一种基于时间数字转换的光幕靶弹丸测速装置

本发明涉及枪械，尤其涉及一种基于时间数字转换的光幕靶弹丸测速装置。

背景技术：

1、弹丸测速装置是用来对于弹丸、炮弹和导弹等各种类型的弹道飞行物体的速度进行测量的仪器，广泛用于武器弹药初速测量、刑事侦查、体育赛事等领域。其测速精度和测速能力会影响武器弹药的性能评估与外弹道参数的计算，同时也会影响刑侦与司法相关工作能否正常进行。然而目前的市面上使用较多的弹丸测速装置，由于其使用的时钟大多来自于晶振或者单片机等自身内部的时钟，因而时间分辨率大多处于微秒或者百纳秒的量级，在面对需要检测极高速的飞行物或者更高的检测精度时，就无法满足相应的要求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的缺陷和困难，本发明的目的是提供一种基于时间数字转换（tdc）的光幕靶弹丸测速装置，该装置结构简单，检测精度高，并具有较大的测速范围。

2、实现本发明目的的具体技术方案是：

3、一种基于时间数字转换的光幕靶弹丸测速装置，包括：至少两个悬挂式红外光源、至少两个探测器模块、计时模块和上位机，其中：

4、所述悬挂式红外光源的顶部悬挂有条形红外光源；

5、所述探测器模块对称设置，每个所述悬挂式红外光源置于所述探测器模块的正上方，所述悬挂式红外光源顶部悬挂的条形红外光源与下方所述探测器模块正对；所述探测器模块检测弹丸经过其正上方时产生的光通量变化；

6、所述探测器模块由光学探测结构、高速光电传感器和后处理电路组成；

7、所述光学探测结构由狭缝与多级光学组件构成，用于形成探测区域，并与所述悬挂式红外光源共同构成扇形探测光幕；

8、所述高速光电传感器用于将弹丸穿过光幕时产生的光通量变化转换为原始信号；

9、所述后处理电路用于将原始信号转化为可被所述计时模块接收的电平信号；

10、由所述两个探测器模块与所述两个悬挂式红外光源形成的两个光幕，按照弹丸飞行时经过的先后顺序分别为开始光幕及结束光幕；

11、所述计时模块连接两个探测器模块，接收所述探测器模块产生的电平信号，并基于时间数字转换原理，获取弹丸通过开始光幕时刻tstart、通过结束光幕时刻tstop，计算出弹丸飞行时间δt；

12、所述上位机连接计时模块，接收来自所述计时模块的弹丸飞行时间数据δt，根据δt和已知的所述两个探测器模块距离s计算弹丸的速度。

13、所述每个悬挂式红外光源中心与其下方所述探测器模块中心在竖直方向上重合，并且所述悬挂式红外光源的长边与所述狭缝的长边平行，所述两个探测器模块平行放置，使得形成的两个探测光幕平行。

14、所述狭缝放置于所述多级光学组件的最上方，用以限制所述光学探测结构的探测范围，形成一个扇形的探测区域；所述多级光学组件具备在90°到180°的大视场角，充分接收所述悬挂式红外光源发出的光，并将光源的像逐级缩小至与所述高速光电传感器直径在毫米到微米量级的靶面大小一致，最终聚焦到所述高速光电传感器的靶面上，具体地，所述多级光学组件为相机镜头与透镜和显微物镜的组合、相机镜头与透镜的组合或菲涅尔透镜与透镜的组合。

15、所使用长度在米级的所述悬挂式红外光源，所述探测器模块使用靶面直径在毫米到微米量级的高速光电传感器，所述悬挂式红外光源与所述探测器模块通过所述光学探测结构相互匹配。

16、所述高速光电传感器的时间响应能力达到纳秒到皮秒量级，能有效获取高速弹丸通过光幕时产生的光通量变化信号。

17、所述计时模块内部以基于现场可编程门阵列（fpga）构建的tdc原理记录弹丸通过光幕的时刻。

18、所述计时模块采用粗细计数结合的tdc原理记录弹丸的飞行时间，使用主时钟记录所述探测器模块采集到的电平信号边沿所在周期，该计数结果为粗计数；以细计数计时方法记录电平信号边沿的细计数，包括延迟链法、游标延迟链法、脉冲收缩法或时钟相移法，所述计时模块根据粗计数与细计数的结果得到弹丸通过开始光幕时刻tstart、通过结束光幕时刻tstop，并依据两个时刻计算得到弹丸的飞行时间δt。

