CN113189363A - 一种基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，电光偏转驱动器能够分别驱动第一激光器和第二激光器获得启动激光扫描光束和停止激光扫描光束，光束被高速弹丸遮挡时返回功率强，系统的灵敏度高，光路中可省去传统的合作目标；相对于采用调制光源的光路系统可获得更高响应带宽，相对于采用大功率激光光源的方法，具有更好的安全性和可靠性；激光器、球面反射镜、光电探测器为一体化设计，结构紧凑，便于构建小型化、便携式系统；采用大口径球面反射镜作为反射光收集器件，收集率高，可获得更好的灵敏度，可胜任直径小于3mm，速度大于2000m/s的弹丸或飞片的速度测量。
Description
技术领域
本发明涉及高速目标的激光测速领域，特别是涉及一种基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置。
背景技术
物体的速度是衡量其运动性能参数的重要表征，对运动物体速度及其变化规律的测试则起着举足轻重的作用。在制式弹丸(常规枪、炮)、新型电磁武器、特种弹瞬态速度的测试(如爆炸成型弹(EFP)、射流、脱壳穿甲弹等)、高速破片等武器装备研究领域中，速度的测试又具有其特殊性和挑战性。目前高速目标速度测试存在以下问题：
(1)武器参数测试环境十分恶劣，存在火光、振动、冲击、烟尘、电磁辐射等多种破坏和干扰因素，传统的接触式测试手段常常是只能单次使用，漏测或异常数据时有发生，又无迹可寻；
(2)目标尺寸分布广、速度范围宽，要求测试系统兼顾灵敏度和响应速度，电子系统要具有较大的带宽，光学成像方法要求具有高分辨率和幅率；
(3)在不同靶位弹着点分布范围较大，在外弹道和终点弹道弹着分布范围大差距较大，要求测试系统有效区域大，且数据捕捉率高，若采用成像法要求具有大景深空间，速度分析需要考虑斜入射引起的靶距误差；
(4)多目标参数各异，如头破片与尾破片速度相差很大，自然破片尺寸各异，预制破片由于不同位置所受到的力学作用机理复杂，动态参数差别也较大。这就要求测试系统要有很好的适应能力，并对破片场毁伤效能的评估要由综合多破片参数得出。因此，采样要完整，单纯获得部分数据无法全面准确的作出评价；
(5)不同武器装备以及不同研制阶段对测试场地要求不固定，测试场地可能式室内封闭靶道(人工照明)、室外靶道(自然照明)、野外靶场或水上靶场，要求设备具有便携性、方便布设等战术指标；
速度测量是基于光、电、磁、声等物理效应原理的计量技术，融合了光学、电磁学、声学、半导体材料、信息技术等多个学科；在实际生产生活和科学研究中，速度测量技术不断朝着高分辨率、高精度、大量程、小型化、恶劣环境等方向发展。近年来，随着光电技术和材料科学等新技术的迅猛发展，速度测量技术产生了很多种类，从测量方式上主要有接触式和非接触式，从技术特点上大致分为机械法、声测法、电测法、光测法等，不同的测量方法有其的适用范围和局限性，被应用于不同测量领域。基于激光光幕的定距测时测速法因其具有可重复、高精度、大有效测试区域而成为主要测试手段之一。目前主要有以下几种方式构建系统，第一，采用框架对射式结构，激光光源经过整形后直接投射到光电探测器，该方法技术成熟，灵敏度高，但是体积较大，不便于野外携带和使用，适用于弹道规律的目标；第二，采用收发一体化光路配合反射合作目标使用，该方法主机体积缩小，便携性增强，合作目标低成本，损坏可以及时更换，但是布设仍然不便；第三，采用大功率主动光源或者调制光源收发一体结构，无需合作反射结构，便携性进一步增强，但是如果采用大功率激光光源，系统能耗高、操作人员的皮肤和眼睛存在被激光激光辐射损伤的风险，采用调制激光光源受调制频率和功率的影响，测速上限和灵敏度较低。
因此，亟需一种基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，能够使光束被高速弹丸遮挡时返回功率强，系统的灵敏度高，光路中可省去传统的合作目标。相对于采用调制光源的光路系统可获得更高响应带宽，相对于采用大功率激光光源的方法，具有更好的安全性和可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，以解决上述现有基于激光光幕的定距测时测速装置结构较为复杂、不便实施、安全性差且精度较低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，包括光电偏转驱动器，所述光电偏转驱动器分别电性连接有第一激光器和第二激光器；
所述第一激光器的发射端设有第一球面反射镜，所示第一球面反射镜的中心开设有第一通孔，所述第一激光器通过所述第一通孔发射启动激光扫描光束；
所述第二激光器的发射端设有第二球面反射镜，所述第二球面反射镜的中心开设有第二通孔，所述第二激光器通过所述第二通孔发射停止激光扫描光束；
