梁若飞开题报告

中 北 大 学

毕业设计开题报告

学 生 姓 名： 学 院、系： 专 业： 设 计 题 目： 指导教师:

梁若飞

学 号： 0905024130

信息与通信工程学院、光电工程系

光信息科学与技术

基于光电检测技术的弹着点精度测试技

术研究 赵辉

2013年 3月25日

毕 业 设 计 开 题 报 告 1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：

文 献 综 述 1.1 本课题研究的背景 武器在正式装备部队之前需要经过严格细致的性能测试和考核，该过程需要科学周全的考核方案及可靠性高的测试技术作为支持。不同种类的武器所需检测的参量不尽相同，其中，弹着点是衡量弹道武器系统的设计效果和评价其性能优劣的重要特征参量之一，同时也是目前枪、炮、弹生产厂家在产品中主演开核的技术指标之一[1]。能否精确的分析出武器系统给的射击密集度，这将对提高武器系统的战斗效能起着非常重要的作用。在轻武器的生产和研制中, 经常需要测试弹丸的着靶位置和速度。 目标命中率测试，是投射兵器发射技术中最为重要的一个指标，准确及时地掌握弹着点的位置对于校正投射过程、提高投射水平是非常必要的。然而，随着科学技术的进步，武器装备正朝着智能化方向发展，对测试条件的要求也越来越高，但国内相应的测试设备却相对落后，无法满足信息化装备的测试要求[2]。武器的先进性与训练评估手段的落后性之间的矛盾加剧了。目前我军靶场由于没有相应的自动化测试设备，只能采取传统的人工报靶方法。然而这种方法不仅效率低下，需耗费大量的人力物力，而且存在漏检现象和安全隐患。因此，研究一种能够探测弹着点的自动化测试系统成为当务之急。 1.2 国内、外技术发展现状 目前轻武器飞行弹丸着靶坐标自动化测量方法有许多种, 但用于实际靶场的较少： (1)传统的人工测量目视测量：在靶区外的高地设置两个观察哨所，两个哨所与靶心的连线相互垂直，在靶区内插两排旗,两排小旗的方向与上述两条连线平行，旗与旗之间间隔固定。在两个观察哨所上,由两名观察员用望远镜观察靶区，目测弹着点位置，根据靶区内的小旗得出该弹着点在该排小旗方向上的偏差距离。由于两观察哨所与靶心的连线垂直， 经两名观察员在射击结束后汇总，得出弹着点的大致位置[2]。 (2)工具测量：即炮弹射击结束后，靶检员进入靶区，用皮尺等工具进行实地测量。虽然此方法相对于目视测量有了一定的提高，但还是无法满足高精度要求；而且无法实现实时反馈，对于哑弹或钻地弹搜寻难度大，且存在极大的安全隐患[3]。有时用木

板、纸板或纺织布等材料在垂直于弹道处立一道靶，武器瞄准靶位后对其进行射击，通过人工测量靶位上的弹孔位置来判定弹着点坐标[4]。该方法仅适用于轻武器射击弹着点坐标定位，而且劳动量大、容易引起误判[5]。 (3)接触式立靶测量弹着点坐标:用纸板、模板或纺织布在弹道的测试截面立一道可见的靶板，武器瞄准射击，射击完成后，有人工测量靶上弹孔的位置获得武器的射弹散布。这种方法虽然直观，但是监测方法比较落后，费时、费力、靶面小、精确度不高且难以识别重合孔的位置，无法测试连发的状态，易受到各种外界和人为因素的影响，更无法做到快速检测，数据周期长且难以实现远距离的快速显示，自20世纪八十年代初以来国内外相关研究所和大学就进行非接触式立靶弹着点测试技术研究，现在非接触式立靶在实际试验中应用越来越广泛，包括声靶、光电靶以及基于无线电的测量方法[6]。常见的光电靶主要有激光光幕靶，光纤编码天幕靶，半导体器件阵列测量靶和线阵CCD交汇靶等。 (4) 基于光电测量技术的定位方法：光幕测试技术具有系统组成相对简单、成本相对较低、测量精度和自动化程度较高等优点；同时也存在仅适用于近距离轻武器射击；靶面偏小，不适于大范围、远距离精度试验；对测量环境要求较高，不适合于全天候测量等问题[7]。 (5) 基于图像处理测量法：高稳健性的图形处理算法已得到成功运用，成本低、便于携带，测量精度基本能满足要求。其缺点是：仅适用于轻武器射击，而且由于CCD 的光敏感性，使环境光对测量影响较大[8]。 (6) 被动声探测法：声测定位技术是通过声学传感装置接收声波，再利用电子装置将声信号进行转化处理，以此实现对声源位置进行探测、识别并对目标进行定位及跟踪的一门技术。其缺点是：对弹丸飞行速度要求较高，需做进一步探索；被动声目标的信息一般夹杂在复杂多变的环境噪声中，信噪比低；对于连续发射的炮弹检测较难[9]。 总之，随着科学技术的进步，武器装备正朝着智能化方向发展，对测试条件的要求也越来越高，但国内相应的测试设备 却相对落后，无法满足信息化装备的测试要求。武器的先进性与训练评估手段的落后性之间的矛盾加剧了[10]。目前我军靶场对弹着点多采用人工测量的方法。这方法不仅效率低下，需耗费大量的人力物力，而且存在漏检现象和安全隐患[11]。因此，研究一种能够探测弹着点的自动化测试系统成为当务之急。

