光幕靶彈著點(diǎn)坐標(biāo)測量方法

蕭云峰，楊丹蕾，王勁松，周旭陽

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院，長春 130012）

激光光幕靶具有使用成本低、操作簡便、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在常規(guī)兵器靶場中常用來測量彈丸的過靶坐標(biāo)、飛行速度及方向角等參數(shù)［1］。我國對光幕靶的研究開始于20世紀(jì)80年代，并取得了較大的進(jìn)展，但在研究過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題如彈著點(diǎn)坐標(biāo)的測量精度難以提高。

近年來，隨著光幕靶在射擊訓(xùn)練及體育賽事上的大范圍應(yīng)用，人們對報靶精度的要求越來越高。而國內(nèi)生產(chǎn)的光幕靶的測量精度大多在2-5mm難以滿足一些專業(yè)比賽的要求，國外生產(chǎn)的設(shè)備如德國一家公司推出的型號為MF6R3的光電靶，可用于測量彈徑從4.5mm到24.13mm的所有子彈，精度可達(dá)到0.1mm，但造價昂貴且維護(hù)升級不便無法大范圍推廣［2-3］。針對這一現(xiàn)狀，基于光電檢測原理設(shè)計了一種彈著點(diǎn)坐標(biāo)測量方法，理論測量精度可達(dá)到1mm。

1 系統(tǒng)原理

該激光靶是由多個半導(dǎo)體激光光源和光敏二極管組成的矩形光幕靶面，如圖1所示。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)透鏡后被擴(kuò)束為發(fā)散角為10°的扇形光幕，將擴(kuò)束后的激光器按照圖1所示的排列方式固定在激光靶的四個邊框上，確保矩形靶內(nèi)的有效探測位置都能夠接收到光線，且每個光電二極管只能接收到一個激光器發(fā)出的光。

圖1 激光光幕圖

光電二極管陣列安放在四個邊框上，其排列方式如圖2所示：以Y軸方向的探測器為例，將光電二極管成線性排列在光幕靶的左右兩個邊框上，按照圖2所示方式對光電二極管排序，相鄰兩個序號之間的中心間距是1.5mm。這種測量方式可以大大降低由光電二極管的排放間距帶來的誤差提高測量精度。光電二極管在反向電壓作用下工作，光照正常的情況下存在較大的光電流，當(dāng)子彈穿過光幕靶時會遮擋從激光器照射到光電二極管的光，此時光電二極管處于截止?fàn)顟B(tài)經(jīng)過后續(xù)電路可以知道發(fā)生信號變化的光電二極管的具體位置，通過計算就可得到子彈的坐標(biāo)。

圖2 光電二極管排列方式

2 信號處理

首先將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后經(jīng)過濾波、放大得到含有坐標(biāo)信息的數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)與非門編碼后暫存在鎖存器中等待CPU讀?。?-5］。與非門同時為CPU提供一個觸發(fā)信號，CPU接到觸發(fā)信號后開始讀取鎖存器中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完成后CPU向鎖存器發(fā)送一個清零信號將鎖存器復(fù)位等待下一發(fā)子彈，如圖3所示。

圖3 信號處理流程圖

高速飛行的子彈穿過光幕時會遮擋照射在光電二極管的激光，光電二極管的狀態(tài)由導(dǎo)通迅速變?yōu)榻刂?，在發(fā)生變化時光電二極管的負(fù)載電路會產(chǎn)生一個伏值為4V左右的脈沖（數(shù)字電路中的邏輯1），而其它沒有被遮擋的光電二極管輸出為邏輯0。根據(jù)高低電平的情況可知道被遮擋的光電二極管的具體位置，再經(jīng)過計算就可得到子彈經(jīng)過靶面時的坐標(biāo)［6］。使用示波器觀測到的脈沖波形，可以看出該脈沖信號在3.3V以上的時間在10μs左右，這個時間遠(yuǎn)大于后一級數(shù)字電路的傳輸延遲，可保證遮擋信息被捕捉到。

3 坐標(biāo)計算方法

通過圖1可知整個光幕可以看做是由多個激光光線交叉點(diǎn)組成，子彈在穿過光幕時會遮擋一定量的交叉點(diǎn)，在關(guān)電二極管陣列上產(chǎn)生投影，使投影范圍內(nèi)的探測器的信號發(fā)生改變。如圖4所示，x1是子彈左側(cè)邊緣切線在光電探測器上的投影，xn為右側(cè)邊緣切線在光電探測器上的投影，-x為子彈質(zhì)心的投影位置。實際測量時-x無法直接測出，本文取X軸方向上所有光通量發(fā)生變化的光電二極管坐標(biāo)平均值代替-x。將所有光電探測器進(jìn)行編號，并將每個探測器的坐標(biāo)信息匯總成表格，計算機(jī)通過接收到的數(shù)據(jù)可知道子彈通過光幕時光通量發(fā)生變化的光電二極管，將這些光電二極管的坐標(biāo)信息與彈丸坐標(biāo)算法相結(jié)合就可求出子彈過靶坐標(biāo)［7］。

