反射式激光幕測速裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于火炮射彈初速測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種反射式激光幕測速裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的測速裝置包括：第一激光幕系統(tǒng)、第二激光幕系統(tǒng)及信號處理器；所述激光幕系包括：扇形激光器、成像鏡頭、光學(xué)狹縫、窄帶濾光片以及光電探測器；該方案對炮火初速進行校準(zhǔn)，其相隔預(yù)設(shè)定間距的激光幕結(jié)構(gòu)，依靠彈丸通過時產(chǎn)生的反射光，光電探測器將攜帶時間差的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，信號處理器對電信號進行分析，結(jié)合預(yù)設(shè)定的間距，從而解算出彈丸在經(jīng)過兩個扇形面光源間的平均速度。其測速精度不大于0.5‰，不僅能夠提供高精度的炮彈初速測量工藝，同時亦滿足運載輕便、測量口徑適用范圍廣的要求。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于火炮射彈初速測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種反射式激光幕測速裝置。 反射式激光幕測速裝置

【背景技術(shù)】
[0002] 在火炮及彈藥設(shè)計和生產(chǎn)過程中，炮彈的初速是重要技術(shù)指標(biāo)之一，從而，初速測 量設(shè)備也是火炮及彈藥設(shè)計和生產(chǎn)部門的必裝設(shè)備。目前，常規(guī)使用的初速測量設(shè)備存在 很多種類，其中，基于區(qū)截測量原理的有：通斷網(wǎng)靶、線圈靶、天幕靶、框架式激光靶等等。這 一類初速測量設(shè)備的測量原理為：在已知靶距的前提下，測取炮彈的過靶時間，計算靶距中 點位置的平均速度。此外，還有借助于測速雷達來進行測量的方案，這類方案則是通過多普 勒原理來進行測速。
[0003] 現(xiàn)有的基于區(qū)截測量原理的初速測量設(shè)備由于種種原因，基本都存在現(xiàn)場靶距長 度誤差大、炮彈過靶時間測量不夠準(zhǔn)確、抑或測量火炮口徑范圍受限等問題；而對于多普勒 測速雷達，則在測速點位置存在不確定性的問題，其測速精度誤差達到1%。左右，難以滿足 精度方面的要求。
[0004] 有鑒于此，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，如何改善現(xiàn)有技術(shù)中炮彈初速測量過程精 度不足的現(xiàn)狀，已成為當(dāng)前迫切需要解決的重要問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] (一）要解決的技術(shù)問題
[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，如何提供一種炮彈初速測量裝置，通過該裝置能夠 提供高精度的炮彈初速測量工藝，同時亦需滿足運載輕便、測量口徑適用范圍廣的要求。
[0007] (二）技術(shù)方案
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種反射式激光幕測速裝置，所述測速裝置包 括：第一激光幕系統(tǒng)、第二激光幕系統(tǒng)及信號處理器；所述兩套激光幕系統(tǒng)分別包括：扇形 激光器、成像鏡頭、光學(xué)狹縫、窄帶濾光片以及光電探測器；
[0009] 所述兩個扇形激光器分為第一扇形激光器及第二扇形激光器，每一所述扇形激光 器均為超薄的扇形面光源，其設(shè)置為光源發(fā)出后形成的扇形面垂直于彈丸運動方向，所述 兩個扇形激光器沿彈丸的發(fā)射方向相隔預(yù)設(shè)定的距離依次設(shè)置，以使得彈丸出膛后以垂直 的角度依次穿過所述第一扇形激光器及第二扇形激光器的扇形面光源；
