靶場立靶密集度自動測量技術(shù)

邊 鵬，李艷娟，狄長安

(1.北方華安工業(yè)集團有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161006;2.南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

立靶密集度是評價直射式武器系統(tǒng)性能的一個重要指標。目前靶場實用的方法有草席靶法、薄木板法等人工測量方法，該類方法的共同特征是在射擊前在指定位置架設好靶板，射擊后通過人工測量彈著點的坐標后計算立靶精度。該方法存在一定的局限性，無法分辨連續(xù)射擊時的彈序;需要人工觀測報靶，存在一定的安全隱患;受氣象條件、架設方式以及架設人員影響較大，測量精度低;工作效率低，耗費人工物力。基于此，科研工作者紛紛展開了立靶密集度自動檢測系統(tǒng)研究。目前立靶密集度自動檢測系統(tǒng)按照測量原理來分主要有被動聲定位坐標靶和光電坐標靶2種。

1 光電法

1.1 CCD光電測量法

CCD光電測量法包括面陣式和線陣式2種。面陣式CCD光電測量方法主要是通過高速面陣CCD相機拍攝彈丸過靶的圖像，然后通過獲取的圖像解算彈丸過靶的位置信息。CCD面陣測量法又可分為主動式測量和被動式測量法。利用自然光輔助面陣CCD相機捕捉彈丸過靶信號的測量過程稱為主動式測量。利用人造光源輔助高速CCD相機拍攝彈丸進行檢測的過程稱之為被動式測量法。面陣式CCD測量系統(tǒng)組成和操作較為復雜，在使用過程中對相機性能和圖像的解算算法要求較高，很難用于較大靶面。

CCD線陣交匯測量一般將兩臺CCD相機交叉放置，光軸相交點為靶心成90°，2臺相機視場交匯區(qū)為測試可用靶區(qū)，彈丸過靶時會在線陣CCD相機中留下陰影，將陰影轉(zhuǎn)換為灰度并進行二值化處理后可以根據(jù)陰影的位置信息求出彈丸過靶坐標。文獻［1］中利用CCD交匯法測量彈丸坐標，靶面為3.5 m×3.5 m，最大測量誤差1 mm。AVL公司1990年研制的交匯式線陣CCD，靶面為2 m×2 m，可用于大口徑彈丸的立靶精度測量?；诰€陣CCD的測量方法具備較高的靈敏度，實時性強，但在使用過程中受限于氣象、光源和采集圖像的處理算法，對于大靶面、高速物體的測量時，CCD很難實施精確測試。

1.2 多光幕法

多光幕測坐標法如圖1所示。其中靶1與靶4以間距L放置，靶2與靶1成α1角度放置，靶3與靶4成α2角度放置。可以由彈丸穿過不同靶面時的過靶時間和速度確定穿過靶面的長度，從而確定其坐標。西安工業(yè)大學的李晉惠，王鐵嶺等［2］制作了四光幕天幕靶，用于測試彈丸坐標和速度，7.62 mm彈丸的坐標測試精度不低于3.5 mm。但需要假設彈丸是垂直靶面入射的，而且光幕靶的光幕是鍥形的，在不同的高度光幕厚度不一，存在抗光干擾能力較差、探測靈敏度較低、測試區(qū)域小，誤差影響因素大等問題。

圖1 四天幕靶測量彈著點坐標與速度原理圖

文獻［3］中在四光幕靶的基礎上研制了六光幕靶，實驗數(shù)據(jù)表明，對于800 m/s的飛行目標，相鄰兩靶的間距為500 cm時，六光幕靶系統(tǒng)的測試精度約為±15mm。

1.3 圓弧柱面反射鏡和共軛光學法

圓弧柱面反射鏡和共軛光學測量法的系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，M點的激光器垂直于反射鏡母線發(fā)射激光束，光線經(jīng)過反射鏡反射后被位于N點的該系統(tǒng)的光敏二極管接收，其中M、N點位于共軛位置。當彈丸過靶時引起光通量的變化，光敏二極管檢測到該變化后送后續(xù)電路處理，形成彈丸過靶形成的通斷信號來測量彈著點坐標。