1.3 本课题研究目的 本文将研究一种能够探测弹着点的自动化测试系统。研制出一种自动的，实时的弹丸坐标测试系统，从而解决传统方法的效率低、费时、费力、靶面小、精确度不高等缺点[12]。自动报靶方式比传统报靶方式自动化程度高，能够克服传统报靶方式的不足，提高了报靶精度和训练效率，保证了人员安全，满足射击训练现代化的要求。

参考文献： [1] 邓钧，周汉昌，赵东娥等。大面积平行光幕测试系统，光电工程。2010 [2] Ruan P, Yong J G, ShiYD, et al. Analysis and significance of w hole blood apparent viscosity, Casson viscosity and yield stress in hemorheology [J] . Chinese Journal of Clinical Rehabilitation,2005, 9(15) : 192 ) 193. [3] 陈维新，张传义。基基于声学检测技术的弹着点定位系统。兵工自动化。2009 [4] Strey H, Peterson M,Sackmann E.Measurement of erythrocyte membrane last I city by fliker eigenmode decomposition[J] .BiophysJ,1995, 69: 478 ) 488. [5] Lenormand G, Henon S, Richert A, et al. Direct measurement of the area expansion and shear moduli of the human red blood cell membrane skeleton[ J] . Biophysical J, 2001, 81: 43) 56. [6] 国荣，何镇安，王伟。被动声探测技术与弹着点定位方法综述。电声基础。2010 [7] 张飞猛，黄宗英，李宗贤。对空射击声靶的发展与研制。四川兵工学报。1996 [8] 廖祖禹，黄建国，戴志坚。FPGA在峰值检测中的应用。测控技术。2010 [9] Ji T.Microspectro photometry & image analysis with applications in structure & function simultaneous measurement on single intact cell [M] . Sun Yatsen University of Medical Sciences, 2001. [10] 姜海卫。弹着点自动检测系统研制。南京理工大学硕士学位论文，2008 [11] 李言华。基于弹丸激波的弹着点自动检测系统研制。南京理工大学硕士学位论 文，2007 [12] Evans E A. Bending elastic modulus of red blood cell membrane derived from buckling instability in micropipet aspiration tests [J] .Biophys J, 1983, 43: 27 ) 30. [13] 杨亚培,张晓霞等. 光电物理基础[M]. 成都：电子科技大学出版社,2009. [14] Gauthier Leo R, Drewry David G, Brunner Leriy. Optical sensor and method for detecting [15] Project tile impact location and velocity vector[P]. US patent,2005． [16] 黄克平,应浩,黄婷,张 亚. CPLD 在弹丸激波信号采集电路中的应用[J]. 仪器仪表用户,200(6):49~52.

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 2.1 本课题主要解决的问题 通过对设计题目的深入了解，分析了本课题研究可能遇到的一些问题： (1)光幕结构的设计：选择发射激光为点状，焦距可调，发光稳定，价格低廉的激光器；选择合适的光电二极管；根据系统对灵敏度、温度的要求选择一定参数的光电探测器件；根据所需光幕面的大小选择适合尺寸的菲涅耳透镜、半透镜和全反射镜；光幕面的布置。 (2)信号的采集与处理：数百路信号的采集与转换处理；基于FPGA的数据的采集处理，需明确设计功能及对外接口、设计输入、综合仿真、布局布线、器件编程和调试。 (3)数据的传输：数据的传输可以采用同步传输和异步传输，根据应用要求选择合适的传输方式；数据总线的选择。 (4)显示模块设计：利用Labview 编程，把相应的数据转换为坐标。 2.2 本课题的研究手段 2.2.1 系统工作原理 平行光的获取光幕结构的设计基于FPGA的信号的采集处理传递模拟设计验证基于Labview的报靶显示PC机 图1 基本设计流程图 本课题的基本设计流程如图1所示。靶框安装激光发射器和横纵方向上的光电传感器，激光发射器和光电传感器之间组成一个光幕，当物体穿过光幕时会遮挡住某些光束，光电传感器没有光照照射，其开关状态会改变，相应输出引脚电平变化，数据采集处理部分根据检测到的电平计算被遮挡的光电传感器编号，由编号计算出物体坐标。数据采集处理部

