[发明专利]一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试系统及方法

权利要求书

1.一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试系统，其特征在于：包括激光雷达成像系统(1)和线阵图像传感器成像系统(2)，测试目标为超高速运动圆锥体目标(3)；所述的激光雷达成像系统(1)包括电路板(1.1)、激光器(1.2)、透镜系统(1.3)、APD阵列(1.4)；所述的线阵图像传感器成像系统(2)包括分光镜(2.1)、光学系统(2.2)和双线线阵图像传感器(2.3)；

所述的激光雷达成像系统(1)用于测量超高速运动圆锥体目标(3)的距离信息，光路为：电路板(1.1)控制激光器(1.2)发射一束脉冲激光，脉冲激光分别经过激光器(1.2)上方的透镜系统(1.3)和与透镜系统(1.3)光轴呈45°夹角的分光镜(2.1)后照射在超高速运动圆锥体目标(3)上，超高速运动圆锥体目标(3)表面反射脉冲激光，反射回来的脉冲激光再次透过分光镜(2.1)打在APD阵列(1.4)上，通过APD阵列(1.4)能够获取超高速运动圆锥体目标(3)发生反射作用的表面上所有点的距离信息，通过电路板(1.1)的处理获得超高速运动圆锥体目标(3)上距离APD阵列(1.4)最近的点到APD阵列(1.4)的距离信息；

所述的线阵图像传感器成像系统(2)用于得到超高速运动圆锥体目标(3)在双线线阵图像传感器(2.3)成像的像素数，光路为：超高速运动圆锥体目标(3)表面反射自然光，反射的自然光经过分光镜(2.1)的反射作用后经过光学系统(2.2)，光学系统(2.2)对分光镜(2.1)反射的自然光有会聚作用，会聚后成像在双线线阵图像传感器(2.3)上，从而得到超高速运动圆锥体目标(3)在双线线阵图像传感器(2.3)成像的像素数。

2.基于上述一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试系统实现的一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一、激光雷达成像系统(1)获取超高速运动圆锥体目标(3)的距离信息；

首先，电路板(1.1)控制激光器(1.2)发射一束脉冲激光，脉冲激光分别经过激光器(1.2)上方的透镜系统(1.3)和与透镜系统(1.3)光轴呈45°夹角的分光镜(2.1)后照射在超高速运动圆锥体目标(3)上，超高速运动圆锥体目标(3)表面反射脉冲激光，反射回来的脉冲激光再次透过分光镜(2.1)打到APD阵列(1.4)上，通过APD阵列(1.4)能够获取超高速运动圆锥体目标(3)发生反射作用的表面上所有点的距离信息，通过电路板(1.1)的处理获得超高速运动圆锥体目标(3)上距离APD阵列(1.4)最近的点到APD阵列(1.4)的距离信息；在激光雷达成像系统(1)中，APD阵列(1.4)到分光镜(2.1)的距离为L₁，超高速运动圆锥体目标(3)上距离分光镜(2.1)最近的点到分光镜(2.1)的距离为L₂，因此，超高速运动圆锥体目标(3)的距离信息为L₁+L₂；

步骤二、线阵图像传感器成像系统(2)对超高速运动圆锥体目标(3)成像；

超高速运动圆锥体目标(3)表面能够反射自然光，反射回来的自然光经过分光镜(2.1)的反射作用后经过光学系统(2.2)，光学系统(2.2)对分光镜(2.1)反射的自然光有会聚作用，会聚后成像在双线线阵图像传感器(2.3)上，从而得到超高速运动圆锥体目标(3)在双线线阵图像传感器(2.3)成像的像素数Ns；光学系统(2.2)到反射镜(2.1)的距离L₃需要满足L₃＝L₁；

步骤三、计算超高速运动圆锥体目标(3)的外形尺寸；

通过步骤一得到超高速运动圆锥体目标(3)的距离信息，以及步骤二得到超高速运动圆锥体目标(3)的外形像素数Ns后，通过几何光学原理获得超高速运动圆锥体目标(3)的外形尺寸，表达式如下：

公式(1)中，D为超高速运动圆锥体目标(3)直径，d为超高速运动圆锥体目标(3)在双线线阵图像传感器(2.3)中像的大小，w为双线线阵图像传感器(2.3)的像元尺寸，Ns为超高速运动圆锥体目标(3)在双线线阵图像传感器(2.3)中占有的像素数，β为光学系统(2.2)轴向放大率，f′为光学系统(2.2)焦距，L′为光学系统(2.2)像距，L为光学系统(2.2)物距，光学系统(2.2)物距L即为超高速运动圆锥体目标(3)到光学系统(2.2)的距离L₂+L₃；由于L₃＝L₁，超高速运动圆锥体目标(3)到光学系统(2.2)的距离L₂+L₃等于步骤一中激光雷达成像系统(1)获取的超高速运动圆锥体目标(3)距离信息L₁+L₂；

步骤四、利用快速动态误差补偿方法反演超高速运动圆锥体目标(3)真实外形尺寸；

双线线阵图像传感器(2.3)在一次曝光时间内，超高速运动圆锥体目标(3)将产生较大的运动量，在图像上表现为双线线阵图像传感器(2.3)中像素的增加，因此，通过动态误差补偿方法反演出超高速运动圆锥体目标(3)真实外形尺寸。

3.根据权利要求2所述的一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试方法，其特征在于：具体实现方法如下；

超高速运动圆锥体目标(3)圆锥的锥度为θ，双线线阵图像传感器(2.3)的行频为f，在某个横截面上超高速运动圆锥体目标(3)的真实直径为D_l，测量得到的超高速运动圆锥体目标(3)的直径为D_s，双线线阵图像传感器(2.3)的总像素数为N，超高速运动圆锥体目标(3)在双线线阵图像传感器(2.3)中成像的像素数为N_s，超高速运动圆锥体目标(3)飞行速度为v，在双线线阵图像传感器(2.3)的一次曝光时间内，超高速运动圆锥体目标(3)横向方向上运动的距离D_p为：

根据超高速运动圆锥体目标(3)的真实直径D_l，测量得到的直径D_s和横向方向上运动的距离D_p构成的几何关系，得出如下函数关系式：

公式(3)中α是超高速运动圆锥体目标(3)测量得到的直径D_s和超高速运动圆锥体目标(3)圆锥体母线的夹角，β是超高速运动圆锥体目标(3)真实直径D_l和测量得到的直径D_s之间的夹角，通过对关系式(3)的求解，能够得超高速运动圆锥体目标(3)真实直径D_l和测量得到的直径D_s的关系式，如公式(4)所示：

根据超高速运动圆锥体目标(3)测量得到的直径D_s、横向方向上运动的距离D_p和已知的超高速运动圆锥体目标(3)的圆锥度信息，能够反演出超高速运动圆锥体目标(3)的真实直径值D_l，即完成对超高速运动圆锥体目标(3)外形尺寸测试；所述的圆锥度信息包括超高速运动圆锥体目标(3)的锥度θ、超高速运动圆锥体目标(3)真实直径D_l和测量得到的直径D_s之间的夹角β。