[其他]測量運動目標轉速和線速的方法與裝置

在審

• 申請號: 101985000000173
• 申請日: 1985-04-01
• 公開（公告）號: CN85100173B
• 公開（公告）日: 1987-03-11
• 發明（設計）人: 仇志宏;康來鵬;馮殿秀;王保均;吳國成
• 申請（專利權）人: 電子工業部第十二研究所
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出一種實時測量運動目標自轉速度和直線速度的方法與裝置。它采用光學物鏡，將目標及其監測區域成象于視場光欄，當帶有標記的目標在視場內出現時，通過對圖象的光電掃描和空間濾波以及進行其它模擬電子技術處理，同時測得運動目標自轉速度和沿掃描方向的直線速度兩種信息，終端經微機處理，給出所需數據。

本發明主要涉及轉速測量技術，特別是運動目標的實時轉速測量技術，也涉及直線速度和自轉速度的同時測量。

某些運動目標（如槍彈、炮彈、乒乓球、排球等）具有隨機性、一次性、高速度、高旋轉的特點。對這類觀測角速度大且一瞬而過的小型目標進行實時轉速測量，被認為是國內外長期以來難于解決的問題。

目前，槍彈或乒乓球的轉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〕使監測區域〔1〕直接或間接成象于焦平面的感光膠片〔5〕上，目標〔2〕通過監測區時，膠片和圖象相對高速運動，從而把目標的轉速變化過程分解記錄在一系列膠片上，通過判讀得出數據。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幾乎都存在下列缺點①由于是采用感光膠片收集記錄信息，難于進行實時測量;②設備復雜;③成本較高。

現有的非接觸型轉速測量儀表，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，只能進行定點的轉速測量，對于運動目標，特別是高速的、隨機的、一次性的目標無能為力。比較有代表性的如Z-2型多功能數字轉速計，其原理示意圖示于圖2。它依靠聚光鏡〔8〕對準放在固定位置的旋轉物體〔6〕上的反射條標記〔7〕，物體轉動時，反射條隨之轉動并在光源〔10〕照射下產生相應的周期性光輻射，通過聚光鏡后被光敏元件〔11〕接收，變成周期性電信號，經處理得到轉速數據。該轉速計的缺點是只有當聚光鏡對準目標反射條標記的位置時，才能正常工作，而聚光鏡的對準范圍極窄，稍有偏離，儀器立即失效。

本發明以實時測量運動目標的自轉速度和同時測量包括直線速度在內的二種參數為目的，提供測量方法和裝置的原理、結構、實現方法等。

本發明是采用如圖3所示的光學物鏡〔14〕將目標〔13〕及其監測區域〔12〕成象于視場光欄〔26〕，以該圖象作為采集信息的媒介，當帶有標記的運動目標在視場內出現時，通過對圖象進行光電掃描和空間濾波，獲取包含目標自轉速度和直線速度的時序電信號，經選放濾波、檢波、鑒頻等電子技術處理，得到所需數據。

所謂掃描，是按一維或二維的規律連續移動瞬時視場，通過掃描部件的旋轉實現光探測器對監測區域的依次、反復、高速取樣，將監測區域內目標和背景的光輻射轉變成相應的時序電信號。

瞬時視場是由掃描狹縫的形狀和尺寸決定的，其形狀尺寸的設計主要考慮最佳空間濾波的原則，即利用目標和背景的尺寸不同，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點，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，但二維掃描之幀頻將同時降低N倍，實際設計中可視具體要求而選定。由于二維掃描是一維掃描在時域上的延續，二者的分析是一致的。

下面給出掃描狹縫為矩形，目標為圓形時，一維光電掃描的輸出目標時序電信號S（t）的近似表達式，其原理示意圖如圖3所示。

（注意：瞬時視場的取樣頻率α/C至少大于目標最高自轉頻率2倍）

其中：K-光探測器的靈敏度系數

ρ-目標的半徑

I₀-目標在象面上的最大照度

M-目標自轉信息的調制度

C-視場光欄沿掃描方向的寬度

α-掃描狹縫和圖象的相對運動速度

v-目標象沿掃描方向的直線運動速度

λ-掃描狹縫沿掃描方向的寬度與C之比

F-目標自轉頻率

為簡化分析，目標自轉信號用其基波表示：