[0010] 所述兩個光電探測器也分為第一光電探測器及第二光電探測器，所述兩個光電探 測器分別對應(yīng)緊貼設(shè)置于所述第一扇形激光器及第二扇形激光器上；在所述兩個光電探測 器上方，分別設(shè)置有一成像鏡頭、一光學(xué)狹縫以及一窄帶濾光片，所述光電探測器、成像鏡 頭、光學(xué)狹縫以及窄帶濾光片均與對應(yīng)扇形激光器的扇形面光源處于同一平面內(nèi)；
[0011] 所述兩個光電探測器分別連接所述信號處理器。
[0012] 其中，每一所述扇形激光器均連接設(shè)有一激光器驅(qū)動電源。
[0013] 其中，所述第一激光幕系統(tǒng)及第二激光幕系統(tǒng)各自設(shè)置有一機械轉(zhuǎn)臺支撐結(jié)構(gòu)；
[0014] 每個所述機械轉(zhuǎn)臺支撐結(jié)構(gòu)中設(shè)可固定于地面的底座，所述底座上設(shè)有螺絲孔 組，所述螺絲孔組通過螺絲可拆卸地設(shè)置可沿水平方向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺，所述轉(zhuǎn)臺上部設(shè)有可 前后移動的拉桿絲杠，所述拉桿絲杠上部設(shè)有固定支架，該固定支架通過可轉(zhuǎn)動的連接軸 來與所述激光幕系統(tǒng)相連接。
[0015] 其中，每一所述扇形激光器所發(fā)出的為頻率在630nm?680nm且厚度為4mm?6mm 的紅光。
[0016] 其中，每一所述扇形激光器的功率不高于1W。
[0017] (三）有益效果
[0018] 本發(fā)明技術(shù)方案所提供的反射式激光幕測速裝置，用于對炮火初速進行測量，其 設(shè)置兩套相隔預(yù)設(shè)定間距的激光幕結(jié)構(gòu)，依靠彈丸通過時產(chǎn)生的反射光，光電探測器將攜 帶時間差的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，信號處理器對電信號進行分析，結(jié)合預(yù)設(shè)定的間距，從而 解算出彈丸在經(jīng)過兩個扇形面光源期間的平均速度。經(jīng)大量實彈驗證，其測速精度不大于 0.5%。，屬國內(nèi)首創(chuàng)，尚無國外測試方案可以借鑒，其不僅能夠提供高精度的炮彈初速測量 工藝，同時亦滿足運載輕便、測量口徑適用范圍廣的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1及圖2為本發(fā)明技術(shù)方案中激光幕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖3為本發(fā)明技術(shù)方案中激光幕系統(tǒng)搭載于機械轉(zhuǎn)臺支撐結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 【附圖標(biāo)記說明】
[0022] 11 :第一扇形激光器；12 :第二扇形激光器；
[0023] 21 :第一光電探測器；22 :第二光電探測器；
[0024] 31/32 :成像鏡頭；4 :彈丸；51 :激光器驅(qū)動電源；
[0025] 61 :光學(xué)隙縫；71 :窄帶濾光片；8 :信號處理器；
[0026] 91 :機械轉(zhuǎn)臺支撐結(jié)構(gòu)；

【具體實施方式】
[0027] 為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的

【具體實施方式】作進一步詳細(xì)描述。
[0028] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提供一種反射式激光幕測速裝置，其主要涉及 超簿激光幕發(fā)生技術(shù)、快速響應(yīng)高靈敏度的微弱光電信號探測和濾波技術(shù)、高速信息采集 和超高射頻連發(fā)測速記錄存儲技術(shù)、精準(zhǔn)靶距測量技術(shù)；具有小型輕便、測量準(zhǔn)確度高和測 量口徑適用范圍寬的特點；專門用于對常規(guī)初速測量設(shè)備的定期靶場計量和校準(zhǔn)。具體而 言，所述測速裝置包括：第一激光幕系統(tǒng)、第二激光幕系統(tǒng)及信號處理器；所述兩套激光幕 系統(tǒng)分別包括：扇形激光器、成像鏡頭、光學(xué)狹縫、窄帶濾光片以及光電探測器；
