專利名稱:測量運(yùn)動目標(biāo)轉(zhuǎn)速和線速的方法與裝置的制作方法
本發(fā)明主要涉及轉(zhuǎn)速測量技術(shù)特別是運(yùn)動目標(biāo)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測量技術(shù)。也涉及直線速度和自轉(zhuǎn)速度的同時(shí)測量。
某些運(yùn)動目標(biāo)(如槍
、炮
、乒乓球、排球等)具有隨機(jī)性、一次性、高速度、高旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)。對這類觀測角速度大且一瞬而過的小型目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測量被認(rèn)為是國內(nèi)外長期以來難于解決的問題。
目前，槍
或乒乓球的轉(zhuǎn)速測量多采用高速攝影法。其基本原理是通過如圖1中所示攝影物鏡〔3〕使監(jiān)測區(qū)域〔1〕直接或間接成象于焦平面的感光膠片〔5〕上，目標(biāo)〔2〕通過監(jiān)測區(qū)時(shí)，膠片和圖象相對高速運(yùn)動，從而把目標(biāo)的轉(zhuǎn)速變化過程分解記錄在一系列膠片上，通過判讀得出數(shù)據(jù)。高速攝影法的原理示意圖如圖1所示。各式各樣的高速攝影機(jī)幾乎都存在下列缺點(diǎn)①由于是采用感光膠片收集記錄信息，難于進(jìn)行實(shí)時(shí)測量;②設(shè)備復(fù)雜;③成本較高。
現(xiàn)有的非接觸型轉(zhuǎn)速測量儀表，由于不具備廣角成象和圖象處理的特性，因而無法從背景中搜索、甄別和提取目標(biāo)，只能進(jìn)行定點(diǎn)的轉(zhuǎn)速測量，對于運(yùn)動目標(biāo)，特別是高速的、隨機(jī)的、一次性的目標(biāo)無能為力。比較有代表性的如Z-2型多功能數(shù)字轉(zhuǎn)速計(jì)，其原理示意圖示于圖2。它依靠聚光鏡〔8〕對準(zhǔn)放在固定位置的旋轉(zhuǎn)物體〔6〕上的反射條標(biāo)記〔7〕，物體轉(zhuǎn)動時(shí)，反射條隨之轉(zhuǎn)動幷在光源〔10〕照射下產(chǎn)生相應(yīng)的周期性光輻射，通過聚光鏡后被光敏元件〔11〕接收，変成周期性電信號，經(jīng)處理得到轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。該轉(zhuǎn)速計(jì)的缺點(diǎn)是只有當(dāng)聚光鏡對準(zhǔn)目標(biāo)反射條標(biāo)記的位置時(shí)，才能正常工作，而聚光鏡的對準(zhǔn)范圍極窄，稍有偏離，儀器立即失效。
本發(fā)明以實(shí)時(shí)測量運(yùn)動目標(biāo)的自轉(zhuǎn)速度和同時(shí)測量包括直線速度在內(nèi)的二種參數(shù)為目的，提供測量方法和裝置的原理、結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方法等。
本發(fā)明是采用如圖3所示的光學(xué)物鏡〔14〕將目標(biāo)〔13〕及其監(jiān)測區(qū)域〔12〕成象于焦平面〔15〕以該圖象作為采集信息的媒介，當(dāng)帶有標(biāo)記的自轉(zhuǎn)目標(biāo)在視場內(nèi)出現(xiàn)時(shí)，通過對圖象進(jìn)行光電掃描和空間濾波，獲取包含目標(biāo)自轉(zhuǎn)速度和直線速度的時(shí)序電信號，經(jīng)最佳濾波、檢波、鑒頻等電子技術(shù)處理，得到所需數(shù)據(jù)。
所謂掃描是按一維或二維的規(guī)律連續(xù)移動瞬時(shí)視場，通過掃描部件的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)光探測器對監(jiān)測區(qū)域的依次、反復(fù)、高速取樣，將監(jiān)測區(qū)域內(nèi)目標(biāo)和背景的光輻射轉(zhuǎn)変成相應(yīng)的時(shí)序電信號。