圖2 反射鏡與共軛光學系統(tǒng)組成測試系統(tǒng)

文獻［4］中利用此方法設計了激光光幕靶，能夠形成φ600mm，精度0.1%的圓形靶。文獻［5］中在該靶的基礎上設計了基于微珠玻璃原向反射器和光纖光錐的1 500 mm×1 500 mm靶面的光幕靶，同時改進了激光器件、光學器件和探測器，增強了系統(tǒng)抗光干擾的能力。

圓弧柱面反射鏡和共軛光學法測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件光學部件設計較為繁瑣，制造加工比較困難;大靶面的擴展需要更大功率的激光器件，因此用該方法進行大靶面的擴展難度較大。需要注意的是，使用該方法測量時，容易受到自然光和曳光彈的干擾，引起多余的干擾信號。

1.4 激光與光電管陣列法

該種方法一般采用光電對射原理，將激光點光源拼接成發(fā)射陣列，接收敏感器件組裝在一起拼接成接收陣列，發(fā)射陣列與接收陣列面對面安裝，即在發(fā)射陣列與接收陣列之間形成一層光幕。當彈丸通過光幕時，遮擋光幕會引起接收陣列收到的光通量的變化，在對應的位置上的接收陣列將會給出彈丸過靶的通斷信號來定位彈丸的坐標。

將激光光源進行合理的拼接可以得到不同尺寸的靶面，不過大靶面的制作需要大量的激光發(fā)射和接受器件，而且體積越來越大，調(diào)試與運輸困難，整體重量和成本難以控制，因此不利于大靶面的擴展。另外激光器的拼接會存在較大的縫隙，存在著某些探測盲區(qū)。以上原因，使得采用激光與光電管陣列法制作的光幕靶的有效測試面積收到限制。

英國MSI公司的生產(chǎn)的此類坐標靶，其有效范圍2 000 mm×2 000 mm，測速精度3～5 mm。文獻［6］與文獻［7］分別設計了基于平行激光對射式光電坐標靶，靶面從500 mm×500 cm～4 200 mm×4 200 mm，測量分辨率為2～3 mm，文獻［8］中用64對激光管和光電探測器件研制了分辨率為12.5 mm的光幕靶。

1.5 光電法存在的問題

光電法測量彈著點坐標和彈丸速度在響應速度、測量精度等方面存在巨大的優(yōu)勢，同時測量原理簡單、直觀，易于被接受，但是在使用及推廣過程中也存在著一些不足:

1)大靶面的擴展導致系統(tǒng)難度增大。靶面的擴展對機械系統(tǒng)及光學系統(tǒng)的加工精度，接收器件的靈敏度，材料的性能，安裝及攜帶的方便性都提出了嚴重的挑戰(zhàn)。

2)抗光、震動和沖擊干擾的能力不足。光學系統(tǒng)抗干擾性能較差，包括發(fā)射時強烈的震動與沖擊、強光的干擾、生物體的干擾以及發(fā)射過程相關(guān)產(chǎn)物的干擾等都使得光電系統(tǒng)面臨極大的挑戰(zhàn)。

2 聲靶法

假設超音速飛行的彈丸為一對稱的紡錘體，紡錘體前面的激波為頭激波，尾部的激波為尾激波，如圖3所示。當其經(jīng)過空氣中某點時，引起的激波壓力變化曲線如圖4所示。由于其形似英文字母N，故常被稱之位N波。圖4為某型小口徑炮彈以1 000 m/s左右速度飛行時產(chǎn)生的激波波形。