高速弹丸先后飞过所述启动激光扫描光束和所述停止激光扫描光束；
所述第一球面反射镜的外侧设有第一光电探测器，所述第二球面反射镜的外侧设有第二光电探测器，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器均与光电放大器电性连接，所述光电放大器通过信号调理电路与上位机电性连接。
优选地，所述第一激光器和所述第二激光器的功率均为1W。
优选地，所述启动激光扫描光束和所述停止激光扫描光束的波长均为630nm，光斑大小均为0.5mm，扫描频率均为10MHz，扫描角度均为30°。
优选地，所述高速弹丸的尺寸小于3mm，其速度大于2000m/s。
优选地，所述第一球面反射镜和所述第二球面反射镜的直径均为100mm，其表面均镀有铝反射膜层。
优选地，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器均采用PIN型光电二极管，其结电容为30pF，灵敏度为0.63A/W，响应时间为200ns，峰值响应波长为700nm。
优选地，所述PIN型光电二极管的表面为16个光敏管单元阵列而成的条形光敏面，所述条形光敏面的尺寸为18mm×5mm。
优选地，所述光电放大器采用光导型电流-电压转换模式，其放大供电电压为±15V，带宽为DC～100MHz。
优选地，所述信号调理电路输出电压为±10V，噪声低于100mV。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
1、本发明提供的一种基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，电光偏转驱动器能够分别驱动第一激光器和第二激光器获得扫描频率为10MH z、扫描角度均为30°的启动激光扫描光束和停止激光扫描光束，光束被高速弹丸遮挡时返回功率强，系统的灵敏度高，光路中可省去传统的合作目标；相对于采用调制光源的光路系统可获得更高响应带宽，相对于采用大功率激光光源的方法，具有更好的安全性和可靠性。
2、本发明提供的一种基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置中，激光器、球面反射镜、光电探测器为一体化设计，结构紧凑，便于构建小型化、便携式系统；采用大口径球面反射镜作为反射光收集器件，收集率高，可获得更好的灵敏度，可胜任直径小于3mm，速度大于2000m/s的弹丸或飞片的速度测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置结构示意图；
图中：1：光电偏转驱动器、2：第一激光器、3：第二激光器、4：第一球面反射镜、5：启动激光扫描光束、6：第二球面反射镜、7：停止激光扫描光束、8：高速弹丸、9：第一光电探测器、10：第二光电探测器、11：光电放大器、12：信号调理电路、13：上位机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，以解决现有基于激光光幕的定距测时测速装置结构较为复杂、不便实施、安全性差且精度较低的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
本实施例提供一种基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，包括光电偏转驱动器1，光电偏转驱动器1分别电性连接有第一激光器2和第二激光器3；第一激光器2的发射端设有第一球面反射镜4，所示第一球面反射镜4的中心开设有第一通孔，第一激光器2通过第一通孔发射启动激光扫描光束5；第二激光器3的发射端设有第二球面反射镜6，第二球面反射镜6的中心开设有第二通孔，第二激光器3通过第二通孔发射停止激光扫描光束7；高速弹丸8先后飞过启动激光扫描光束5和停止激光扫描光束7；第一球面反射镜4的外侧设有第一光电探测器9，第二球面反射镜6的外侧设有第二光电探测器10，第一光电探测器9和第二光电探测器10均与光电放大器11电性连接，光电放大器11通过信号调理电路12与上位机13电性连接。
具体地，第一激光器2和第二激光器3的功率均为1W。
进一步地，启动激光扫描光束5和停止激光扫描光束7的波长均为630nm，光斑大小均为0.5mm，扫描频率均为10MHz，扫描角度均为30°。
进一步地，高速弹丸8的尺寸可小于3mm，其速度可大于2000m/s。
进一步地，第一球面反射镜4和第二球面反射镜6的直径均为100mm，其表面均镀有铝反射膜层。
进一步地，第一光电探测器9和第二光电探测器10均采用PIN型光电二极管，其结电容为30pF，灵敏度为0.63A/W，响应时间为200ns，峰值响应波长为700nm。