瞬時(shí)視場是由掃描狹縫的形狀和尺寸決定的，其形狀尺寸的設(shè)計(jì)主要考慮最佳空間濾波的原則，即利用目標(biāo)和背景的尺寸不同，選擇最佳狹縫寬度，以獲取最高信噪比。
掃描方式采用一維掃描，具有簡單易行和幀頻容易提高的優(yōu)點(diǎn)，但其信噪比沒有二維掃描高，后者可將信噪比提高N倍，N為掃描行數(shù)，但二維掃描之幀頻將同時(shí)降低N倍，實(shí)際設(shè)計(jì)中可視具體要求而選定。由于二維掃描是一維掃描在時(shí)域上的延續(xù)，二者的分析是一致的。
下面給出掃描狹縫為矩形，目標(biāo)為園形時(shí)，一維光電掃描的輸出目標(biāo)時(shí)序電信號S(t)的近似表達(dá)式，其原理示意圖如圖3所示。
S(t)=KπρIo〔λρ-λρMcos2πFt+2Cπ2(1-Mcos2πFt)]]>Σn =1∞sinnπλn2J1(2nπcρ)Cos2nπC(a-V)t 〕]]>(注意瞬時(shí)視場的取樣頻率a/C至少大于目標(biāo)最高自轉(zhuǎn)頻率2倍)其中K-光探測器的靈敏度系數(shù)ρ-目標(biāo)的半徑Io-目標(biāo)在象面上的最大照度M-目標(biāo)自轉(zhuǎn)信息的調(diào)制度C-視場光欄沿掃描方向的寬度
a-掃描狹縫和圖象的相對運(yùn)動速度V-目標(biāo)象沿掃描方向的直線運(yùn)動速度λ-掃描狹縫沿掃描方向的寬度與C之比F-目標(biāo)自轉(zhuǎn)頻率為簡化分析，目標(biāo)自轉(zhuǎn)信號用其基波表示上述公式表明，光電掃描輸出的目標(biāo)時(shí)序電信號除包括直流成分，目標(biāo)自轉(zhuǎn)頻率成分外，還具有豐富的諧波，這些諧波分量的幅度被目標(biāo)的自轉(zhuǎn)信息所調(diào)制;頻率被目標(biāo)的直線速度信息所調(diào)制。
計(jì)算表明，在上述條件下，最佳狹縫寬度是目標(biāo)直徑的1.96倍。
本發(fā)明的實(shí)施需具備下列條件首先要求監(jiān)測區(qū)域的背景趨于均勻，無明顯的突変輻射;其次監(jiān)測區(qū)域應(yīng)遠(yuǎn)大于目標(biāo)的尺寸;最后還要求被測目標(biāo)上帶有和光探測器光譜接收特性相對應(yīng)的單一對比標(biāo)記;由于是采用的非相干光裝置的探測距離不能太遠(yuǎn)，當(dāng)目標(biāo)輻射較強(qiáng)時(shí)，有可能達(dá)幾十米。
本說明書的如下圖1高速攝影機(jī)基本原理示意圖;
圖2Z-2型多功能轉(zhuǎn)速計(jì)原理示意圖圖3本發(fā)明的測量方法原理示意圖圖4光電掃描輸出的時(shí)序電信號及其選頻濾波后的波形圖。
圖5掃描盤和視場光欄結(jié)構(gòu)圖圖6本發(fā)明的測量裝置結(jié)構(gòu)原理圖圖7本發(fā)明的原理方框圖依上述方法而產(chǎn)生的裝置由檢測系統(tǒng)〔30〕、信號處理系統(tǒng)〔40〕和微機(jī)系統(tǒng)〔37〕三部分組成，其中檢測系統(tǒng)〔30〕是本發(fā)明的關(guān)鍵所在，它由物鏡和光電掃描單元組成。
該裝置工作時(shí)，檢測系統(tǒng)被置于與目標(biāo)運(yùn)動方向及轉(zhuǎn)軸方向相垂直的一側(cè)，需要測量多維速度矢量或目標(biāo)自轉(zhuǎn)軸為任意方向時(shí)，檢測系統(tǒng)必須從不同方向設(shè)置多個(gè)，設(shè)置的距離主要取決于所需監(jiān)測區(qū)域的大小、目標(biāo)的輻射強(qiáng)度以及裝置的靈敏度和工作環(huán)境的要求等。
