光幕阵列自动报靶装置及方法

摘要

本发明公开了一种用于室内及室外枪弹射击用的自动报靶方法和装置，由光幕传感器阵列、信号采集、坐标计算及显示部分构成。光幕传感器的基本单元阵列是由一直线光源L和相应的接收装置S组成，光源L由发光二极管LED(1)直线排列组成，接收装置S由光纤(2)的端面紧密排列组成。光幕传感器为立体的框架结构形式。在测量的X坐标方向和Y坐标方向共用两平行光幕，并各自有两个“V”形面光幕与两平行光幕成α角安装，形成特定的光幕传感器阵列。仅用四套光幕基本单元阵列，实现了过靶弹丸的立体无接触测定，不仅可以给着靶精确定位，且可给出过靶弹丸的速度和方位。误报率低，不受相邻靶位的干扰，射手在有效靶面内可任意方向射击。适合各种射击报靶场合。

说明书

技术领域

本发明属于枪弹射击用自动报靶装置及方法技术领域，主要涉及一种利用光幕技术的自动报靶装置，具体就是一种光幕阵列自动报靶装置及方法。

背景技术

在射击娱乐、部队、公安部门的射击训练以及比赛中，射击成绩的统计的方法有人工报靶和自动报靶。人工报靶是最传统和原始的方法，它存在许多弊端，如带有个人主观性、难于识别重孔，且费时费力，存在一定的危险性。随着技术的进步，各种各样的自动报靶技术不断出现，自动报靶克服了人工报靶的弊端，但不同的自动报靶技术之间仍有较大的差别和不足。目前自动报靶技术主要有电子自动报靶技术、声学自动报靶技术、光电自动报靶技术等。电子自动报靶是设计专用的标靶，当弹丸撞击或穿透标靶时，通过检测标靶各个夹层之间的导电状态来获得弹丸的着靶位置，这种方法需要制作专用的靶牌，且结构复杂，每次射击都需更换新的靶牌，造成较大的浪费，且不能很好的解决重孔的问题。声学自动报靶技术是利用弹丸超音速飞行时产生激波，通过测量弹丸激波到达预定传感器阵列的时间来计算弹丸在预定靶面上的弹着点位置，这种类型的国内外专利技术很多，如中国专利CN85107388、CN92106027.0、CN01221138.9、CN03129380.8等，美国专利US006198694、US002916289等。声学报靶技术虽具有简单、方便的优点，但容易受到相邻靶位的干扰，误报率较高，射手必须垂直靶面射击，否则会产生较大误差，且在室外使用时，易受到风速的影响。随着半导体光电技术的发展，基于光电技术的报靶装置也不断出现，如中国专利CN95206124.4、CN3246740、CN200420007418.7等，它们是采用多个发光器件和与之对应的接收器件组成网格，当弹丸穿过是，遮住相应的光线，检测对应位置的接收器件的输出信号，来判断弹丸的着靶位置，这种报靶方法的精度较低，且需要多个性能优良的光电接收器件以及平行度较高的光源，在测试过程中还要不断检测多个接收器件的状态，电路部分的设计比较复杂。另外还有采用图形采集技术的报靶方法，这种方法需要价格昂贵的CCD相机及图像处理软件，且它无法区别重孔和用于连发射击时的自动报靶。

本发明项目组对国内外专利文献和公开发表的期刊论文检索，再尚未发现与本发明密切相关和一样的报道或文献。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术现状，克服上述技术或装置存在的缺点，发明一种基于光幕技术的报靶装置及方法，提供的光幕阵列自动报靶装置及方法，构成简单，对光源的要求不高，本发明的测试装置只需要一个光电接收器件。能够精确测量弹丸在预定靶面上的着靶位置，误报率低，不受相邻靶位的干扰，且射手在有效靶面内可任意方向射击。为非接触测量，一次性投入永久使用。不仅可弹丸在预定靶面上的坐标，而且可测试弹丸着靶时的速度和方向。