进一步地，PIN型光电二极管的表面为16个光敏管单元阵列而成的条形光敏面，条形光敏面的尺寸为18mm×5mm。
进一步地，光电放大器11采用光导型电流-电压转换模式，其放大供电电压为±15V，带宽为DC～100MHz。
进一步地，信号调理电路12输出电压为±10V，噪声低于100mV。
本发明提供的一种基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，其工作原理为：第一激光器2和第二激光器3在电光偏转驱动器1的驱动下第一激光器2和第二激光器3分别获得启动激光扫描光束5和停止激光扫描光束7；令高速弹丸8先后飞过间距确定启动激光扫描光束5和停止激光扫描光束7，并分别遮挡部分光能量；大口径的第一球面反射镜4和第二球面反射镜6收集弹丸表面返回光并分别会聚于第一光电探测器9和第二光电探测器10的光敏面上，再转换为微弱光电信号，第一光电探测器9和第二光电探测器10转换的信号为μA量级的电流信号，光电放大器11将电流信号放大并转换为电压信号，信号调理电路12对信号进行滤波和整形，上位机13将信号进行AD变换，获得数字信号，通过小波变换进一步进行噪声滤除，小波基选择双正交小波bior，对于圆形和异形弹丸采用波形峰值作为弹丸通过启动激光扫描光束5和停止激光扫描光束7计时时刻，对于弹尾陡峭的采用波形的斜率最大点作为弹丸通过启动激光扫描光束5和停止激光扫描光束7计时时刻，分别记为t1和t2，设启动激光扫描光束,5和停止激光扫描光束7的间距为S，则弹丸速度v为：
本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，其特征在于：包括光电偏转驱动器，所述光电偏转驱动器分别电性连接有第一激光器和第二激光器；
所述第一激光器的发射端设有第一球面反射镜，所示第一球面反射镜的中心开设有第一通孔，所述第一激光器通过所述第一通孔发射启动激光扫描光束；
所述第二激光器的发射端设有第二球面反射镜，所述第二球面反射镜的中心开设有第二通孔，所述第二激光器通过所述第二通孔发射停止激光扫描光束；
高速弹丸先后飞过所述启动激光扫描光束和所述停止激光扫描光束；
所述第一球面反射镜的外侧设有第一光电探测器，所述第二球面反射镜的外侧设有第二光电探测器，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器均与光电放大器电性连接，所述光电放大器通过信号调理电路与上位机电性连接。
2.根据权利要求1所述的基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，其特征在于：所述第一激光器和所述第二激光器的功率均为1W。
3.根据权利要求1所述的基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，其特征在于：所述启动激光扫描光束和所述停止激光扫描光束的波长均为630nm，光斑大小均为0.5mm，扫描频率均为10MHz，扫描角度均为30°。
4.根据权利要求1所述的基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，其特征在于：所述高速弹丸的尺寸小于3mm，其速度大于2000m/s。
5.根据权利要求1所述的基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，其特征在于：所述第一球面反射镜和所述第二球面反射镜的直径均为100mm，其表面均镀有铝反射膜层。
6.根据权利要求1所述的基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，其特征在于：所述第一光电探测器和所述第二光电探测器均采用PIN型光电二极管，其结电容为30pF，灵敏度为0.63A/W，响应时间为200ns，峰值响应波长为700nm。
7.根据权利要求6所述的基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，其特征在于：所述PIN型光电二极管的表面为16个光敏管单元阵列而成的条形光敏面，所述条形光敏面的尺寸为18mm×5mm。
8.根据权利要求1所述的基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，其特征在于：所述光电放大器采用光导型电流-电压转换模式，其放大供电电压为±15V，带宽为DC～100MHz。
9.根据权利要求1所述的基于光电偏移技术的主动式弹丸速度测试装置，其特征在于：所述信号调理电路输出电压为±10V，噪声低于100mV。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210730 |