[其他]测量运动目标转速和线速的方法与装置

说明书

本发明提出一种实时测量运动目标自转速度和直线速度的方法与装置。它采用光学物镜，将目标及其监测区域成象于视场光栏，当带有标记的目标在视场内出现时，通过对图象的光电扫描和空间滤波以及进行其它模拟电子技术处理，同时测得运动目标自转速度和沿扫描方向的直线速度两种信息，终端经微机处理，给出所需数据。

本发明主要涉及转速测量技术，特别是运动目标的实时转速测量技术，也涉及直线速度和自转速度的同时测量。

某些运动目标（如枪弹、炮弹、乒乓球、排球等）具有随机性、一次性、高速度、高旋转的特点。对这类观测角速度大且一瞬而过的小型目标进行实时转速测量，被认为是国内外长期以来难于解决的问题。

目前，枪弹或乒乓球的转速测量多采用高速摄影法。其基本原理是通过如图1中所示摄影物镜〔3〕使监测区域〔1〕直接或间接成象于焦平面的感光胶片〔5〕上，目标〔2〕通过监测区时，胶片和图象相对高速运动，从而把目标的转速变化过程分解记录在一系列胶片上，通过判读得出数据。高速摄影法的原理示意图如图1所示。各式各样的高速摄影机几乎都存在下列缺点①由于是采用感光胶片收集记录信息，难于进行实时测量;②设备复杂;③成本较高。

现有的非接触型转速测量仪表，由于不具备广角成象和图象处理的特性，因而无法从背景中搜索、甄别和提取目标，只能进行定点的转速测量，对于运动目标，特别是高速的、随机的、一次性的目标无能为力。比较有代表性的如Z-2型多功能数字转速计，其原理示意图示于图2。它依靠聚光镜〔8〕对准放在固定位置的旋转物体〔6〕上的反射条标记〔7〕，物体转动时，反射条随之转动并在光源〔10〕照射下产生相应的周期性光辐射，通过聚光镜后被光敏元件〔11〕接收，变成周期性电信号，经处理得到转速数据。该转速计的缺点是只有当聚光镜对准目标反射条标记的位置时，才能正常工作，而聚光镜的对准范围极窄，稍有偏离，仪器立即失效。

本发明以实时测量运动目标的自转速度和同时测量包括直线速度在内的二种参数为目的，提供测量方法和装置的原理、结构、实现方法等。

本发明是采用如图3所示的光学物镜〔14〕将目标〔13〕及其监测区域〔12〕成象于视场光栏〔26〕，以该图象作为采集信息的媒介，当带有标记的运动目标在视场内出现时，通过对图象进行光电扫描和空间滤波，获取包含目标自转速度和直线速度的时序电信号，经选放滤波、检波、鉴频等电子技术处理，得到所需数据。

所谓扫描，是按一维或二维的规律连续移动瞬时视场，通过扫描部件的旋转实现光探测器对监测区域的依次、反复、高速取样，将监测区域内目标和背景的光辐射转变成相应的时序电信号。

瞬时视场是由扫描狭缝的形状和尺寸决定的，其形状尺寸的设计主要考虑最佳空间滤波的原则，即利用目标和背景的尺寸不同，选择最佳狭缝宽度，以获取最高信噪比。

扫描方式采用一维扫描，具有简单易行和帧频容易提高的优点，但其信噪比没有二维扫描高，后者可将信噪比提高N倍，N为扫描行数，但二维扫描之帧频将同时降低N倍，实际设计中可视具体要求而选定。由于二维扫描是一维扫描在时域上的延续，二者的分析是一致的。

下面给出扫描狭缝为矩形，目标为圆形时，一维光电扫描的输出目标时序电信号S（t）的近似表达式，其原理示意图如图3所示。

（注意：瞬时视场的取样频率α/C至少大于目标最高自转频率2倍）

其中：K-光探测器的灵敏度系数

ρ-目标的半径

I₀-目标在象面上的最大照度

M-目标自转信息的调制度

C-视场光栏沿扫描方向的宽度

α-扫描狭缝和图象的相对运动速度

v-目标象沿扫描方向的直线运动速度

λ-扫描狭缝沿扫描方向的宽度与C之比

F-目标自转频率

为简化分析，目标自转信号用其基波表示：