圖3 對稱紡錘體超音速飛行圖

圖4 小口徑炮彈丸激波波形

聲靶法測量彈著點坐標和彈丸速度的原理是通過測量彈丸在空氣中超音速運動時所激發(fā)的彈丸激波實現(xiàn)定位。事先在某些位置安裝激波測量用聲音傳感器，當彈丸在空氣中高速運動時，會引起其周圍的空氣發(fā)生擾動，形成疏密變化的壓力波向周圍擴散，該壓力波即為彈丸激波，該壓力波作用于聲音傳感器產(chǎn)生電信號，通過獲取的各傳感器的信號計算激波到達各測量點的時差，采用相應的模型解算出彈著點的坐標信息。激波到達傳感器的時延取決于傳感器的陣列的布置方法，可以通過優(yōu)化傳感器的布局陣列的布置方法及數(shù)學模型來提高彈丸的坐標的定位精度。目前，常用的聲定位方法主要有金屬桿式聲定位法與點陣式聲定位法2種。

2.1 金屬桿式聲坐標靶

金屬桿式聲坐標靶是利用彈丸激波掃過預先布置的L形金屬桿引起的震動，通過分別測量震動波到達L形金屬桿兩端的時間差來確定彈著點坐標。AVL526型與MSI的ACOUSTIC TARGET TYPE 530坐標靶是其中的佼佼者，AVL526主要性能指標為:靶面尺寸2 m×2 m;定位精度:±2.5mm;記錄連發(fā)的數(shù)據(jù):20條;適用口徑:5.56～30 mm彈丸;彈道垂直靶面:偏斜±0.25°以內(nèi)。MSI的 ACOUSTIC TARGET TYPE 530，如圖5所示，主要性能指標為:1 m×1 m，2 m×2 m和6 m×3 m靶面積可調(diào)，2 m×2 m靶面內(nèi)精度±5mm。

圖5 530金屬桿式坐標靶

2.2 點陣式聲學坐標靶

2.2.1 地面布置線陣聲學坐標靶

地面點線陣聲學坐標靶是在靶面附近布置若干聲傳感器，其特征為所有的聲傳感器沿排列為一直線。通過測量彈丸通過靶面時彈丸激波到達各個傳感器的時延，利用根據(jù)傳感器布陣方法建立的數(shù)學模型的求解來解算彈著點坐標。

西北核技術(shù)研究所研制的ATS－1型聲坐標靶，共由7個聲傳感器組成，其中6個沿水平X軸等間距布成一列，另外一個置于X軸前方，形成丁字形陣，布陣示意圖如圖6所示［6］?？梢詼y量彈丸速度與彈著點坐標，主要性能指標為:1 m×1 m～12 m×12 m測量靶面;標準誤差≦0.5%靶高。

圖6 ATS－1型陣列式聲靶陣列圖

文獻［9］設計了一種點陣式聲學坐標靶，采用平面7點式布陣方法。對速度為1 000 m/s左右、直徑14.5 mm的彈丸，有效射擊靶面積為1 m×1 m，無風時測量誤差達到±7mm。

文獻［10］設計了點陣式聲學坐標靶，其布陣模型如圖7所示，采用8點式直線布陣模型。對為速度1 000 m/s、直徑14.5 mm的彈丸，有效射擊靶面積為2 m×2 m，測量誤差可達±7mm。

圖7 八點直線式聲電坐定位原理圖

2.2.2 L 形聲學坐標靶

文獻［11］中設計了一種點陣式聲學坐標靶，采用L型布陣模型，傳感器布陣方法如圖8所示，測量靶面可達10 m×10 m，測量標準誤差為±7cm。

圖8 L型點陣式聲學坐標靶

2.2.3 地面布置面陣式聲坐標靶

在圖7所示線陣的基礎上，將傳感器陣列排列成三角陣、扇形陣等，其排列方法如圖9所示。作為其中的佼佼者，英國MSI公司的ACOUSTIC TARGET TYPE 541與文獻［12］研制的ZBS10系列，技術(shù)性能指標為:動態(tài)靶面積為2 m×2 m，測量精度為±5mm;10 m×10 m靶面為±20mm。