圖4 子彈在光電二極管上的投影示意圖

如圖5所示，以有效靶面的幾何中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。設(shè)A(x,y)點(diǎn)為過靶彈丸的質(zhì)心，光幕靶的邊長為L，X2、Y2光通量發(fā)生變化的光電二極管的平均坐標(biāo)的絕對值，X1、Y1是相應(yīng)的激光光源到原點(diǎn)的距離，根據(jù)直角三角形原理可得如下兩組公式：

通過上述分析可知X2、Y2、X1、Y1可直接測得，使用公式（1）可直接求得tanα和tanβ的值，將所求的值帶入公式（2）中就可以求出點(diǎn)A(x,y)的坐標(biāo)。

圖5 坐標(biāo)計算示意圖

4 光電二極管排列對精度影響分析

光幕靶的測量精度與光電二極管的排列密度、激光強(qiáng)度、信號采集電路對光照的敏感程度等因素有關(guān)，其中對誤差影響最大的因素是光電二極管的排列密度。此激光靶選用的光電二極管是長度為2mm的貼片二極管，由于焊接需要兩個相鄰光電二極管之間應(yīng)留出1mm間距，故在單側(cè)接收端兩個光電二極管的中心距為3mm。本激光靶在同一測量方向應(yīng)用兩列光電二極管交叉排列的方式進(jìn)行測量，可將光電二極管的實際中心距降低為1.5mm，這樣誤差就遠(yuǎn)小于1mm，與傳統(tǒng)光電靶坐標(biāo)測量方式相比具有更高的精度。

由光電二極管排列密度帶來的測量誤差可通過圖6所示的方法加以分析。

圖6 精度分析示圖

光敏器件受光面直徑為1.2mm，引起輸出電路翻轉(zhuǎn)的被遮檔光敏器件受光面不超過整個受光面的50%。當(dāng)彈丸軸線的投影恰好與Xi或者Xi±d/2重合時，彈丸坐標(biāo)測量值與實際值相等。當(dāng)彈丸軸線的投影落在（Xi，Xi±d/2）區(qū)間時，誤差分兩種情況：

當(dāng)Xi處的光敏器件被遮擋，Xi-1處的光敏器件被遮擋面積小于50%，這時，只有Xi處一只光敏器件接受到信號，彈道坐標(biāo)測量值為Xi，測量誤差（絕對誤差）為：

式中，i=D/d的整數(shù)部分。

當(dāng)Xi處的光敏器件被遮擋，Xi-1處的光敏器件被遮擋面積大于50%時，Xi和Xi-1處兩只在光敏器件同時接受到信號，彈道坐標(biāo)測量值為Xid/2，測量誤差為：

選取5種通用口徑彈丸，將彈丸直徑帶入公式（3）、（4）可求得使用本激光靶測量這5種子彈彈著點(diǎn)時的理論誤差如表1所示。

表1 5種口徑彈丸坐標(biāo)測量誤差

5 實驗

為了驗證該系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確度，搭建了一個1m×1m的實驗樣機(jī)。用此樣機(jī)進(jìn)行了7.62mm子彈實彈射擊實驗，在實驗中，為了與傳統(tǒng)的紙板靶進(jìn)行比較，在光幕靶的后方懸掛傳統(tǒng)測量坐標(biāo)用的紙板，使紙板與光幕靶的靶平行且紙靶的坐標(biāo)原點(diǎn)與光幕靶的坐標(biāo)原點(diǎn)在同一直線上。當(dāng)射擊子彈時，子彈先穿過光幕靶后穿過紙板，光幕靶測試系統(tǒng)采集光通量發(fā)生變化的光電二極管的位置信息，結(jié)合彈丸坐標(biāo)算法將子彈通過光幕時的坐標(biāo)顯示出來，穿過紙板的坐標(biāo)就是彈孔在紙板上留下的痕跡。采用高分辨率相機(jī)抓取紙靶圖片，通過圖像處理求得各個彈著點(diǎn)的坐標(biāo)并驗證光幕靶的測量精度。如表2所示，為光幕靶顯示坐標(biāo)與紙靶測量坐標(biāo)的對比結(jié)果，由表中數(shù)據(jù)可以看出該坐標(biāo)測量方法可實現(xiàn)測量精度為1mm的設(shè)計要求。

表2 光幕靶和紙靶的測量結(jié)果

6 結(jié)論

光幕激光靶在兵工生產(chǎn)、軍事訓(xùn)練、射擊比賽等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，隨著各種新型技術(shù)的不斷應(yīng)用對光幕靶測量精度的要求越來越高。為了提高光幕靶的報靶精度，本文在傳統(tǒng)光幕靶的基礎(chǔ)上提出了一種新型坐標(biāo)測量方法，采用發(fā)散角為10°的扇形激光器為光源，交錯排列的光電二極管作為探測器，完成了坐標(biāo)算法推導(dǎo)，最后通過實驗驗證了系統(tǒng)的精度可達(dá)到設(shè)計要求的1mm。這一精度在國內(nèi)已處于領(lǐng)先地位，但與國外同類產(chǎn)品相比仍有一定差距，后續(xù)可通過采用多層探測器或電路細(xì)分的方式進(jìn)一步提高測量精度。

參考文獻(xiàn)

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