光敏管阵列激光靶基于横截面积分的体积估算

第３６卷第１期　
２０１４年２月　

探测与控制学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ　
ＶｏＩ．３６　Ｎｏ．１　

Ｆｅｂ．２０１４　

光敏管阵列激光靶基于横截面积分的体积估算　
王　磊，赵冬娥，刘　吉，王占选，刘媛媛　
（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原０３００５１）　

摘　要：针对光敏管阵列激光靶体积估算现存的参数多、过程繁琐等问题，提出了光敏管阵列激光靶基于横截　
面积分的体积估算方法。该方法通过计算每个采样时刻物体遮挡ｘ、ｙ轴的尺寸得到物体在该时刻的横截面　
积，再以物体在相邻采样时刻内运动的间隔位移为积分元对所有采样时刻物体的横截面积进行积分完成对物　
体的体积估算。仿真表明基于横截面积分的体积估算算法具有误差小、可靠性高的优点，在提高靶场测试的测　
试范围和测试精度方面，具有很大的实用价值。　
关键词：靶场试验；测试；激光靶；体积估算　
中图分类号：ＴＮ４０９　文献标志码：Ａ　文章编号：１１０８—１１９４｛２０１４）０１—００５１—０３　

Ｖｏｌｕｍｅ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ　Ａｒｒａｙ　Ｌａｓｅｒ　Ｔａｒｇｅｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　
Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　
ＷＡＮＧ　Ｌｅｉ，ＺＨＡ０　Ｄｏｎｇ’ｅ，ＬＩＵ　Ｊｉ，ＷＡＮＧ　Ｚｈａｎｘｕａｎ，ＬＩＵ　Ｙｕａｎｙｕａｎ　
（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，　
Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ）　
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ｗｅｒｅ　ｔｏｏ　ｍａｎｙ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｃｕｍｂｅｒｓｏｍｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｉｎ　ｅｓｔｉ—　
ｍａｔｉｎｇ　ｖｏｌｕｍｅ　ｏｆ　ｏｂｊｅｃｔｓ　ｆｏｒ　ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ　ａｒｒａｙ　ｌａｓｅｒ　ｔａｒｇｅｔ，ａ　ｖｏｌｕｍｅ－ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　
ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ　ａｒｒａｙ　ｌａｓｅｒ　ｔａｒｇｅｔ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ｏｂｊｅｃｔ　Ｓ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｏｂ—　
ｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｔｈｅ　Ｘ　ａｎｄ　Ｙ　ａｘｉｓ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｏｂｊｅｃｆｓ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎａｌ　ａｒｅａ　ａｔ　ｅｖｅｒｙ　ｓａｍｐｌｉｎｇ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｉｎｔｅ—　
ｇｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ　ａｒｅａ　ｔｏ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｂｊｅｃｔ　ｗｉｔｈ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｂｅ—　
ｔｗｅｅｎ　ａｄｊａｃｅｎｔ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｅｌｅｍｅｎｔ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ａｌ—　
ｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ　ａｒｅａ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｈａｄ　ｓｍａｌｌ　ｅｒｒｏｒ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．　
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ￣ｒａｎｇｅ　ｔｅｓｔ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｌａｓｅｒ　ｔａｒｇｅｔ；ｖｏｌｕｍｅ　ｅｓｔｉｍａｔｅｓ　

０　引言　
体积估算是靶场测试中一项重要的测试指标，　
精确地体积估算结果为分析被测物体动能提供了重　
要的数据支撑＿１］。　
在过去的国内靶场测试中对运动物体进行体积　
估算的研究并不多［２≈］，目前，最新提出的一种体积　估算方法是：根据不同测量物体（长方体、柱体、球　体）的形状利用其体积计算公式进行体积估算［　。　这种体积估算方法涉及的参数多，估算过程较繁琐。　本文针对运动物体体积估算提出一种基于积分的体　积估算方法。　光敏管阵列激光靶原理　光敏管阵列激光靶测试系统由起始靶和停止靶　两部分组成，两靶平行且相距固定靶距，如图１所　
示。起始靶和停止靶的硬件构成完全相同，图２为　
靶面的详细结构，左下角的０作为坐标平面的原　