本发明以下列技术方案来实现：

光幕阵列自动报靶装置，由光幕传感器、信号采集、坐标计算和显示部分构成，弹丸穿过由光幕传感器时，输出相应的电信号，由信号采集装置采集，得到弹丸穿过光幕的时间，通过坐标计算部分将该时间和光幕的几何结构参数计算出弹丸在标靶的坐标，由显示器显示，其特征在于：光幕传感器的基本单元阵列是由一直线光源L和相应的接收装置S组成，光源L由发光二极管LED直线排列组成，接收装置S由光纤的端面紧密排列组成，光纤的端面就是接收装置S的工作面，接收装置S的长度与光源一致，光纤集束在一起形成光缆，在光源L和接收装置S之间形成一面光幕。本发明的光幕传感器为立体的框架结构形式，光幕基本单元阵列安装在框架结构的边框上，在测量的X坐标方向的两个相对面上分别安装有光幕L4-S4即screen₄和光幕L1-S1即screen₁两面平行光幕，在与该两平行光幕正交方向的框架一侧的边框两边上分别安装有光源L2和接收装置S2，其安装角度与上述两光幕成α角，在安装L2和S2框架相对面的框架边上与L1平行安装有反射镜M1，L2和S2的工作面相对着反射镜M1，从而形成了两个与上述两平行光幕成α角的两光幕即光幕screen₂₁和光幕screen₂₂。也就是说在测量的X坐标方向形成的有效光路为“W”状，其有效光幕为四个；同样在测量的Y坐标方向光幕L4-S4和光幕L1-S1两面平行光幕为共用光幕，在与安装反射镜M1的框架垂直的框架一侧并与反射镜M1处在同一平面内的边框上安装有反射镜M2，相对方向的框架两边分别安装光源L3和接收装置S3，与上述两平行光幕成β角，L3和S3的工作面与反射镜M2相对，又形成与上述两平行光幕成β角的两光幕即光幕screen₃₁和光幕screen₃₂。在测量的Y坐标方向形成的有效光路为“W”状，其有效光幕为四个。由于两平行光幕即光幕screen₁screen₁和光幕screen₁在测量的X坐标方向和Y坐标方向为共用光幕，也就是说在X坐标方向和Y坐标方向的两个“W”中有两个是共用的，所以实际是六个光幕。但在X坐标方向和Y坐标方向的所采集的数据是不一样的，所以相对于一个过靶弹丸，实际采集的时间参数是六个。

本发明的光幕传感器的基本单元阵列由一直线光源L和光纤接收装置S构成，又设计了立体的框架结构形式的光幕传感器，在其中应用两个反射镜让一对基本单元阵列同时产生两个光幕，实现报靶装置的立体数据采集和多元数据采集，解决了弹丸着靶位置精确测量的问题，不仅能识别重靶，误报率低，不受相邻靶位的干扰，实现了射手在有效靶面内可任意方向射击的均可获取准确测量的光幕阵列自动报靶装置。

本发明仅用四套光幕基本单元阵列，实现了过靶弹丸的立体无接触测定，不仅可以给着靶精确定位，而且可以给出过靶弹丸的速度和方位。

本发明的实现还在于光幕传感器中所有的接收装置S1、接收装置S2、接收装置S3、接收装置S4的输出端通过光缆连接在一起，总接收装置输出的光信号通过透镜会聚于光电探测器的光敏面上。

当弹丸经过光幕传感器阵列时，引起的光信号变化通过光缆传到透镜的一侧，经过透镜会聚后照射到光电探测器的敏感面上，转换为电信号输出。

本发明只采用一个光电探测器来接收多个光幕接收装置中光信号的改变，只需一个采集装置采集光电探测器的输出便可获得弹丸依次穿过各个幕面的时间。

本发明不需要大量的光电接收器件，整个自动报靶装置只需要一个光电接收器件。简化了结构，降低了造价，使得整体更加优化。

本发明作为一种自动报靶方法，是基于上述光幕阵列自动报靶装置的，当弹丸穿过由光幕传感器时，输出相应的电信号，由信号采集装置采集，从而得到弹丸依次穿过各个光幕的时间，再由坐标计算装置依据这些时间和光幕的几何结构参数计算出弹丸在标靶的坐标，由显示器显示，其特征在于：用一个数据采集设备采集接收装置来自六个光幕的时间信号，分别计算，确定着靶位置坐标，具体的步骤是：

