一種基于調(diào)制激光的主動(dòng)式測(cè)速方法及測(cè)速裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)（包括彈丸、破片等）速度的光電檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基 于調(diào)制激光的主動(dòng)式測(cè)速方法及測(cè)速裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 彈丸、破片等高速目標(biāo)的速度在武器系統(tǒng)中是一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前國內(nèi)外廣泛采 用區(qū)截測(cè)速方法，具體包括通斷靶、線圈靶、聲靶、天幕靶、LED光幕靶、激光光幕靶等。其中 激光光幕靶因采用激光光源，波長單一、能量集中、方向性強(qiáng)、光束整形質(zhì)量好，使得該方法 具有靈敏度高、測(cè)試精度高、抗干擾能力強(qiáng)、室內(nèi)戶外均可可靠工作等突出特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高 速目標(biāo)速度的高精度、全天候、非接觸光電測(cè)量。尤其是原向反射式激光光幕系統(tǒng)因其采用 激光光幕發(fā)射接收一體化技術(shù)，測(cè)試時(shí)主機(jī)可置于地面下，使得在爆炸區(qū)域內(nèi)能夠得到有 效防護(hù)，而在破片速度測(cè)試中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。但現(xiàn)有的激光光幕測(cè)速技術(shù)因采用靜態(tài)（非調(diào)制） 光幕接收探測(cè)技術(shù)，對(duì)于振動(dòng)、火光等外界干擾因素的抑制能力有限，對(duì)于淹沒在振動(dòng)、火 光中的目標(biāo)過靶信號(hào)無法有效提取，而且目前的激光光幕測(cè)速裝置無論采用框架結(jié)構(gòu)還是 采用分體結(jié)構(gòu)，均需要反射合作目標(biāo)配合，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光路調(diào)整繁瑣、使用（尤其是外場(chǎng)測(cè) 試場(chǎng)合）不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于調(diào)制激光的主動(dòng)式測(cè)速方法及測(cè)試裝置，其中 采用調(diào)制激光的相干解調(diào)方法探測(cè)目標(biāo)速度，現(xiàn)對(duì)振動(dòng)、沖擊、火光等各種干擾的抑制，有 效抑制干擾，提高信噪比，提高探測(cè)識(shí)別能力；測(cè)速裝置無需采用光反射合作目標(biāo)即實(shí)現(xiàn)了 測(cè)速，該裝置結(jié)構(gòu)簡單且使用方便。
[0004] 本發(fā)明的一種基于調(diào)制激光的主動(dòng)式測(cè)速方法，包括如下步驟：
[0005] 步驟1、產(chǎn)生光強(qiáng)隨時(shí)間變化的調(diào)制激光信號(hào)，并控制2個(gè)激光器發(fā)射所述調(diào)制激 光信號(hào)，從而同時(shí)形成2個(gè)平行的激光光幕，分別作為目標(biāo)測(cè)速的啟動(dòng)靶和停止靶；
[0006] 步驟2、在垂直激光光幕的方向發(fā)射目標(biāo)，在所述目標(biāo)先后穿過兩激光光幕時(shí)，探 測(cè)目標(biāo)反射的激光信號(hào)，得到2個(gè)待測(cè)信號(hào)；
[0007] 步驟3、對(duì)所述2個(gè)待測(cè)信號(hào)分別進(jìn)行放大和濾波處理，濾除待測(cè)信號(hào)的基帶部 分，保留頻帶部分；
[0008] 步驟4、將所述調(diào)制激光信號(hào)分出2路，并分別進(jìn)行移相處理，使得2路調(diào)制激光信 號(hào)的相位分別與步驟3中經(jīng)放大和濾波后的2個(gè)待測(cè)信號(hào)的相位一致；
[0009] 步驟5、將2路待測(cè)信號(hào)的頻帶部分分別與各自相位一致的移相后調(diào)制激光信號(hào) 相乘，得到2個(gè)調(diào)制過靶信號(hào)；
[0010] 步驟6、將所述2個(gè)調(diào)制過靶信號(hào)的頻帶部分濾除，保留的基帶部分即為目標(biāo)經(jīng)過 啟動(dòng)靶和停止靶時(shí)的2個(gè)過靶信號(hào)；
[0011] 步驟7、根據(jù)所述2個(gè)過靶信號(hào)，得到目標(biāo)在啟動(dòng)靶和停止靶之間飛行的時(shí)間，依 據(jù)啟動(dòng)靶和停止靶之間的距離，得到目標(biāo)速度。
[0012] 進(jìn)一步的，所述步驟3中，對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波處理還包括濾除噪聲信號(hào)。
[0013] 較佳的，所述步驟7中，得到目標(biāo)在啟動(dòng)靶和停止靶之間飛行的時(shí)間的方法為：