分需要做的就是采集变化的光电二极管编号。可以采FPGA 器件芯片完成信号的采集、处理和数据传输等工作（其工作频率高，I/O 口可达数百个，程序并行执行，多个外设可同时工作，降低了漏报、误报概率，工作效率高）。采用同步输入的方式将数据传入PC机，基于Labview实现报靶功能，进行数据的显示。最后可设计模拟靶面，在模拟靶面上显示弹着点坐标，便于射手随时调整射击方向，射击结束后保存数据，具有打印、查询等功能。 2.2.2 光幕装置的设计 (1) 根据平行光幕的设计原理设计了如图2的原理方案图。利用菲涅尔透镜产生平行光，其成本比普通的凸透镜低很多。利用正菲涅尔透镜，光线从一侧进入，经过菲涅尔透镜在另一侧出来以平行光射出（焦点在光线的另一侧，并且是有限共轭），然后利用光的折射作用形成平行光束，再利用半透镜将平行光分成相互垂直的两束光，最后分别利用两个全反射镜将分开的两束光聚合到同一平面内，此时两束光仍相互垂直。 图2 光幕结构图 (2) 光幕靶主要由发射装置和接收装置两部分组成，发射装置的功能是形成朝一个方向发光的线光源, 接收装置接收线光源的光能量，发射装置与接收装置间形成厚度均匀的光幕，当有物体垂直光幕穿过时，便引起接收装置接收的光能量发生变化，物体穿过光幕时遮挡激光，造成光电传感器上的光通量发生变化。该变化信号标志物体穿过光幕的位置，发射装置与接收装置用连接杆固定或者固定在同一平面的结构架上.这样在一个平面内形成激光光幕。

2.2.3 信号的接收与处理： 系统初始化后的激光一直处于发射状态，光电二极管一直处于接收状态，完成自检测，如不正常则报警。自检测后当物体穿过光幕时相应光电二极管光照发生变化，利用3-8编码器将光电二极管编码，计算光电二极管编号，作为物体穿过光幕的坐标，并通过总线发信号至FPGA，再采用FPGA 器件芯片完成信号的采集、处理和数据传输等工作。 2.2.4 数据的传输： 数据传输多用 RS232 和 RS485 总线，RS232 使用更为普遍，但传输距离短、传输速率低，一般应用于一对一的场所，RS485 传输距离远、传输速率高，可以组网。RS232 满足一般射击训练中数据传输速率要求，可以直接与 PC 上的 DB9口通讯，靶位和传输模块间距离不远，因此选用 RS232 总线传输数据。 2.2.5 数据显示： Labview是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。基于 Labview 的上位机显示系统，根据自动报靶系统对人机交互界面的一般要求 进行程序开发。Labview提供程序调试功能，用户可以在源代码中设置断点，单步执行源代码，在源代码中的数据流连线上设置探针，在程序运行过程中观察数据流的变化。在数据流程图中以较慢的运行速度，根据连线上显示的数据值检查程序运行的逻辑状态。除了安装 Labview 外还需要安装 VISA 驱动以及报表生成工具（Report Generation Tool, RGT），版本为 1.1.1。VISA 驱动用以实现 PC 串口和FPGA 的数据通信，RGT1.1.1 用以程序结束时把数据存储于表格中，实现报靶功能。这里利用 Labview 编程，把相应的数据转换为坐标，在模拟靶上显示环数、射击次数和弹序等信息，射击完成后把数据保存在以当前系统时间为文件名的表格中。

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指导教师意见： 本课题是基于光电检测技术的弹着点精度测试技术的研究。通过对扇形激光进行处理产生平行光幕，使用光电探测器阵列探测弹丸过靶信号，来对弹着点进行测试。此技术对军事训练以及军工生产有很强的意义。另外此设计工作量适中，内容难易程度适当，满足本科生毕业设计的要求。 该同学查阅了弹着点测试技术的相关资料，对国内外现有技术进行了深入的了解，在此基础上，对该课题所涉及的知识进行了深入的学习，提出了相关设计方案，明确了该设计的重要意义、研究内容和具体研究方法，并对设计方案中主要解决的问题与研究手段进行了相应的阐述。 该设计方案原理正确，具有一定的可行性，但是需要进行进一步的研究和探讨。该生基础知识扎实，学习态度比较认真，勤于动手，善于思考，有希望可以完成该方案的设计要求。 同意开题。 指导教师： 年 月 日 所在系审查意见： 系主任： 年 月 日