一.输入各个光幕基本单元阵列的结构参数，包括α角、β角及标靶4与本发明射程方向第一光幕面的距离；

二.采集装置采集弹丸经过各光幕的过靶信号，采集弹丸过本发明所设置的六个光幕的时间信号；

三.利用采集装置采集的信号由坐标计算装置通过软件计算弹丸依次经过各个光幕的时间值；坐标计算装置由计算机完成，也可以是坐标计算装置由专用的单片计算机构成。

四.将预先所输入的结构参数和经采集装置采集的时间值代入公式计算弹丸的着靶坐标及其他参数。其他参数包括弹丸过采集点的速度和方向。

五.将计算结果送到显示器显示。实现准确报靶。

本发明用一个数据采集设备采集接收装置来自六个光幕的信号，用光幕传感器形成特定的光幕，其中两个矩形平面光幕相互平行，两个“V”形面光幕相互正交放置，四个光幕组成光幕阵列，当飞行弹丸穿过光幕阵列时，依据采集的弹丸穿过各个幕面的时间和光幕阵列的结构参数，可以计算出弹丸的着靶坐标、速度以及飞入靶面的角度值。实现精确测定着靶位置坐标和报靶。

由于本发明从光幕基本单元阵列的结构入手，由进行了立体框架结构的光幕传感器设计，巧妙地运用了反光镜，使得四套光幕基本单元阵列，造就了六面光幕，可获得过靶弹丸的来自八面光幕的方位数据，实现精确的立体非接触测量，能够精确测量弹丸在预定靶面上的着靶位置，误报率低，不受相邻靶位的干扰，且射手在有效靶面内可任意方向射击。能识别重靶。另外本发明测试装置的精度与光幕阵列的几何参数有关，受其他因素的影响很小。对光源的要求不高，不需要高质量的平行光源。不需要大量的光电接收器件，结构简单，成本低，整体优化，实用一次性投入将永久使用。不仅可以测量弹丸在预定靶面上的坐标，而且可以测试弹丸着靶时的速度和方向，这是其它报靶系统无法实现的。。

附图说明：

图1是本发明的系统构成框图；

图2是光幕传感器阵列中的光幕传感器的光幕基本单元阵列示意图；

图3是光幕传感器阵列的立体结构示意图；

图4是测量x方向坐标的光幕阵列分布图；

图5是测量y方向坐标的光幕阵列分布图；

图6是弹丸速度矢量在空间的分布图；

图7是光幕接收装置输出光信号采集光路图；

图8是数据采集装置采集到的光电探测器输出信号；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

实施例1：如图1所示，本发明的实现方案是：光幕阵列自动报靶装置，由光幕传感器、信号采集、坐标计算和显示部分构成，弹丸穿过由光幕传感器时，输出相应的电信号，由信号采集装置采集，得到弹丸穿过光幕的时间，通过坐标计算部分将该时间和光幕的几何结构参数计算出弹丸在标靶的坐标，由显示器显示。本发明光幕阵列自动报靶装置中光幕传感器的基本单元阵列是由一直线光源L和相应的接收装置S组成，光源L由发光二极管LED1直线排列组成，接收装置S由光纤2的端面紧密排列组成，本例中光纤2的直径为0.8mm，光纤2的端面就是接收装置S的工作面，接收装置S的长度与光源一致，光源L和接收装置S的长度均是500mm。光纤2集束在一起形成光缆3，在光源L和接收装置S之间形成一面光幕screen，见图2。本发明的光幕传感器为立体的框架结构形式，参见图3，框架结构采用机械结构，用高强度铝合金型材制造框架，再用型钢焊接而成整体。光幕基本单元阵列安装在框架结构的边框上，在测量的X坐标方向的两个相对面上分别安装有光幕L4-S4即screen₄和光幕L1-S1即screen₁两面平行光幕，在与该两平行光幕正交方向的框架一侧的边框两边上分别安装有光源L2和接收装置S2，其安装角度与上述两光幕成α角，在安装L2和S2框架相对面的框架边上与L1平行安装有反射镜M1，反射镜M1就装在所装框架的中间位置，L2和S2的工作面相对着反射镜M1，从而形成了两个与上述两平行光幕成α角的两光幕即光幕screen₂₁和光幕screen₂₂。也就是说在测量的X坐标方向形成的有效光路为“W”状，其有效光幕为四个；同样在测量的Y坐标方向光幕L4-S4和光幕L1-S1两面平行光幕为共用光幕，在与安装反射镜M1的框架垂直的框架一侧并与反射镜M1处在同一平面内的边框上安装有反射镜M2，反射镜M2也装在所装框架的中间位置，相对方向的框架两边分别安装光源L3和接收装置S3，与上述两平行光幕成β角，L3和S3的工作面与反射镜M2相对，又形成与上述两平行光幕成β角的两光幕即光幕screen₃₁和光幕screen₃₂。在测量的Y坐标方向形成的有效光路为“W”状，其有效光幕为四个。由于两平行光幕即光幕screen₁screen₄和光幕screen₄在测量的X坐标方向和Y坐标方向为共用光幕，也就是说在X坐标方向和Y坐标方向的两个“W”中有两个是共用的，所以实际是六个光幕。但在X坐标方向和Y坐标方向的所采集的数据是不一样的，所以相对于一个过靶弹丸，实际采集的时间参数是六个个，根据六个时间数据计算着靶坐标数据。本例中框架的结构在X坐标方向和Y坐标方向几何尺寸相同，因此其中的α角与β角相等。

