光幕靶弹着点坐标测量方法

萧云峰，杨丹蕾，王劲松，周旭阳

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.吉林大学 通信工程学院，长春 130012）

激光光幕靶具有使用成本低、操作简便、稳定可靠等优点，在常规兵器靶场中常用来测量弹丸的过靶坐标、飞行速度及方向角等参数［1］。我国对光幕靶的研究开始于20世纪80年代，并取得了较大的进展，但在研究过程中也发现了一些问题如弹着点坐标的测量精度难以提高。

近年来，随着光幕靶在射击训练及体育赛事上的大范围应用，人们对报靶精度的要求越来越高。而国内生产的光幕靶的测量精度大多在2-5mm难以满足一些专业比赛的要求，国外生产的设备如德国一家公司推出的型号为MF6R3的光电靶，可用于测量弹径从4.5mm到24.13mm的所有子弹，精度可达到0.1mm，但造价昂贵且维护升级不便无法大范围推广［2-3］。针对这一现状，基于光电检测原理设计了一种弹着点坐标测量方法，理论测量精度可达到1mm。

1 系统原理

该激光靶是由多个半导体激光光源和光敏二极管组成的矩形光幕靶面，如图1所示。半导体激光器发出的光经透镜后被扩束为发散角为10°的扇形光幕，将扩束后的激光器按照图1所示的排列方式固定在激光靶的四个边框上，确保矩形靶内的有效探测位置都能够接收到光线，且每个光电二极管只能接收到一个激光器发出的光。

图1 激光光幕图

光电二极管阵列安放在四个边框上，其排列方式如图2所示：以Y轴方向的探测器为例，将光电二极管成线性排列在光幕靶的左右两个边框上，按照图2所示方式对光电二极管排序，相邻两个序号之间的中心间距是1.5mm。这种测量方式可以大大降低由光电二极管的排放间距带来的误差提高测量精度。光电二极管在反向电压作用下工作，光照正常的情况下存在较大的光电流，当子弹穿过光幕靶时会遮挡从激光器照射到光电二极管的光，此时光电二极管处于截止状态经过后续电路可以知道发生信号变化的光电二极管的具体位置，通过计算就可得到子弹的坐标。

图2 光电二极管排列方式

2 信号处理

首先将光信号转化为电信号，然后经过滤波、放大得到含有坐标信息的数字信号，数字信号经与非门编码后暂存在锁存器中等待CPU读取［4-5］。与非门同时为CPU提供一个触发信号，CPU接到触发信号后开始读取锁存器中的数据，数据读取完成后CPU向锁存器发送一个清零信号将锁存器复位等待下一发子弹，如图3所示。

图3 信号处理流程图

高速飞行的子弹穿过光幕时会遮挡照射在光电二极管的激光，光电二极管的状态由导通迅速变为截止，在发生变化时光电二极管的负载电路会产生一个伏值为4V左右的脉冲（数字电路中的逻辑1），而其它没有被遮挡的光电二极管输出为逻辑0。根据高低电平的情况可知道被遮挡的光电二极管的具体位置，再经过计算就可得到子弹经过靶面时的坐标［6］。使用示波器观测到的脉冲波形，可以看出该脉冲信号在3.3V以上的时间在10μs左右，这个时间远大于后一级数字电路的传输延迟，可保证遮挡信息被捕捉到。

3 坐标计算方法

通过图1可知整个光幕可以看做是由多个激光光线交叉点组成，子弹在穿过光幕时会遮挡一定量的交叉点，在关电二极管阵列上产生投影，使投影范围内的探测器的信号发生改变。如图4所示，x1是子弹左侧边缘切线在光电探测器上的投影，xn为右侧边缘切线在光电探测器上的投影，-x为子弹质心的投影位置。实际测量时-x无法直接测出，本文取X轴方向上所有光通量发生变化的光电二极管坐标平均值代替-x。将所有光电探测器进行编号，并将每个探测器的坐标信息汇总成表格，计算机通过接收到的数据可知道子弹通过光幕时光通量发生变化的光电二极管，将这些光电二极管的坐标信息与弹丸坐标算法相结合就可求出子弹过靶坐标［7］。

图4 子弹在光电二极管上的投影示意图

如图5所示，以有效靶面的几何中心为原点建立坐标系。设A(x,y)点为过靶弹丸的质心，光幕靶的边长为L，X2、Y2光通量发生变化的光电二极管的平均坐标的绝对值，X1、Y1是相应的激光光源到原点的距离，根据直角三角形原理可得如下两组公式：