[0029] 如圖1及圖2所示，所述兩個扇形激光器分為第一扇形激光器11及第二扇形激光 器12,每一所述扇形激光器均為超薄的扇形面光源，其設(shè)置為光源發(fā)出后形成的扇形面垂 直于彈丸4的運動方向，所述兩個扇形激光器沿彈丸的發(fā)射方向相隔預(yù)設(shè)定的距離依次設(shè) 置，以使得彈丸出膛后以垂直的角度依次穿過所述第一扇形激光器11及第二扇形激光器 12的扇形面光源；
[0030] 所述兩個光電探測器也分為第一光電探測器21及第二光電探測器22,所述兩個 光電探測器分別對應(yīng)緊貼設(shè)置于所述第一扇形激光器11及第二扇形激光器12上；在所述 兩個光電探測器上方，分別設(shè)置有一成像鏡頭31/32、一光學(xué)狹縫以及一窄帶濾光片，所述 光電探測器、成像鏡頭、光學(xué)狹縫以及窄帶濾光片均與對應(yīng)扇形激光器的扇形面光源處于 同一平面內(nèi)；
[0031] 所述兩個光電探測器分別連接所述信號處理器，彈丸通過所述第一扇形激光器11 及第二扇形激光器12的扇形面光源時，分別產(chǎn)生具有時間差的兩束發(fā)射光，兩束反射光分 別經(jīng)光學(xué)狹縫、窄帶濾光片及成像鏡頭后成像于不同的光電探測器上，通過光電探測器將 光信號生成電信號，再由信號處理器分析解算含有時間差數(shù)據(jù)的電信號，最終生成彈丸在 經(jīng)過第一扇形激光器11及第二扇形激光器12的扇形面光源期間的平均速度。每一所述扇 形激光器均連接設(shè)有一激光器驅(qū)動電源。
[0032] 所述第一激光幕系統(tǒng)11及第二激光幕系統(tǒng)12各自設(shè)置有一機械轉(zhuǎn)臺支撐結(jié)構(gòu)； 每個所述機械轉(zhuǎn)臺支撐結(jié)構(gòu)中設(shè)可固定于地面的底座，所述底座上設(shè)有螺絲孔組，所述螺 絲孔組通過螺絲可拆卸地設(shè)置可沿水平方向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺，所述轉(zhuǎn)臺上部設(shè)有可前后移動的 拉桿絲杠，所述拉桿絲杠上部設(shè)有固定支架，該固定支架通過可轉(zhuǎn)動的連接軸來與所述激 光辱系統(tǒng)相連接。
[0033] 上述技術(shù)方案適用于野外試驗場環(huán)境，屬于非接觸式區(qū)截裝置平均速度測量原 理，其測速原理如下：平行放置距離為L的兩個扇形激光器，形成兩相距L的扇形激光幕。 當(dāng)沒有彈丸遮擋激光扇面時，激光射向空中，一去不返，探測器就不會收到明亮的反射光信 號。當(dāng)有彈丸經(jīng)過扇形區(qū)域時，就被扇形激光束照亮，照亮區(qū)域為一條線形亮帶。從探測器 里看到的是一條短亮線。通常固體目標(biāo)表面都會有一定的反射率，彈丸也一樣，由于激光束 很明亮，因此該亮線比較明顯。從而，當(dāng)彈丸通過激光幕時，會部分擋住激光光束，有部分激 光被反射回來，使用光電探測器捕獲該反射信號的時刻，并記錄下彈丸通過兩激光幕的時 間，就獲得彈丸在區(qū)間內(nèi)的飛行時間T。從而計算出平均速度V，即：V = L/T。
[0034] 扇形激光器所發(fā)出的光線為頻率為630?680nm，厚度為4mm?6mm的紅光，較為 醒目，光束質(zhì)量高，易于觀察對準(zhǔn)。其厚度約4_有利于彈丸位置標(biāo)記精度的提高。定制1W 功率激光器體積和重量都較小。但是功率在1W以上時成本和體積重量迅速增大。出于體 積、重量和成本的考慮，優(yōu)選功率不高于1W的激光器。
[0035] 激光器驅(qū)動控制電源半導(dǎo)體激光器（LD)與驅(qū)動發(fā)光二極管（LED)不同，一定功率 以上的半導(dǎo)體激光器對驅(qū)動電源的要求比較高。
[0036] 對于激光器的設(shè)置條件如下：
