τ2 (η+1)_Τ1 (η+1)、...，由 Vn = Dn/ Δ tn(η 位光幕革巴的数目)，可以计算光幕两段之间的速度和整个过程的平均速度。
[0032]系统由光幕靶100采集到光通量的变化转化成电信号后，需要进一步进行处理，如上所述的过程就是一个光幕100的测速工作的基本流程，该测试系统由多个光幕靶100组成，如图3所示，组成的光幕测速和弹道捕获系统300，结合图4的弹道捕获原理图所示，具体捕获方法的步骤如下:
[0033]1、当弹丸穿过幕测速和弹道捕获系统300时候，瞄准基线302是水平的，弹丸按飞行的弹道线301穿过光幕组，截断的光电二极管如图4中所示，由于每个光电二极管的状态是独立获取的Qn，以第一个光幕靶100为例，当X轴上被截断的光电二极管201为第7个，输出信号位QJ = O ;相应的Y轴上被截断的光电二极管202为第9个，输出信号位Qy9 =
O。把这些信号输入到并转串电路单元504，在低硬件开销下输入到微处理器单元505进行处理。 [0034]2、在微处理器单兀505的处理中，使用的方法原理如图4所不，由于光电二极管的距离是固定为山由公式I = n*d，其中，η为被截断的二极管的编号，I则位偏移的距离。例如，当X轴上的7号光电二极管和Y轴上的9号光电二极管被截断，光电二极管的间距d =4mm,则X轴上的偏移距离是28mm，Y轴上的偏移距离是36mm，而Z轴的坐标即是光幕靶之间的间隔距离。
[0035]3、弹丸穿过幕测速和弹道捕获系统300后，不同位置上的各个光幕靶100获取了弹丸203的偏移的值，最后进行数据处理，在显示触摸单元506上能够读取到X轴和Y轴坐标的偏移值。实验人员可以对这些值的特点进行分析，并且可以使用Matlab软件进行三维图标的绘制。通过以上几个步骤完成弹道捕获和显示偏移值的功能，使操作者快速直观的了解相关性能。
[0036]参考表1为上述弹道捕获方法实施例的数据分析图:
[0037]表中使用的是直径为18.4mm,重量为25克的橡皮弹气压枪进行射击，由于橡皮弹的风阻较大，测试环境的风向和湿度等都是影响因素，在飞行过程中其弹道偏移的幅度较大，橡皮弹的飞行距离大概在100米左右。弹丸穿过幕测速和弹道捕获系统300中，以每个光幕靶100间隔5米为单位，依次安装十个光幕，分别测每一段的速度和捕获弹丸的偏移位置。
[0038]表1
[0039]
【权利要求】
1.一种激光光幕测速仪，其特征在于包括微处理器单元、显示和操作的显示触屏单元、X轴激光光幕发射单元、X轴接收激光光幕的激光接收单元、Y轴激光光幕发射单元、Y轴接收激光光幕的激光接收单元、信号处理电路单元。
2.根据权利要求1所述的激光光幕测速仪，其特征在于:所述的显示触摸单元是可触摸操作的高分辨率TFT彩色屏，与所述的微处理器单元连接。
3.根据权利要求1所述的激光光幕测速仪，其特征在于:所述X轴激光光幕发射单元和Y轴激光光幕发射单元，是由高亮度的激光二极管发射器构成，用于形成可见度和方向性强的激光光幕，所述的X轴激光光幕发射单元与所述的Y轴激光接收单元安装位置是端点处相互垂直的。
4.根据权利要求3所述的激光光幕测速仪，其特征在于:所述X轴接收激光光幕的激光接收单元和Y轴接收激光光幕的激光接收单元，是由多个光电二极管直线排列组成的。所述的X轴接收激光光幕的接收单元和Y轴接收激光光幕的激光接收单元安装位置是端点处相互垂直的。
5.所述的信号处理电路单元，是光电信号处理单元，能够把光通量的变化转化为电信号，通过多路相与电路最终输出一个有效信号给微处理器单元进行处理，同时也能够把所述的多个光电二极管的状态进行并转串处理，与所述的微处理器单元的串口进行连接，所述的信号处理电路单元使得所述的微处理器在低硬件开销的情况下有效处理每个光电二极管的电信号。
6.一种弹丸弹道捕获的方法，其特征在于包括如下步骤: . 1、通过显示触屏单元的触屏按键输入各个光幕靶之间的间距值，即获取了Z轴的坐标值。. .2、微处理器单元将所述的信号处理单元的串转并信号输出端的信号进行采集。 . 3、对信号的特征进行分析，如X坐标轴的光电二极管阵列以8个数目为基本单元，若得到的数据为0XF7，对应的二进制位为1111 0111，则可知第4位的光电二极管被截断，由于二极管的排列的间距是相等的，则可以得到弹丸截断的光电二极管的实际物理位置。同理，在Y轴上的光电二极管阵列的信号以同样的方式进行解算，并由等间距公式计算出该运行的弹丸在空间中位置的偏移值。而Z轴的坐标值即是各个光幕靶之间安装的间隔值。 .4、多个光幕组成的数据采集系统中，运行弹丸的偏移位置的数值量都可以在测试完速度的值后在显示触摸屏单元得到。实验人员在显示触屏单元很直观的获取这些有效数据，然后把这些值输入到计算机Matlab软件进行处理，该软件可以由这些值形成一个三维曲线坐标图，就可以很直观的通过三维坐标点描述弹丸飞行轨迹的变化。
【文档编号】G01P3/68GK104020312SQ201410263621
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】石跃祥, 陈洋卓, 朱东辉, 禹迪 申请人:湘潭大学