光幕靶彈著點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量方法

蕭云峰，楊丹蕾，王勁松，周旭陽(yáng)

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

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

近年來(lái)，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(duì)報(bào)靶精度的要求越來(lái)越高。而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的光幕靶的測(cè)量精度大多在2-5mm難以滿(mǎn)足一些專(zhuān)業(yè)比賽的要求，國(guó)外生產(chǎn)的設(shè)備如德國(guó)一家公司推出的型號(hào)為MF6R3的光電靶，可用于測(cè)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(jià)昂貴且維護(hù)升級(jí)不便無(wú)法大范圍推廣［2-3］。針對(duì)這一現(xiàn)狀，基于光電檢測(cè)原理設(shè)計(jì)了一種彈著點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量方法，理論測(cè)量精度可達(dá)到1mm。

1 系統(tǒng)原理

該激光靶是由多個(gè)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?qǐng)D1所示的排列方式固定在激光靶的四個(gè)邊框上，確保矩形靶內(nèi)的有效探測(cè)位置都能夠接收到光線，且每個(gè)光電二極管只能接收到一個(gè)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(gè)邊框上，其排列方式如圖2所示：以Y軸方向的探測(cè)器為例，將光電二極管成線性排列在光幕靶的左右兩個(gè)邊框上，按照?qǐng)D2所示方式對(duì)光電二極管排序，相鄰兩個(gè)序號(hào)之間的中心間距是1.5mm。這種測(cè)量方式可以大大降低由光電二極管的排放間距帶來(lái)的誤差提高測(cè)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(guò)光幕靶時(shí)會(huì)遮擋從激光器照射到光電二極管的光，此時(shí)光電二極管處于截止?fàn)顟B(tài)經(jīng)過(guò)后續(xù)電路可以知道發(fā)生信號(hào)變化的光電二極管的具體位置，通過(guò)計(jì)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(hào)處理

首先將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)濾波、放大得到含有坐標(biāo)信息的數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)與非門(mén)編碼后暫存在鎖存器中等待CPU讀?。?-5］。與非門(mén)同時(shí)為CPU提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，CPU接到觸發(fā)信號(hào)后開(kāi)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(gè)清零信號(hào)將鎖存器復(fù)位等待下一發(fā)子彈，如圖3所示。

圖3 信號(hào)處理流程圖

高速飛行的子彈穿過(guò)光幕時(shí)會(huì)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(shí)光電二極管的負(fù)載電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)伏值為4V左右的脈沖（數(shù)字電路中的邏輯1），而其它沒(méi)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(guò)計(jì)算就可得到子彈經(jīng)過(guò)靶面時(shí)的坐標(biāo)［6］。使用示波器觀測(cè)到的脈沖波形，可以看出該脈沖信號(hào)在3.3V以上的時(shí)間在10μs左右，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)大于后一級(jí)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(jì)算方法

通過(guò)圖1可知整個(gè)光幕可以看做是由多個(gè)激光光線交叉點(diǎn)組成，子彈在穿過(guò)光幕時(shí)會(huì)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(cè)器的信號(hào)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(cè)器上的投影，xn為右側(cè)邊緣切線在光電探測(cè)器上的投影，-x為子彈質(zhì)心的投影位置。實(shí)際測(cè)量時(shí)-x無(wú)法直接測(cè)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(cè)器進(jìn)行編號(hào)，并將每個(gè)探測(cè)器的坐標(biāo)信息匯總成表格，計(jì)算機(jī)通過(guò)接收到的數(shù)據(jù)可知道子彈通過(guò)光幕時(shí)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(guò)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(guò)靶彈丸的質(zhì)心，光幕靶的邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，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(duì)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(guò)上述分析可知X2、Y2、X1、Y1可直接測(cè)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(jì)算示意圖