[0037] (1)溫度控制：當(dāng)激光器的溫度超過一定值時，激光器功率輸出不穩(wěn)定，且會永久 損壞。因此驅(qū)動電源必須有恒溫控制系統(tǒng)，保證半導(dǎo)體激光器工作溫度在允許范圍內(nèi)，且輸 出功率穩(wěn)定。
[0038] (2)浪涌電流：半導(dǎo)體激光器為低壓大電流驅(qū)動，正向電流從幾十毫安到十幾安 培，而電壓基本上小于5V。因此在啟動和工作時極易受浪涌大電流沖擊而永久損壞，所以驅(qū) 動電源必須有可靠的浪涌電流消除性能。
[0039] (3)輸出光功率的調(diào)制：在本方案中希望在沒有彈丸射擊時能夠檢查系統(tǒng)是否能 夠正常觸發(fā)。由于信號濾波電路的的低頻濾波功能，需要采用標(biāo)記激光器快速閃爍，模擬彈 丸的快速通過，產(chǎn)生觸發(fā)信號，檢測系統(tǒng)的各個測量功能模塊是否正常工作。激光器功率越 大，調(diào)制起來就越復(fù)雜，達到的允許調(diào)制頻率就越低。設(shè)計的調(diào)制頻率為20KHz，優(yōu)良的激光 器驅(qū)動電源能夠達到該指標(biāo)。
[0040] 上述技術(shù)方案中，成像鏡頭用于匯聚來自彈丸上激光的反射光線。考慮到彈丸對 激光的反射和散射方向，激光器與鏡頭盡量靠近，這樣反射散射光的接收方向與標(biāo)記激光 的入射方向非常接近，基本上能夠收集到最多的反射散射光線。
[0041] 此外，由于彈丸表面有一定的粗糙度，不是鏡面反射，而是一定角度范圍的散射， 所以能夠有效接收彈丸反射散射的激光是能否實現(xiàn)有效探測的關(guān)鍵。因此，本發(fā)明技術(shù)方 案設(shè)置光學(xué)狹縫的作用是讓彈丸反射激光的光線能夠全部到達探測器，攔截掉非激光反射 以外的背景光，提高光電信號的信噪比，能使不同距離的標(biāo)記激光斑成像全部落在狹縫內(nèi)。 [0042] 而窄帶濾光片的作用則是只允許激光波長范圍內(nèi)的光線進入探測器，濾除范圍以 外的所有光線。窄帶濾光片的中心波長與光源激光器的發(fā)射波長相匹配。如果采用650nm 的激光器，貝1J窄帶濾光片的中心波長為650nm，帶寬為±10nm。
[0043] 對于光電探測器的選擇，盡管光電探測器有許多種，但是滿足本發(fā)明需求的探測 器不多。本技術(shù)方案的光電探測器要求線型形狀、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)范圍與標(biāo)記激光器 波長匹配，暗電流小，且靈敏度高。
[0044] 本技術(shù)方案中優(yōu)選的高速探測器，設(shè)計參數(shù)要求如下：
[0045] 光敏面： 30 X 1. 5 (mm)
[0046] 光譜范圍 R : 0· 4 ?1. 1 (m)
[0047] 暗電流密度ID: 58nA
[0048] 響應(yīng)度 Re : 0. 5 μ Α/ μ W ( □ = 0. 9m)
[0049] 結(jié)電容 Cj: 250pF
[0050] 工作溫度范圍TR: 40°C?60°C
[0051] 對于信號處理器，由于探測的是彈丸的反射散射激光，因此原始信號幅度較小，且 包含背景光直流信號、背景光交流噪聲和其它隨機干擾噪聲。同時彈丸速度較快，不僅頻率 較高，而且頻帶寬度有特定要求，所以光電信號處理需要進行細(xì)致的設(shè)計和試驗。要求如 下：
[0052] 放大調(diào)理過程是從背景噪聲信號中提取弱光電信號的過程，首先對光信號和背景 光信號的頻譜進行分析，根據(jù)實驗，找出探測信號的頻譜范圍。其次根據(jù)其頻譜進行高通、 低通、帶通和帶阻濾波，最后獲得反射的光信號的前沿波形。淹沒在強干擾背景噪聲中的反 射光電信號將被提取出來。放大、濾波調(diào)理后的信號經(jīng)過驅(qū)動電路，送到信號控制系統(tǒng)中。 在控制系統(tǒng)中解算處理得到彈丸速度，然后傳送到遠程計算機顯示輸出。