实施例2：总体构成和具体方案同实施例1，参见图2，其中光源L和接收装置S的长度可根据使用情况设计，具体尺寸由测试要求的精度决定。本例子中光源L和接收装置S的长度为1000mm，光纤2采用直径为1mm的光纤。

实施例3：总体构成和具体方案同实施例1，参见图7，光幕传感器中所有的接收装置S1、接收装置S2、接收装置S3、接收装置S4的输出端通过光缆3连接在一起，总接收装置输出的光信号通过透镜6会聚于光电探测器7的光敏面上。光缆3的一端接各个光幕传感器的接收装置S的输出端，另一端由夹紧机构8将其集中在一起。当弹丸穿过光幕传感器阵列时，引起接收装置S₁、S₂、S₃、S₄中光纤光通量的改变，光缆3将每个接收装置中的光通量改变都引至会聚透镜6上，会聚后照射到光电接收器7的敏感面上，经信号处理电路后输出电脉冲信号。这样不仅减少了接收器件的数量，更减少了信号采集设备的数量，使信号采集部分大大简化。

实施例4：光幕阵列自动报靶装置的自动报靶方法

光幕阵列自动报靶装置的自动报靶方法是基于上述光幕阵列自动报靶装置的自动报靶方法，采用实施例1的光幕阵列自动报靶装置，当弹丸穿过由光幕传感器时，输出相应的电信号，由信号采集装置采集，从而得到弹丸依次穿过各个光幕的时间，再由坐标计算装置依据这些时间和光幕的几何结构参数计算出弹丸在标靶的坐标，由显示器显示。本发明用一个数据采集设备采集接收装置来自六个光幕的时间信号，分别计算，确定着靶位置坐标。当弹丸依次穿过由光幕传感器组成的阵列时，接收装置S输出相应的脉冲信号，参见图8，由信号采集装置采集，从而得到弹丸依次穿过各个光幕的时间，再由这些时间和光幕阵列的几何结构参数计算出弹丸在标靶4上的坐标，具体的步骤是：

一.输入各个光幕基本单元阵列的结构参数，包括α角、β角及标靶4与本发明射程方向第一光幕面的距离，与两平行光幕间距离相关的参数d以及光幕的长度m；

二.采集装置采集弹丸经过各光幕的过靶信号；采集弹丸过本发明所设置的六个光幕的时间信号T；

三.利用采集装置采集的信号由坐标计算装置通过软件计算弹丸依次经过各个光幕的时间值；坐标计算装置由计算机完成，坐标计算装置由专用的单片计算机构成。

四.将预先所输入的结构参数和经采集装置采集的时间值代入公式计算弹丸的着靶坐标及其他参数。其他参数包括弹丸过采集点的速度和方向。

五.将计算结果送到显示器显示。

其中当光幕传感器阵列的结构确定后，阵列当中的各个测量幕面方程就是确定的方程，以下是各个幕面的方程：

Screen₁：z＝0

Screen₂₁：-sinα·x+cosα·z＝0

Screen₂₂：sinα·x+cosα·z＝m·sinα+d·cosα

Screen₃₁：-sinα·y+cosα·z＝0

Screen₃₂：sinα·y+cosα·z＝d·cosα+n·sinα

Screen₄：z＝2d

设弹丸与screen1的交点为(X₁，Y₁)，速度矢量为(V_X，V_Y，V_Z)