[0014] 獲得2個(gè)所述過靶信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)，求解使該互相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值取最大值 時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，則該兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間間隔即為目標(biāo)的飛行時(shí)間。
[0015] 較佳的，所述步驟7中，得到目標(biāo)在啟動(dòng)靶和停止靶之間飛行的時(shí)間的方法為：
[0016] 分別找到過靶信號(hào)的幅值從信號(hào)峰值跌落至信號(hào)峰值一半時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，兩個(gè) 過靶信號(hào)的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之差即為目標(biāo)飛行時(shí)間。
[0017] 較佳的，所述步驟7中，采用重心算法得到目標(biāo)在啟動(dòng)靶和停止靶之間飛行的時(shí) 間，具體為：針對(duì)過靶信號(hào)的各個(gè)離散點(diǎn)，求各時(shí)間與對(duì)應(yīng)的幅值的乘積，將所有時(shí)間點(diǎn)的 乘積求和，再將和值除以所有點(diǎn)的幅值之和，得到的即是該過靶信號(hào)的時(shí)間重心；將兩個(gè)過 靶信號(hào)的時(shí)間重心求差值，即為目標(biāo)的飛行的時(shí)間。
[0018] 本發(fā)明的一種基于調(diào)制激光的主動(dòng)式測(cè)速裝置，括：數(shù)據(jù)處理終端、調(diào)制驅(qū)動(dòng)器、 光電探測(cè)器、信號(hào)解調(diào)模塊、濾波放大模塊、2個(gè)一字線激光器以及2個(gè)光學(xué)鏡頭；
[0019] 所述調(diào)制驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生光強(qiáng)隨時(shí)間變化的調(diào)制激光信號(hào)，并送至2個(gè)互相靠近放置 的一字線激光器；
[0020] 所述2個(gè)一字線激光器產(chǎn)生2個(gè)平行的激光光幕，分別作為目標(biāo)測(cè)速的啟動(dòng)靶和 停止靶；
[0021] 每個(gè)所述一字線激光器的附近各布置一個(gè)光學(xué)鏡頭；兩個(gè)光學(xué)鏡頭各連接一個(gè)光 電探測(cè)器；
[0022] 所述光電探測(cè)器接收目標(biāo)穿過激光光幕時(shí)反射的激光信號(hào)，作為待測(cè)信號(hào)；
[0023] 所述濾波放大模塊從2個(gè)所述光電探測(cè)器各接收1個(gè)待測(cè)信號(hào)，并分別進(jìn)行放大 和濾波處理，濾除待測(cè)信號(hào)的基帶部分，保留頻帶部分；
[0024] 所述信號(hào)解調(diào)模塊從所述調(diào)制驅(qū)動(dòng)器接收調(diào)制激光信號(hào)后，首先將所述調(diào)制激光 信號(hào)分出2路，并分別進(jìn)行移相處理，使得2路調(diào)制激光信號(hào)的相位分別與濾波放大模塊輸 出的2個(gè)待測(cè)信號(hào)的相位一致；然后再將所述2路待測(cè)信號(hào)的頻帶部分分別與各自相位一 致的移相后調(diào)制激光信號(hào)相乘，得到2個(gè)調(diào)制過靶信號(hào)；最后，將所述2個(gè)調(diào)制過靶信號(hào)的 頻帶部分濾除，保留的基帶部分即為目標(biāo)經(jīng)過啟動(dòng)靶和停止靶時(shí)的2個(gè)過靶信號(hào)；
[0025] 所述數(shù)據(jù)處理終端從所述信號(hào)解調(diào)模塊接收2個(gè)過靶信號(hào)后，計(jì)算目標(biāo)飛行時(shí) 間，再依據(jù)啟動(dòng)靶和停止靶之間的距離，得到目標(biāo)速度。
[0026] 較佳的，還包括置于光學(xué)鏡頭后端與所述光電探測(cè)器之間的濾光片。
[0027] 較佳的，所述光學(xué)鏡頭的接收面與所述一字線激光器的激光出射面平行共面放 置。
[0028] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0029] 1)本發(fā)明采用調(diào)制激光光幕的二次強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)獲得彈丸的速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)、 沖擊、火光等各種干擾的抑制；采用相干解調(diào)方法對(duì)已調(diào)過靶信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，有效抑制干 擾，提尚?目噪比，提尚探測(cè)識(shí)別能力。