4 光電二極管排列對(duì)精度影響分析

光幕靶的測(cè)量精度與光電二極管的排列密度、激光強(qiáng)度、信號(hào)采集電路對(duì)光照的敏感程度等因素有關(guān)，其中對(duì)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(zhǎng)度為2mm的貼片二極管，由于焊接需要兩個(gè)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(gè)光電二極管的中心距為3mm。本激光靶在同一測(cè)量方向應(yīng)用兩列光電二極管交叉排列的方式進(jìn)行測(cè)量，可將光電二極管的實(shí)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(cè)量方式相比具有更高的精度。

由光電二極管排列密度帶來(lái)的測(cè)量誤差可通過(guò)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(guò)整個(gè)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(shí)，彈丸坐標(biāo)測(cè)量值與實(shí)際值相等。當(dāng)彈丸軸線的投影落在（Xi，Xi±d/2）區(qū)間時(shí)，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(shí)，只有Xi處一只光敏器件接受到信號(hào)，彈道坐標(biāo)測(cè)量值為Xi，測(cè)量誤差（絕對(duì)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(shí)，Xi和Xi-1處兩只在光敏器件同時(shí)接受到信號(hào)，彈道坐標(biāo)測(cè)量值為Xid/2，測(cè)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(cè)量這5種子彈彈著點(diǎn)時(shí)的理論誤差如表1所示。

表1 5種口徑彈丸坐標(biāo)測(cè)量誤差

5 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確度，搭建了一個(gè)1m×1m的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。用此樣機(jī)進(jìn)行了7.62mm子彈實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)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(cè)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(shí)，子彈先穿過(guò)光幕靶后穿過(guò)紙板，光幕靶測(cè)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(guò)光幕時(shí)的坐標(biāo)顯示出來(lái)，穿過(guò)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(guò)圖像處理求得各個(gè)彈著點(diǎn)的坐標(biāo)并驗(yàn)證光幕靶的測(cè)量精度。如表2所示，為光幕靶顯示坐標(biāo)與紙靶測(cè)量坐標(biāo)的對(duì)比結(jié)果，由表中數(shù)據(jù)可以看出該坐標(biāo)測(cè)量方法可實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度為1mm的設(shè)計(jì)要求。

表2 光幕靶和紙靶的測(cè)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(duì)光幕靶測(cè)量精度的要求越來(lái)越高。為了提高光幕靶的報(bào)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(cè)量方法，采用發(fā)散角為10°的扇形激光器為光源，交錯(cuò)排列的光電二極管作為探測(cè)器，完成了坐標(biāo)算法推導(dǎo)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的精度可達(dá)到設(shè)計(jì)要求的1mm。這一精度在國(guó)內(nèi)已處于領(lǐng)先地位，但與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比仍有一定差距，后續(xù)可通過(guò)采用多層探測(cè)器或電路細(xì)分的方式進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

參考文獻(xiàn)

［1］ 蔡榮立，倪晉平，田會(huì).光幕靶技術(shù)研究進(jìn)展［J］.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（8）：603-610.

［2］ 陳雄.單光幕激光立靶關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安：西安工業(yè)大學(xué)，2016.

［3］ 梁金輝，趙冬娥，董娟.光電靶的設(shè)計(jì)與改進(jìn)［J］.激光技術(shù)，2008，32（5）：456-459.

［4］ 姜三平，郝曉劍，單新云.基于激光光幕和光電二極管陣列的立靶坐標(biāo)測(cè)量［J］.彈道學(xué)報(bào)，2011（3）：89-92.

［5］ 董濤，倪晉平，高芬，等.大靶面激光光幕靶研究［J］.工具技術(shù)，2010，44（6）：85-87.

［6］ 李翰山，高俊釵，雷志勇，等.光電探測(cè)靶探測(cè)性能分析［J］.電光與控制，2008，15（7）：71-74.

［7］ 馮斌，倪晉平，楊雷.六光幕結(jié)構(gòu)立靶坐標(biāo)測(cè)量原理［J］.彈道學(xué)報(bào)，2008，20（1）：59-61.