通过上述分析可知X2、Y2、X1、Y1可直接测得，使用公式（1）可直接求得tanα和tanβ的值，将所求的值带入公式（2）中就可以求出点A(x,y)的坐标。

图5 坐标计算示意图

4 光电二极管排列对精度影响分析

光幕靶的测量精度与光电二极管的排列密度、激光强度、信号采集电路对光照的敏感程度等因素有关，其中对误差影响最大的因素是光电二极管的排列密度。此激光靶选用的光电二极管是长度为2mm的贴片二极管，由于焊接需要两个相邻光电二极管之间应留出1mm间距，故在单侧接收端两个光电二极管的中心距为3mm。本激光靶在同一测量方向应用两列光电二极管交叉排列的方式进行测量，可将光电二极管的实际中心距降低为1.5mm，这样误差就远小于1mm，与传统光电靶坐标测量方式相比具有更高的精度。

由光电二极管排列密度带来的测量误差可通过图6所示的方法加以分析。

图6 精度分析示图

光敏器件受光面直径为1.2mm，引起输出电路翻转的被遮档光敏器件受光面不超过整个受光面的50%。当弹丸轴线的投影恰好与Xi或者Xi±d/2重合时，弹丸坐标测量值与实际值相等。当弹丸轴线的投影落在（Xi，Xi±d/2）区间时，误差分两种情况：

当Xi处的光敏器件被遮挡，Xi-1处的光敏器件被遮挡面积小于50%，这时，只有Xi处一只光敏器件接受到信号，弹道坐标测量值为Xi，测量误差（绝对误差）为：

式中，i=D/d的整数部分。

当Xi处的光敏器件被遮挡，Xi-1处的光敏器件被遮挡面积大于50%时，Xi和Xi-1处两只在光敏器件同时接受到信号，弹道坐标测量值为Xid/2，测量误差为：

选取5种通用口径弹丸，将弹丸直径带入公式（3）、（4）可求得使用本激光靶测量这5种子弹弹着点时的理论误差如表1所示。

表1 5种口径弹丸坐标测量误差

5 实验

为了验证该系统的精度和准确度，搭建了一个1m×1m的实验样机。用此样机进行了7.62mm子弹实弹射击实验，在实验中，为了与传统的纸板靶进行比较，在光幕靶的后方悬挂传统测量坐标用的纸板，使纸板与光幕靶的靶平行且纸靶的坐标原点与光幕靶的坐标原点在同一直线上。当射击子弹时，子弹先穿过光幕靶后穿过纸板，光幕靶测试系统采集光通量发生变化的光电二极管的位置信息，结合弹丸坐标算法将子弹通过光幕时的坐标显示出来，穿过纸板的坐标就是弹孔在纸板上留下的痕迹。采用高分辨率相机抓取纸靶图片，通过图像处理求得各个弹着点的坐标并验证光幕靶的测量精度。如表2所示，为光幕靶显示坐标与纸靶测量坐标的对比结果，由表中数据可以看出该坐标测量方法可实现测量精度为1mm的设计要求。

表2 光幕靶和纸靶的测量结果

6 结论

光幕激光靶在兵工生产、军事训练、射击比赛等领域均有广泛的应用，随着各种新型技术的不断应用对光幕靶测量精度的要求越来越高。为了提高光幕靶的报靶精度，本文在传统光幕靶的基础上提出了一种新型坐标测量方法，采用发散角为10°的扇形激光器为光源，交错排列的光电二极管作为探测器，完成了坐标算法推导，最后通过实验验证了系统的精度可达到设计要求的1mm。这一精度在国内已处于领先地位，但与国外同类产品相比仍有一定差距，后续可通过采用多层探测器或电路细分的方式进一步提高测量精度。

参考文献

［1］ 蔡荣立，倪晋平，田会.光幕靶技术研究进展［J］.西安工业大学学报，2013（8）：603-610.

［2］ 陈雄.单光幕激光立靶关键技术研究［D］.西安：西安工业大学，2016.

［3］ 梁金辉，赵冬娥，董娟.光电靶的设计与改进［J］.激光技术，2008，32（5）：456-459.

［4］ 姜三平，郝晓剑，单新云.基于激光光幕和光电二极管阵列的立靶坐标测量［J］.弹道学报，2011（3）：89-92.

［5］ 董涛，倪晋平，高芬，等.大靶面激光光幕靶研究［J］.工具技术，2010，44（6）：85-87.

［6］ 李翰山，高俊钗，雷志勇，等.光电探测靶探测性能分析［J］.电光与控制，2008，15（7）：71-74.

［7］ 冯斌，倪晋平，杨雷.六光幕结构立靶坐标测量原理［J］.弹道学报，2008，20（1）：59-61.