帶有標(biāo)記的自轉(zhuǎn)目標(biāo)〔13〕飛越監(jiān)測區(qū)域〔12〕時(shí)，目標(biāo)和背景均通過物鏡〔14〕成象于焦面〔15〕上的視場光欄〔26〕，緊靠視場光欄的掃描盤〔25〕不斷勻速轉(zhuǎn)動，盤上的掃描狹縫〔17〕輪番通過視場光欄，形成對圖象的一維掃描，使得監(jiān)測區(qū)內(nèi)光輻射的幾何分布変成了如圖4(A)所示的時(shí)序電信號，如前所述背景和目標(biāo)具有不同的信號頻譜，背景頻譜多集中于接近直流的低頻范圍而目標(biāo)頻譜諧波豐富，每次諧波都包含著所需的有用信息。
目標(biāo)和背景電信號均經(jīng)前放〔34〕進(jìn)入信號處理系統(tǒng)〔40〕經(jīng)選放濾波〔33〕，背景噪聲和目標(biāo)信號的低頻部分受到抑制，目標(biāo)的某一高次諧波被提取放大，其波形圖見圖4(B)，其中〔23〕為調(diào)制在諧波上的目標(biāo)轉(zhuǎn)動信號波形。該信號被分成兩路，其中一路經(jīng)檢波〔32〕、低通濾波〔31〕得到目標(biāo)轉(zhuǎn)動信號。另一路經(jīng)限幅〔36〕，鑒頻〔35〕，得到目標(biāo)沿掃描方向的直線速度信號。
兩種信號分別同時(shí)送入終端的微機(jī)系統(tǒng)，最終得到所需數(shù)據(jù)。
當(dāng)視場內(nèi)無目標(biāo)時(shí)，雖然背景噪聲也被檢測系統(tǒng)所接收、處理，但由于多處受到抑制，一般不具有驅(qū)動終端所需的電平，因而數(shù)據(jù)顯示為零。
本裝置各主要組成部分說明如下一、檢測系統(tǒng)物鏡〔14〕是一系列光學(xué)元件的組合，位于裝置的最前端，一般為透過式廣角鏡頭，其主要作用是復(fù)蓋目標(biāo)的監(jiān)測區(qū)域，將監(jiān)測區(qū)域的光信息全部會聚在圖象中，接受光電掃描單元〔29〕的處理。
視場光欄〔26〕掃描盤〔25〕場鏡〔18〕和光探測器〔19〕構(gòu)成光電掃描單元。
視場光欄〔26〕位于物鏡的焦面，它決定了監(jiān)測區(qū)域的形狀和大小，一般采用金屬薄片，視場光欄沿掃描方向的二個(gè)邊加工成螺旋線形，以保持掃描狹縫〔17〕隨盤〔25〕的轉(zhuǎn)動，進(jìn)出視場光欄時(shí)，具有線性変化的規(guī)律，使得視場光欄內(nèi)總的透光面積永遠(yuǎn)等于單個(gè)掃描狹縫〔17〕的透光面積。
通常視場光欄在掃描方向的尺寸C至少應(yīng)滿足C＞Vmax/FminVmax-目標(biāo)像沿掃描方向最大直線速度Fmin-目標(biāo)最低自轉(zhuǎn)頻率掃描盤〔25〕緊靠視場光欄〔26〕，位于場鏡〔18〕的負(fù)焦面，它是本裝置的核心部件，起著搜索目標(biāo)、鑒別目標(biāo)和調(diào)制目標(biāo)的作用，掃描盤以3mm厚的園形光學(xué)玻璃為基體，一面涂以不透光的金屬膜或調(diào)和漆膜，用光刻法或機(jī)械加工法制成的掃描狹縫均布在園盤周圍呈輻條狀分布。
場鏡〔18〕是一組薄透鏡，可以會聚通過掃描盤后被發(fā)散的信號輻射，將取樣信號均勻?qū)牍馓綔y器〔19〕。
光探測器〔19〕位于場鏡〔18〕的出瞳平面，可以采用光電倍增管或真空光電管。
二、信號處理系統(tǒng)主要由若干模擬電路組成，完成最佳濾波、檢波和鑒頻等任務(wù)，它在很大程度上，決定著整個(gè)裝置的技術(shù)指標(biāo)。
三、微機(jī)系統(tǒng)用于終端計(jì)量、顯示、記錄和統(tǒng)計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)時(shí)測量運(yùn)動目標(biāo)自轉(zhuǎn)速度和直線速度的方法，其特征是采用光學(xué)物鏡將目標(biāo)及其監(jiān)測區(qū)域成象于焦平面，當(dāng)帶有標(biāo)記的自轉(zhuǎn)目標(biāo)在視場內(nèi)出現(xiàn)時(shí)，通過對圖象的光電掃描和空間濾波，獲取包含目標(biāo)自轉(zhuǎn)信息和沿掃描方向線速信息的時(shí)序電信號，以最佳濾波和常規(guī)電子技術(shù)處理，得到所需數