[0030] 2)本發(fā)明通過采用重心算法、相關(guān)算法、峰值跌落一半等算法，確定目標(biāo)飛行穿越 兩光幕時(shí)的計(jì)時(shí)時(shí)刻，從而獲得精確的速度。
[0031] 3)本發(fā)明的測(cè)速裝置，采用一對(duì)光幕實(shí)現(xiàn)高速目標(biāo)對(duì)激光散射光的光電探測(cè)，無 需光反射合作目標(biāo)即實(shí)現(xiàn)了測(cè)速，該裝置結(jié)構(gòu)簡單且使用方便；采用一維擴(kuò)束激光光源與 透射式光學(xué)鏡頭平行共面放置結(jié)構(gòu)，確保激光光幕的有效靶面與光學(xué)鏡頭的成像平面重 合，使得目標(biāo)在有效靶面內(nèi)任何位置穿過時(shí)，其表面漫反射光經(jīng)光學(xué)鏡頭后均能匯聚于線 陣光電探測(cè)器上，便于空間濾波和窄帶濾光，消除背景光引起的光電轉(zhuǎn)換輸出飽和等問題； 同時(shí)該結(jié)構(gòu)可有效提尚測(cè)速精度。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明的相干解調(diào)原理示意圖。
[0033] 圖2為主動(dòng)式激光測(cè)速儀原理示意圖。
[0034] 圖3為啟動(dòng)靶（或停止靶）原理示意圖。
[0035] I -啟動(dòng)革m，II -停止革m，1-一字線激光器，2-光學(xué)鏡頭，3-彈丸，4-濾光片，5-光 電探測(cè)器，6-數(shù)據(jù)處理終端，7-調(diào)制驅(qū)動(dòng)器，8-信號(hào)解調(diào)模塊，9-濾波放大模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0037] 本發(fā)明的一種基于調(diào)制激光的主動(dòng)式測(cè)速方法，包括如下步驟：
[0038] 步驟1、產(chǎn)生光強(qiáng)隨時(shí)間變化的調(diào)制激光信號(hào)，并控制激光器發(fā)射所述調(diào)制激光信 號(hào)，從而同時(shí)形成2個(gè)平行的激光光幕，分別作為彈丸3測(cè)速的啟動(dòng)靶I和停止靶II。其 中，一維擴(kuò)束激光光源在正弦調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，改變半導(dǎo)體激光器的注入電流，使得激光器 的輸出光強(qiáng)隨注入電流的變化而產(chǎn)生變化，從而形成高頻調(diào)制的激光調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)強(qiáng) 隨時(shí)間的表達(dá)式為：
[0040] 式1中，其中1"、Coni和I分別為激光調(diào)制信號(hào)的峰值光強(qiáng)、調(diào)制信號(hào)的角頻率和 初始相位。
[0041] 步驟2、在垂直激光光幕的方向發(fā)射彈丸3,在彈丸3先后穿過兩激光光幕時(shí)，探測(cè) 彈丸3反射的激光信號(hào)，得到2個(gè)待測(cè)信號(hào)。
[0042] 當(dāng)彈丸3飛行穿過激光光幕時(shí)，產(chǎn)生的表面漫反射光經(jīng)透射式光學(xué)鏡頭收集、整 形、會(huì)聚后由光電探測(cè)器5接收并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；由于激光光幕很薄，收到的光強(qiáng)會(huì)隨著目 標(biāo)物體在各擋光時(shí)刻的形狀、大小不同而發(fā)生變化，即在目標(biāo)穿過高頻調(diào)制的激光光幕的 過程中，系統(tǒng)接收到的漫反射光強(qiáng)經(jīng)過了二次強(qiáng)度調(diào)制。靜態(tài)時(shí)，接收到的光強(qiáng)為零，彈丸 3經(jīng)過光幕時(shí)探測(cè)器接收到的光信號(hào)s (t)可用下式表示：
[0044] 式中，K為比例系數(shù)，f(t)為信號(hào)s(t)的包絡(luò)，是由目標(biāo)經(jīng)過光幕時(shí)表面漫反射光 隨時(shí)間的不同引起的，f(t)也稱之為目標(biāo)過靶信號(hào)。
[0045] 為了得到信號(hào)的頻譜表達(dá)式，對(duì)式2進(jìn)行傅里葉變換，如式3所示：
[0047] 式3中，F(xiàn)(co)是f(t)的頻譜函數(shù)，S(co)是s(t)的頻譜函數(shù)，可以看出，信號(hào)中 含有基帶信號(hào)和以Co ni為中心的頻帶信號(hào)。假設(shè)F(co)的有效帶寬B，則通過一個(gè)中心頻率 為f0= c^/2 31帶寬為2B的帶通濾波器，再通過相干解調(diào)的方法獲得目標(biāo)過靶信號(hào)，可有 效抑制振動(dòng)、沖擊、火光以及系統(tǒng)固有噪聲等帶來的各種干擾。
[0048] 步驟3、對(duì)2個(gè)待測(cè)信號(hào)分別進(jìn)行放大（比例為G)和濾波處理，濾除待測(cè)信號(hào)的基 帶信號(hào)，保留頻帶信號(hào)，用S1 (t)表示，其表達(dá)式為：
[0050] 式4中，A為待測(cè)信號(hào)經(jīng)放大、濾波后得到的新相位。