则联立下列方程

-sinα·(x1+T₂₁·V_X)+cosα·(T₂₁·V_Z)＝0

sinα·(X₁+T₂₂·V_X)+cosα·(T₂₂·V_Z)＝m·sinα+d·cosα

-sinα·(Y₁+T₃₁·V_Y)+cosα·(T₃₁·V_Z)＝0

sinα·(Y₁+T₃₂·V_Y)+cosα·(T₃₂·V_Z)＝d·cosα+n·sinα

T₄·V_Z＝2d

求解上述方程便可求得(X₁，Y₁)，(V_X，V_Y，V_Z)，当标靶的位置确定后，即设标靶所在平面与第一个幕面的距离为L时，则弹丸在标靶上的坐标为：

$X=X_1+V_X\·\frac{L}{V_Z}$

$Y=Y_1+V_Y\·\frac{L}{V_Z}$

弹丸的速度为：$V=\sqrt{V_X^2+V_Y^2+V_Z^2}$

不仅精确获得过靶弹丸的弹着点坐标，还可给出过靶时刻的速度值。

实施例5：采用实施例1～3中任一光幕阵列自动报靶装置，实施方法同实施例4

其中计算弹着点坐标的方法还可以由解三角形的方法直接求得。

$\mathrm{\γ}=\arctan \frac{T_{22}+T_{21}-T_4}{\tan \mathrm{\α}(T_{22}-T_{21})}$

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{T_{32}+T_{31}-T_4}{\tan \mathrm{\α}(T_{32}-T_{31})}$

$V=\frac{2S}{(T_4-T_1)\cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ}}$

$X=S\cot \mathrm{\α}-\frac{S(T_{21}-T_1)\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})}{(T_4-T_1)\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}}$

$Y=S\cot \mathrm{\α}-\frac{2S(T_{31}-T_1)\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})}{(T_4-T_1)\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\α}}$

实施例6：总体构成和具体方案同实施例1，参见图4和图5，

光幕传感器的阵列分别由测量x方向坐标的光幕阵列和测量y方向坐标的光幕阵列组成。测量x方向坐标的测量光幕由光源L₁和接收S₁形成的光幕screen₁，光源L₂和接收S₂形成的光幕screen₂₁、screen₂₂，光源L₄和接收S₄形成的光幕screen₄四个光幕组成。其中，光源L₂发出的光以α角照射到反射镜M₁上，反射光同样以α角出射到接收装置S₂上，从而形成两个光幕screen₂₁、screen₂₂。当弹丸从光幕传感器阵列中穿过时，弹丸穿过x方向测量光幕的时刻为T₁、T₂₁、T₂₂、T₄。测量y方向坐标的测量光幕由光源L₁和接收S₁形成的光幕screen₁，光源L₃和接收S₃形成的光幕screen₃₁、screen₃₂，光源L₄和接收S₄形成的光幕screen₄四个光幕组成。其中，光源L₃发出的光以β角(如β＝45°)照射到反射镜M₂上，反射光同样以β角出射到接收装置S₃上，从而形成两个光幕screen₃₁、screen₃₂。当弹丸从光幕传感器阵列中穿过时，弹丸穿过x方向测量光幕的时刻为T₁、T₃₁、T₃₂、T₄。本例中α角与β角相等。

正如图4和图5所示。其中，每个测量方向的测量光幕阵列由4个光幕组成，光幕screen₁、光幕screen₄两个平行光幕为两个测量方向的光幕阵列所共用，而另两个光幕由一基本单元阵列即一光源L、一接收S和一个反射镜组成，这样不仅减少了一对光幕传感器阵列，而且使两个测量光幕之间的角度调整方便。

实施例7：实施方法同实施例5

当射手不垂直靶面射击时，弹丸在空间的速度矢量分布如图6所示，其中θ是速度矢量与水平面的夹角，为俯仰角；γ是速度矢量与垂直面的夹角，为偏角。它们的求解方法在实施例5中已给出。