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的測量方法，其中所說的光電掃描是以一定瞬時(shí)視場按一維或二維的規(guī)律，依次、反復(fù)對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行光信息的快速取樣，該取樣信號經(jīng)光探測器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2中所說的快速取樣，取樣頻率應(yīng)大于被測目標(biāo)最高自轉(zhuǎn)頻率的2倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1的測量方法，其中所說的獲取包含目標(biāo)自轉(zhuǎn)信息和沿掃描方向線速信息的時(shí)序電信號是指該時(shí)序電信號包含著豐富的諧波，諧波的幅度被目標(biāo)轉(zhuǎn)動信息所調(diào)制，諧波頻率被目標(biāo)沿掃描方向的直線速度信息所調(diào)制。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1，其中所說的經(jīng)最佳濾波和常規(guī)電子技術(shù)處理。是指依時(shí)序電信號中目標(biāo)頻譜和背景頻譜的不同分布，利用選頻濾波提取目標(biāo)信號的高次諧波，而抑制集中于低頻的背景噪聲。提取出的目標(biāo)信號高次諧波，通過檢波，鑒頻處理，即可分別得到目標(biāo)自轉(zhuǎn)信號和線速信號。
6.一種實(shí)時(shí)測量運(yùn)動目標(biāo)自轉(zhuǎn)速度和直線速度的裝置，其特征是有一個(gè)具備光學(xué)成象，光電掃描和空間濾波功能的檢測系統(tǒng)和一個(gè)能完成最佳濾波、檢波、鑒頻任務(wù)的信號處理系統(tǒng)以及一個(gè)用于終端計(jì)量、顯示、記錄和統(tǒng)計(jì)的微機(jī)系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6，其中所說的檢測系統(tǒng)包括位于裝置最前端、帶有孔徑光欄的物鏡和光電掃描單元兩個(gè)部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7，其中所說的光電掃描單元由位于物鏡焦平面、與監(jiān)測區(qū)域形狀一致的視場光欄和能以瞬時(shí)視場按一定規(guī)律依次、反復(fù)對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行光信息快速取樣的掃描盤，以及用來將取樣信號均勻?qū)牍馓綔y器的場鏡和光探測器組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8，其中所說的光探測器是指光電倍增管或真空光電管。
專利摘要
本發(fā)明提出一種實(shí)時(shí)測量運(yùn)動目標(biāo)自轉(zhuǎn)速度和直線速度的方法與裝置。它采用光學(xué)物鏡，將目標(biāo)及其監(jiān)測區(qū)域成象于焦平面。當(dāng)帶有標(biāo)記的目標(biāo)在視場內(nèi)出現(xiàn)時(shí)，通過對圖象的光電掃描和空間濾波以及進(jìn)行其它模擬電子技術(shù)處理，同時(shí)測得運(yùn)動目標(biāo)自轉(zhuǎn)速度和沿掃描方向的直線速度兩種信息，終端經(jīng)微機(jī)處理，給出所需數(shù)據(jù)。
文檔編號G01C23/00GK85100173SQ85100173
公開日1987年3月11日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者仇志宏, 康來鵬, 馮殿秀, 王保均, 吳國成 申請人:電子工業(yè)部第十二研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan