可见光高速摄影是研究弹丸侵彻过程的重要方式, 然而弹丸侵彻过程中发出的强烈闪光会导致高速摄影丢失诸如着靶、 侵入等时刻的关键画面。 因此, 分析侵彻光谱发生机理、 选取合适的侵彻过程光学观察窗口尤为重要。 针对400 mm直径高强度钢卵形弹以804 m·s-1侵彻20 cm厚度45#钢靶的实验, 设计了光谱瞄准采集设备。 利用多模光纤耦合物镜在距离靶板25 m处采集了侵彻全过程积分光谱, 采集区覆盖靶板直径431 mm。 对侵彻靶板破片中可能存留的弹头熔融物质以及弹托其他样品进行LIBS(laser induced breakdown spectroscopy)分析, 并与侵彻积分光谱成分对比分析。 研究表明, 侵彻光谱与高速碰撞闪光光谱发生机理相同, 均包含连续光谱与线光谱。 615～700 nm区间内的平稳积分连续光谱由两部分组成: (a)弹靶少量金属元素和O Ⅰ、 O Ⅱ发射光谱的展宽积分; (b)少量热辐射光谱积分。 侵彻热辐射主要源于剪切应变做功和摩擦做功, 然而侵彻光谱中的热辐射强度明显低于高速碰撞光谱, 这是弹丸在剪切冲塞、 侵彻后大部分动能得以保留造成的; 侵彻过程可见光光谱具有明显原子发射谱线, 主要来自于金属原子及其一级电离的发射光谱。 干扰最强的可见光成分来源于588.88～589.53和766.41～766.43 nm的FeⅠ等离子体线光谱, 且由于斯塔克展宽效应, 线光谱呈洛伦兹线型, 其FWHM(full width at half maximum)可达27 nm。 因此, 在野外环境侵彻实验中, 当Fe为弹靶主要成分时, 380～450 nm为可见光高速摄影的最佳观察窗口, 可以避免侵彻发光干扰, 实现对侵彻全过程拍摄。 考虑到大气对该波段的散射影响, 应保证高速摄影设备的光通量。

目前机器视觉技术广泛应用于弹着点坐标的测量领域，针对双目视觉技术标定、演算复杂的问题，提出一种基于单目视觉技术的弹着点测量方法。通过图像处理技术定位出靶面4个角点以及弹着点像素坐标，采用矩形P4P方法解算出靶面坐标相对于相机坐标系的位姿，根据单目视觉成像原理计算出弹着点在靶面的实际坐标。根据该方法成功测量出了实验中靶面弹孔的坐标，最大测量误差为2.3 mm。结果表明，该方法可以快速、精确测量靶面与相机的位姿关系以及弹着点的坐标。

为解决相位图在去噪过程中出现的散斑噪声残留和边缘纹理模糊问题,基于正余弦分解提出了一种自适应全变分去噪方法。首先,用正余弦函数将原始相位图分解成两幅相位图;然后用自适应全变分算法处理分解后的相位图;最后,通过反正切运算合成去噪后的相位图,以快速去除大量散斑噪声并保留图像的边缘信息。对去噪结果进行定量评价和分析表明,与其他降噪方法相比,本方法得到的图像峰值信噪比提高了2.0 dB,且结构相似度较高。同时可以自适应地选择参数,减少去噪后相位图的波动性,改善相位图的质量。

水下动态参数的测试是特种**、 两栖**、 水下专用**性能考核的必备环节, 而水下运动体的速度信息是评价水下**性能的重要指标之一。 针对现有的水下高速目标参数测试系统中存在的成本高、 安装调试复杂、 设备体积庞大等问题, 提出一种以激光光幕为有效区域水上、 水下分体式, 实时、 非接触的测速方法。 通过分析Lambert-Beer定律和体散射函数等数学原理, 确定了水下光谱传输规律综合考虑性价比获得最佳峰值波长; 将1m的圆柱体作为散射体模拟光在水中的散射情况, 追迹空间区域内的光线总数为1×105, 获得位于传播方向上1, 3, 5和7 m处的接收面上辐照度的光能量分布, 从而获取系统激光光源的最佳峰值功率。 以此为依据, 采用定距测时原理和一维原向反射技术, 由峰值波长为532 nm的半导体光纤耦合绿光激光器、 光纤耦合式鲍威尔棱镜防水扩束器、 一维原向反射器等构建光学系统。 激光光源、 光电转换部分和信号调理部分位于水上, 激光光幕和原向反射器位于水下, 通过光纤束完成两路光信号的发射和反射光的回收。 发射端光纤一端与光源耦合, 另外一端与鲍威尔棱镜耦合置于水下形成扇形光幕。 接收端光纤一端均布于鲍威尔棱镜出口, 另一端与PIN型光电传感器耦合。 设计齿形一维原向反射器并完成加工制造, 光线将沿着入射光方向原向返回, 另外一维方向则仍为镜面反射, 将接收系统置于发射点垂直光面内附近即可接收大部分光能量, 解决了现有原向发射器因水介质折射率不同于空气而导致原向反射特性消失的问题。 实验采用波长为(532±5) nm绿光激光器, 功率稳定性<1%, 光学噪声< 0.5%, 准直后耦合至长度为2 m的单模光纤再经过鲍威尔棱镜展宽为60°扇形一字线光幕, 扩束模块封装采用尼龙防水材料, 接收光纤均布于光源周围形成环形光纤束, 光纤另外一端均匀排列与PIN光敏二极管直接耦合。 光敏二极管前加中心波长为532 nm的光学滤光片, FWHM=(3±1) nm, 透过率为70%。 PIN型光敏二极管有效尺寸为5.0 mm×5.0 mm。 采用多档可调的光电信号调理电路以适应不同尺寸的测试对象。 该系统进行了不同目标速度参数测试实验, 以钢弩为发射装置, 信号经过光纤回收、 信号调理, 采集至计算机处理获得波形及区间内平均速度, 两激光光幕之间的距离为定值300 mm, 波形峰值作为计时时刻。 成功获取了较高信噪比的波形信号和目标速度值。 利用水下运动体模型与模拟结果进行比较得到其绝对误差。 实验结果表明: 本方法结构简单、 重复性好, 可实现有效区域达到1 m×1 m, 最小可测目标尺寸为5 mm, 理论测速上限可达1 000 m·s-1, 实验数据通过与理论经验公式结果比对表明, 系统测试精度可达0.2%。

为了解决战斗部爆炸过程中, 因爆炸物当量较大造成爆燃火球持续时间长, 覆盖面积大, 近场位置破片速度参数难于获取的问题, 提出一种以激光光幕为有效传感区域的光电收发一体的测试方法。 通过分析三种不同类型战斗部爆炸火光特征光谱分布可知, 在0.3~1.0 μm波段内火光相对光强度较低。 以此为依据, 采用定距测时原理和原向反射技术, 由固体激光器、 菲涅尔透镜、 窄带滤光器、 高速光电传感器等关键光学元件构建破片速度参数获取的光学系统。 系统光路收发一体, 结构紧凑, 窄带滤光片与激光光源配合使用避开火光光谱, 有效抑制背景光的干扰。 采用该系统进行了不同型号、 当量的战斗部静爆破片速度参数测试现场实验, 通过美国NI数据采集系统记录数据并对信号进行去噪和识别, 成功获取了较高信噪比的波形信号。 实验结果表明: 本方案可完成爆心10~15 m附近破片速度的准确测试, 最小可测破片尺寸为4 mm, 获取破片速度可达1 200 m·s-1, 与靶板测试结果对比可知捕获率优于95%。 由于采用菲涅尔透镜形成矩形光幕, 光幕上下的光强分布一致, 水平方向光强均匀度达到80%以上, 因此系统还可初步区分预制破片速度与尺寸的对应关系。

针对重心法、高斯拟合法等传统的光斑中心定位算法存在抗干扰能力差、定位精度低等问题, 提出了一种以圆拟合算法为基础进行改进计算光斑中心的方法。采用56式冲锋枪进行实弹单发实验, 对测试系统获得的数据分别用改进圆拟合、高斯拟合及重心法进行处理。将处理结果与OFV5000激光速度计测试结果相比较, 改进圆拟合算法的相对误差仅为0.92%。结果表明: 该算法提高了抗干扰能力, 实现了光斑中心的快速、准确计算, 并且获得了**自动机运动规律。

为了测试一种玻璃微珠原向反射屏的发散角, 采用CMOS高速相机拍摄玻璃微珠原向反射屏反射回来的激光光束在硫酸纸屏上成像的激光光斑, 处理光斑图像, 根据一定的几何比例关系, 计算得到了原向反射屏的发散角角度, 其范围为0.907°~0.956°。结果表明, 该测试方法设计合理、数据可信, 具有一定实用价值。

研究了基于平行激光幕大面积弹着点坐标测试方法。以半导体激光线发生器为光源,用长焦距消球差的柱面菲涅耳透镜形成平行激光幕单元,通过多个平行激光幕单元的无缝拼接可形成大面积靶面。由于平行激光幕单元内沿宽度方向通量密度呈高斯分布,一定直径的弹丸通过光幕的不同横向位置时探测器获取信号不同,因此可根据信号的幅值来细分平行激光幕单元宽度范围内弹着点的位置。通过口径为7.62 mm 的实弹射击试验验证了细分方法的可行性。结果表明了该系统有足够的灵敏度能获取小目标的过靶信号;在10 m 长靶面的试验系统中测量坐标值与弹孔测量坐标值差值的标准差为5.16 mm。

介绍了一种枪械自动机运动规律光电检测系统,该系统由光电位置探测器(PSD)、激光器、原向反射片、数据采集装置及专用测试软件等组成.随自动机同步运动的原向反射片反射激光光束,光束经光学系统聚焦于PSD的光敏面上,产生随光斑中心变化的电信号.信号经过调理、采集、处理后得出自动机运动规律.分析及实验结果表明:该系统响应速度满足自动机测试要求,位置分辨率可达0.044 mm.能在恶劣环境下,对10～150 mm范围内的枪械自动机进行速度和位移测试.测试方法具有非接触、高精度、操作简便等特点.