大量程光学共焦跟踪式三维弹头痕迹检测仪

　　1　引　言

　　在枪械性能分析与枪案刑侦工作中,需对弹头的发射痕迹进行测量和鉴别。目前对弹头痕迹特征的检验常用光学显微镜观察对比或分段摄像对比方法,这些方法效率低,受人为因素影响大,且通常得到的是平面图形和二维数据,包括美国联邦调查局的Drug-fire枪支对比系统和加拿大的IBIS枪支对比系统都忽略了高度信息,可提供识别参考的信息相对较少。为提高弹头识别分析的准确性,需要获取多种三维特征参数,同时应提供各种三维可视化图形,揭示特征参数所不能表达的细节特征。从而在提供三维特征参数和可视化图形集的条件下,实现枪弹痕迹的计算机自动识别。文中主要介绍一种新型的三维弹头痕迹非接触测量系统,该系统具有足够大的量程和较高的分辨率,可定量提取弹头发射痕迹的三维立体形貌。

　　2　仪器原理

　　仪器的工作原理如图1所示。被测弹头经专用夹具粘结在弹托上,测量前将其装夹在精密圆光栅回转工作台的主轴上,直流电机驱动其旋转,聚焦式非接触位移传感器的光针射向弹头的被测表面,圆光栅分度头每转过一定角度便发出一个计数脉冲控制系统进行采样,从而获取弹头一圈内表面高度变化量。测完一圈后,步进电机控制X向工作台移动一个节距,再测取第二圈的数据,依次将整个弹头的圆柱面部分测完,即可得到弹头圆柱表面的三维形貌数据,它们通过计算机分析处理,可得到表征弹头发射痕迹的三维特征参数和各种立体图形。

　　3　非接触式位移传感器和量程扩展

　　3.1　非接触式位移传感器的原理

　　本系统所采用的非接触式位移传感器原理[1~3]如图2所示。

　　其工作过程如下:半导体激光器发出的光束,经透镜L1聚焦在工件表面上,散射斑点像沿原光路返回到分光镜,通过透镜L2后经直角棱镜分为两束,投射在两组光电探测器上,产生聚焦误差信号, 当光束恰好聚焦在工件的表面时,4个光电管接收到同样的光强,FES =0;如果焦点高于工件表面,则外测光电管(A1,A2)接收的光比内侧(B1,B2)少;反之,如果焦点低于工件表面,则外侧光电管接收的光比内侧多,这样都会产生聚焦误差信号,此信号被转换成电流经放大推动音圈电机上下运动,保证显微物镜L1和工件表面被测点之间的相对位置不变,即光点始终聚焦在被测面上。当工作台带动工件移动时,音圈电机位置的连续变化反映了被测点高度的连续变化即被测表面形貌的信息,再由一与聚焦控制系统独立的电感测量信号来采集,就可获得被测表面形貌数据。传统的聚焦探测法是把聚焦光束当作探针,利用光电探测器测量被测表面的微观起伏偏离显微物镜焦点的微小离焦量,而离焦量的线性测量值就反映了被测表面的形貌,在测量过程中显微物镜静止不动。这种方法的不足之处在于线性范围较窄(约±6μm),光电探测器对被测表面的反射率和微观斜率变化较为敏感。位移与聚焦误差信号关系如图3所示。