＊收稿日期：２０１３—０８—２３　
基金项目：教育部科学研究重点项目资助（２１１Ｏ２７）　
作者简介：王磊（１９８９～），女，河南濮阳人，硕士研究生，研究方向：光电探测理论与技术。Ｅ－ｍａｉｌ：３５２２５９８５０＠ｑｑ．ｃｏｍ。　
５２　探测与控制学报　
点，水平方向为Ｘ轴，垂直方向为ｙ轴。在Ｘ轴和　ｙ轴上各有一组平行激光光幕，两组平行激光光幕　交汇后到达对面与其平行的光敏管阵列，光敏二极　管之间无间隙紧密排列。测试过程中，平行激光光　幕开启并保持稳定，光敏管阵列都处于工作状态。　没有物体经过时，每个光敏管都能接收到对面发射　的激光，当有物体经过光幕交汇区时，遮挡部分光，　被遮挡的光无法被Ｘ轴和ｙ轴方向上的光敏二极　管探测到，使得电平转换电路的输出电平发生跳变，　采集的数字信号也随之变化。　始…一　图１测试系统示意图　Ｆｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　图２平行光幕区　Ｆｉｇ．２　Ｐａｒａｌｌｅｌ　ｓｃｒｅｅｎ　ａｒｅａ　最新提出的一种体积估算方法通过对柱体、双　椎体、球体进行体积公式的推导对物体进行体积估　算。这种体积估算方法存在以下缺陷：１）估算方法　涉及的参数多，估算过程较繁琐；２）对运动物体规格　要求较高，物体必须是柱体、双椎体、球体等非常规　则的形状才能进行体积估算；３）当物体不是垂直人　射时，该体积估算方法会产生较大误差。　２基于横截面的体积估算　对于人射的规则形状物体，利用公式构造数学　模型涉及参数较多且过程繁琐，通过在三维空间对　每个采样时刻运动物体横截面进行积分可实现对物　体体积的估算。　如图３所示，物体斜入射经过二维激光光幕时　
会在Ｘ轴和ｙ轴方向遮挡到达光敏管阵列探测器　
的光（以长方体为例），采集系统将每个采样时刻Ｘ　
轴和ｙ轴上被挡光的光敏管的数量采集下来，根据　
遮挡的光敏管个数信息可得出物体遮挡激光光幕的　
横截面的直角边的长度（图３中加粗的直线），经计　
算可得该采样时刻下挡光截面的面积。　

图３斜入射情况Ｆ物体与激光光幕相对位置图　
Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｂｊｅｃｔｓ　ｗｉｔｈ　
Ｌａｓｅｒｓｃｒｅｅｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｏｆ　ｏｂｌｉｑｕｅ　ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　

在某一采样时刻，物体经过光幕时横截面在Ｘ　
轴（ｙ轴）的最大值ｚ计算公式为：　
ｌ＝ｎ×ｌ　（１）　
其中　为被遮挡光敏管个数，ｚ　为光敏管宽度。　
如图４所示，运动物体经过光幕时在Ｘ轴方向　
遮挡４个光敏管的光，在ｙ轴方向遮挡３个光敏管　
的光，每个光敏管宽度为４　ｍｍ，则物体ｘ轴长度为　
１６　ｍｍ，Ｙ轴长度为１２　ｍｍ。　
＇，　

图４物体遮挡Ｘ、Ｙ轴不意图　
Ｆｉｇ．４　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｏｂｊｅｃｔ　ｏｂｓｔｒｕｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｘ．　
Ｙ　ａｘｉｓ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　
依据物体的Ｘ、ｙ轴方向的尺寸，可以计算出该　
采样时刻横截面为椭圆（包括圆）和长方体（包括正　
方体）的面积Ｓ，以物体在相邻采样间隔的间隔位移　
ｄＬ作为积分元对所有采样时刻物体横截面积进行　
５８　探测与控制学报　
求对于杀伤人员地雷在正常探测器材条件下能够产　
生相当于一整块８　ｇ铁的探测信号。该标准主要针　对难于探测的塑料壳体防步兵地雷，要求在引信触　发机构或附件中增加金属部件含量，满足可探测性　要求。本文提出采用不锈钢纤维填充塑料内层羰基　铁粉外层的地雷壳体，其金属含量随壳体尺寸而不　同，而且电子引信中也含有金属器件，理论上符合地　雷可探测性标准。对加工的地雷壳体样品１和样品　２（未置人引信电路）以及单独的顶盖，利用单兵金属　探雷器在正常条件下进行探测试验，探雷器信号反　应正常，说明该地雷壳体满足可探测性要求。　４结论　本文设计了兼具电磁屏蔽与电磁隐身功能的新　型复合材料地雷壳体，该雷体采用注塑工艺，将ＳＳＦ　作为ＰＡ树脂的导电填料，ＳＳＦ填充量为１５　质量　比，制备３　ｍｍ厚的电磁屏蔽内层地雷壳体；利用羰　基铁粉吸收剂，质量占比６０　，制备２　ｍｍ厚的电　磁吸波地雷壳体外层。通过Ｕｗ　ＥＭＰ辐照效应、　ＳＡＲ模拟探雷和磁模拟等实验表明；该雷体具有较　好的电磁屏蔽与电磁隐身性能，不影响地雷引信正　常工作，能有效提高地雷抗电磁干扰毁伤和防远距　离雷达探测等战场生存能力。下一步将重点进行多　层复合材料加工工艺、材料理化特性、雷体连接孔缝　等研究，为新型地雷壳体工程化研制提供依据。　参考文献：　

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（上接第５３页）　
４　结论　
本文提出了光敏管阵列激光靶基于横截面积分　
的体积估算方法。该方法通过计算每个采样时刻物　
体遮挡Ｘ、ｙ轴的尺寸得到物体在该时刻的横截面　
积，再以物体在相邻采样时刻内运动的间隔位移为　
积分元对所有采样时刻物体的横截面积进行积分完　
成对物体的体积估算。仿真表明基于横截面积分的　
体积估算方法误精确度较高，该体积估算方法对于　
提高靶场测试的效率、测试范围和精确度具有重要　
作用。　

参考文献：　
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