[0053] 在現(xiàn)場測量火炮發(fā)射的彈丸速度時，將測速裝置根據(jù)不同口徑火炮初速測量要求 安放在火炮前方一定的距離。在火炮處于水平射角條件下，通過機械轉(zhuǎn)臺支撐結(jié)構(gòu)調(diào)校激 光器光幕平面與火炮炮管軸線垂直，該機械轉(zhuǎn)臺支撐結(jié)構(gòu)如圖3所示，其設(shè)有兩套，分別通 過與前述第一激光幕系統(tǒng)及第二激光幕系統(tǒng)的連接軸實現(xiàn)激光幕系統(tǒng)的俯仰轉(zhuǎn)動；通過機 械轉(zhuǎn)臺支撐結(jié)構(gòu)中拉桿絲杠實現(xiàn)激光幕系統(tǒng)的單方向平移；通過機械轉(zhuǎn)臺支撐結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn) 臺實現(xiàn)激光幕系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動；通過機械轉(zhuǎn)臺支撐結(jié)構(gòu)底座上的四個可調(diào)螺絲實現(xiàn)激光幕系統(tǒng) 的水平調(diào)節(jié)。
[0054] 當(dāng)火炮射擊后，彈丸先后經(jīng)過兩層激光幕，得到兩層光幕中點的速度平均值。被校 準(zhǔn)的測速設(shè)備安裝方式與此相同，它也要測量出兩光幕中點位置的彈速，通過兩者比較計 算，給出對被校準(zhǔn)測速設(shè)備的修正量。
[0055] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種反射式激光幕測速裝置，其特征在于，所述測速裝置包括：第一激光幕系統(tǒng)、第 二激光幕系統(tǒng)及信號處理器；所述兩套激光幕系統(tǒng)分別包括：扇形激光器、成像鏡頭、光學(xué) 狹縫、窄帶濾光片以及光電探測器； 所述兩個扇形激光器分為第一扇形激光器及第二扇形激光器，每一所述扇形激光器均 為超薄的扇形面光源，其設(shè)置為光源發(fā)出后形成的扇形面垂直于彈丸運動方向，所述兩個 扇形激光器沿彈丸的發(fā)射方向相隔預(yù)設(shè)定的距離依次設(shè)置，以使得彈丸出膛后以垂直的角 度依次穿過所述第一扇形激光器及第二扇形激光器的扇形面光源； 所述兩個光電探測器也分為第一光電探測器及第二光電探測器，所述兩個光電探測器 分別對應(yīng)緊貼設(shè)置于所述第一扇形激光器及第二扇形激光器上；在所述兩個光電探測器上 方，分別設(shè)置有一成像鏡頭、一光學(xué)狹縫以及一窄帶濾光片，所述光電探測器、成像鏡頭、光 學(xué)狹縫以及窄帶濾光片均與對應(yīng)扇形激光器的扇形面光源處于同一平面內(nèi)； 所述兩個光電探測器分別連接所述信號處理器。
2. 如權(quán)利要求1所述的反射式激光幕測速裝置，其特征在于，每一所述扇形激光器均 連接設(shè)有一激光器驅(qū)動電源。
3. 如權(quán)利要求1所述的反射式激光幕測速裝置，其特征在于，所述第一激光幕系統(tǒng)及 第二激光幕系統(tǒng)各自設(shè)置有一機械轉(zhuǎn)臺支撐結(jié)構(gòu)； 每個所述機械轉(zhuǎn)臺支撐結(jié)構(gòu)中設(shè)可固定于地面的底座，所述底座上設(shè)有螺絲孔組，所 述螺絲孔組通過螺絲可拆卸地設(shè)置可沿水平方向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺，所述轉(zhuǎn)臺上部設(shè)有可前后移 動的拉桿絲杠，所述拉桿絲杠上部設(shè)有固定支架，該固定支架通過可轉(zhuǎn)動的連接軸來與所 述激光幕系統(tǒng)相連接。
4. 如權(quán)利要求1所述的反射式激光幕測速裝置，其特征在于，每一所述扇形激光器所 發(fā)出的為頻率在630nm?680nm且厚度為4mm?6mm的紅光。
5. 如權(quán)利要求1所述的反射式激光幕測速裝置，其特征在于，每一所述扇形激光器的 功率不尚于1W。
【文檔編號】G01P11/00GK104101727SQ201310120399
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月9日
【發(fā)明者】高進, 周大錚, 靳京民, 李超位, 鈔紅曉, 邵小軍, 許鎮(zhèn)寰, 郭旻, 張倩, 焦明剛, 馬茂冬, 洪麗娜, 劉朋科, 曹馨, 張鵬飛 申請人:中國兵器工業(yè)第二〇二研究所