19、本发明具有以下优点：

20、一、检测精度高，计时器可以实现皮秒级别的时间分辨精度，同时使用高速光电探测器的探测器模块可以实现纳秒到皮秒级的测量精度；

21、二、可以检测的速度范围大，并能检测各类口径的弹药；

22、三、结构简单，系统主体只需要两套悬挂式红外光源、两套探测器模块和一个计时模块就能完成测量。

技术特征：

1.一种基于时间数字转换的光幕靶弹丸测速装置，其特征在于，包括：至少两个悬挂式红外光源、至少两个探测器模块、计时模块和上位机，其中：

2.根据权利要求1所述的光幕靶弹丸测速装置，其特征在于，所述每个悬挂式红外光源中心与其下方所述探测器模块中心在竖直方向上重合，并且所述悬挂式红外光源的长边与所述狭缝的长边平行，所述两个探测器模块平行放置，使得形成的两个探测光幕平行。

3.根据权利要求1所述的光幕靶弹丸测速装置，其特征在于，所述狭缝放置于所述多级光学组件的最上方，用以限制所述光学探测结构的探测范围，形成一个扇形的探测区域；所述多级光学组件具备在90°到180°的大视场角，充分接收所述悬挂式红外光源发出的光，并将光源的像逐级缩小至与所述高速光电传感器直径在毫米到微米量级的靶面大小一致，最终聚焦到所述高速光电传感器的靶面上，具体地，所述多级光学组件为相机镜头与透镜和显微物镜的组合、相机镜头与透镜的组合或菲涅尔透镜与透镜的组合。

4.根据权利要求1所述的光幕靶弹丸测速装置，其特征在于，使用长度在米级的所述悬挂式红外光源，所述探测器模块使用靶面直径在毫米到微米量级的高速光电传感器，所述悬挂式红外光源与所述探测器模块通过所述光学探测结构相互匹配。

5.根据权利要求3所述的光幕靶弹丸测速装置，其特征在于，所述高速光电传感器的时间响应能力达到纳秒到皮秒量级，能有效获取高速弹丸通过光幕时产生的光通量变化信号。

6.根据权利要求1所述的光幕靶弹丸测速装置，其特征在于，所述计时模块内部以基于现场可编程门阵列（fpga）构建的tdc原理记录弹丸通过光幕的时刻。

7.根据权利要求6所述的光幕靶弹丸测速装置，其特征在于，所述计时模块采用粗细计数结合的tdc原理记录弹丸的飞行时间，使用主时钟记录所述探测器模块采集到的电平信号边沿所在周期，该计数结果为粗计数；以细计数计时方法记录电平信号边沿的细计数，包括延迟链法、游标延迟链法、脉冲收缩法或时钟相移法，所述计时模块根据粗计数与细计数的结果得到弹丸通过开始光幕时刻tstart、通过结束光幕时刻tstop，并依据两个时刻计算得到弹丸的飞行时间δt。

技术总结
本发明提供一种基于时间数字转换的光幕靶弹丸测速装置，包括：至少两套悬挂式红外光源、至少两套探测器模块、一套基于现场可编程门阵列（FPGA）并使用时间数字转换（TDC）原理的计时模块和上位机。地面上对称放置两套探测器模块，每套悬挂式红外光源置于探测器模块的正上方，悬挂式红外光源顶部悬挂条形红外光源，并与下方放置于地面上的探测器模块正对；弹丸经过探测器模块正上方时，探测器模块产生相应的电平信号；计时模块与探测器模块连接，采集探测器模块的电平信号，并将电平信号转化为弹丸的飞行时间；上位机与计时模块连接，根据计时模块返回的弹丸飞行时间计算得出弹丸的飞行速度。本发明结构简单，检测精度高，并具有较大的测速范围。

技术研发人员：张三军,邓伦华,陈凯,戴羿隆
受保护的技术使用者：华东师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23