圖9 地面布置面陣式聲坐標靶

2.3 聲坐標靶選擇問題

當測量靶面大小為1 m×1 m～3 m×3 m時，點陣法測量精度約為3～10 mm，而金屬桿式聲坐標靶試驗標準偏差約為1～2 mm，點陣式聲坐標靶的測量精度相對較低。但是，如果利用金屬桿法設計10 m×10 m測量靶面的彈著點測量系統(tǒng)，兩根金屬靶桿需要各需10 m長，這使得靶桿的加工困難，架設也相當不便;同時靶架過于笨重，不便于運輸與安裝。另外，靶桿易被炮彈擊中，系統(tǒng)安全性差，不方便安裝和運輸。

點陣法的聲傳感器布陣方式不受靶面限制，可根據(jù)需要進行靈活設計，可以以較小體積的布陣建立合適的數(shù)學模型來實現(xiàn)大靶面彈著點坐標的測量，系統(tǒng)安全性能高;結(jié)構(gòu)簡單，部件組裝、拆卸容易，操作使用方便，便于攜帶運輸，特別適合于多功能靶場的測試需求。綜上所述，點陣法更適用于大靶面定位系統(tǒng)。

3 大靶面彈著點被動聲定位尚需解決的問題

1)大靶面的彈著點被動聲定位系統(tǒng)，如果測試系統(tǒng)體積過大，較笨重，除易被彈丸擊中而破壞外，還容易產(chǎn)生較大加工誤差。因此，小體積的高精度定位方法研究，是未來研究重點內(nèi)容之一。

2)大靶面測量時，激波到達聲傳感器的傳播路徑更長，易受到各種因素的干擾，易使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的定位誤差。聲傳感器布陣模型，對應數(shù)學模型的優(yōu)化設計，以增強測量系統(tǒng)的抗干擾能力及解算穩(wěn)定性，是大靶面被動聲定位系統(tǒng)研究需要重點解決的問題之一。

3)激波傳播的距離、方向、溫度與空氣密度的變化，聲傳感器指向特性的影響，使得傳感器獲取的激波信號并不相同，加上由調(diào)理電路及聲傳感器的個體差異引起的激波相移，都會對測時造成影響。因此，激波到達聲傳感器的時延獲取方法，也是需要研究的內(nèi)容之一。

綜上所述，未來大靶面立靶密集度自動聲定位技術(shù)主要解決的問題為精度問題以及由此展開的激波的特性、傳感器的特性及穩(wěn)定性強、精度高的定位模型問題等研究，提高聲定位的精度。

4 結(jié)束語

在立靶準確度及密集度試驗組織實施過程中，立靶靶面尺寸的確定尤為重要。為了保證一組彈藥的彈著點全部在立靶上，要求靶面尺寸應足夠大，彈著點落在8倍的中間誤差范圍內(nèi)的概率幾乎為100%，因此立靶高和寬均一般取為中間誤差的16倍;對于進行校正射擊的火炮，立靶高和寬均為中間誤差的8倍。目前，靶場承擔從20～155 mm口徑的身管武器系統(tǒng)各項試驗，在以不脫靶為原則就需準備很大的靶面，一般要求靶面范圍2 m×2 m～10 m×10 m。同時，試驗還需要滿足:靶面應垂直于地面和射向，其偏差不應大于3°，測試精度不大于1/4彈徑，安裝、架設方便，操作簡單。

同時，從前文分析，被動聲定位方法與光電式坐標靶相比，進行大靶面測量時具有以下優(yōu)點:

1)測試方法及測試系統(tǒng)組建簡單，更容易組建大靶面立靶密集度測量系統(tǒng)，滿足靶場的測試需求;

2)聲傳感器體積較小，架設于地面，可以通過挖溝進行防護，不易被彈丸擊中;

3)不受能見度及雜散光的影響，可用于曳光彈的測試，也可晝夜工作;

4)被動聲定位系統(tǒng)體積小、重量輕，易于運輸

5)被動聲定位系統(tǒng)性能穩(wěn)定、捕獲率高，可靠性高。

因此，在靶場應用中，尤其是大靶面立靶密集度測量中，在對測試精度無嚴格的限制下，應優(yōu)先選擇地面布置面陣式聲坐標靶，安全性能好，測試精度相對線陣較高。

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(責任編輯楊繼森)