基于紅外區(qū)截法的高炮射彈初速測(cè)量技術(shù)研究

賀治華， 程遠(yuǎn)增， 王春平， 梁冠輝

(軍械工程學(xué)院 光學(xué)與電子工程系，河北 石家莊 050003)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，高炮武器系統(tǒng)是抗擊中空、低空和超低空目標(biāo)的主戰(zhàn)兵器，其作戰(zhàn)對(duì)象的特點(diǎn)要求高炮具有射擊精度高、射擊速度快等特點(diǎn)。對(duì)中小口徑高炮來(lái)說(shuō)，射彈炮口初速變化對(duì)高炮射擊精度具有較大影響。當(dāng)高炮受使用環(huán)境影響使其初速發(fā)生明顯偏差時(shí)，若火控計(jì)算機(jī)輸出的射擊諸元不隨之進(jìn)行校正，必然導(dǎo)致射彈偏離目標(biāo)，從而大大降低高炮的射擊準(zhǔn)確度。據(jù)瑞士康特拉夫斯公司提供的數(shù)據(jù)，當(dāng)高炮初速存在偏差時(shí)，命中概率很快下降，初速偏差對(duì)射擊結(jié)果的影響很大。為提升高炮的射擊精度，需要進(jìn)行初速閉環(huán)校射以修正射彈初速偏差對(duì)彈目偏差量的影響，修正的前提是能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量射彈初速。

在傳統(tǒng)的射彈初速測(cè)量方法中，雷達(dá)測(cè)速、天幕靶[1]、光幕靶[2-3]等方法都是在炮口的后效區(qū)之外安裝和測(cè)量，屬于靜態(tài)測(cè)試，一般用于武器系統(tǒng)的校驗(yàn)測(cè)試。而在初速閉環(huán)校射中，射彈初速測(cè)量裝置應(yīng)固定在炮口前端，屬于隨動(dòng)測(cè)試，不受高炮射擊位置角度的影響，傳統(tǒng)的后效區(qū)外初速測(cè)量在此并不適用。作為一種后效區(qū)內(nèi)射彈初速測(cè)量方法，線圈區(qū)截法在炮口固定靶支架，支撐兩個(gè)相距一定距離的通電線圈，當(dāng)鐵磁性彈丸先后通過(guò)兩個(gè)靶線圈時(shí)，根據(jù)線圈磁通發(fā)生變化時(shí)間間隔計(jì)算通過(guò)兩個(gè)線圈中點(diǎn)的平均速度。線圈區(qū)截法在應(yīng)用中存在一些缺陷，比如炮彈發(fā)射后效區(qū)的沖擊波會(huì)對(duì)周邊空氣產(chǎn)生電離，干擾線圈法測(cè)速的精度；在炮彈連發(fā)時(shí)相鄰兩次初速測(cè)量采集會(huì)有一定耦合，造成分辨精度不高；只能針對(duì)鐵磁性炮彈，不適用于鉛彈、水彈測(cè)量等。

針對(duì)目前射彈初速測(cè)量方法的現(xiàn)狀，本文采用紅外區(qū)截法完成炮口后效區(qū)彈丸初速測(cè)量。在炮口外的一段距離設(shè)置若干組紅外發(fā)射和接收組件，當(dāng)彈丸通過(guò)時(shí)紅外線的發(fā)射通路被阻塞，接收組件感應(yīng)到紅外信號(hào)的變化后，檢測(cè)彈丸通過(guò)的時(shí)刻，進(jìn)而計(jì)算出彈丸的通過(guò)速度。紅外區(qū)截法電路簡(jiǎn)單，射彈通過(guò)時(shí)的紅外調(diào)制信號(hào)較為規(guī)則，易于精確定位射彈通過(guò)時(shí)刻，具有測(cè)速精度高、可靠性高，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的依賴性小等優(yōu)點(diǎn)。

1 射彈炮口初速

高炮初速閉環(huán)校射需要在高炮連續(xù)射擊過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量射彈初速，達(dá)到及時(shí)修正初速變化對(duì)射擊精度影響的目的。在內(nèi)彈道學(xué)中，炮口初速是指彈丸底部出炮口瞬間的速度。如圖1所示。剛離開(kāi)炮口時(shí)彈丸獲得初速vg，火藥燃?xì)庖愿哂趘g的速度噴出，并作用于彈丸?；鹚幦?xì)鈱?duì)彈丸的推力大于作用于彈丸的阻力，因而彈丸加速運(yùn)動(dòng)。隨著彈丸飛離炮口的距離增加，炮膛內(nèi)噴出的火藥燃?xì)夂芸煜蛩闹軘U(kuò)散，使火藥燃?xì)鈱?duì)彈丸的推力急劇下降。當(dāng)推力等于阻力時(shí)，彈丸飛行加速度為0，其飛行速度達(dá)到最大值vmax。此后火藥燃?xì)鈱?duì)彈丸的推力開(kāi)始小于阻力，彈丸飛行速度逐漸下降。

當(dāng)彈丸飛過(guò)后效期作用距離后，火藥燃?xì)鈱?duì)彈丸不再產(chǎn)生作用，此時(shí)作用于彈丸的力只有空氣阻力和重力，彈丸速度的變化規(guī)律開(kāi)始服從質(zhì)點(diǎn)空氣彈道方程，屬于外彈道學(xué)的研究范疇。外彈道學(xué)不考慮火藥燃?xì)夂笮趯?duì)彈丸飛行的影響，即彈丸質(zhì)心飛離炮口后只受空氣阻力和重力的影響。

在這種假設(shè)條件下，由彈道上實(shí)測(cè)的速度值根據(jù)質(zhì)點(diǎn)空氣彈道方程外推到炮口的速度作為彈丸飛行速度的起點(diǎn)，這個(gè)速度既不是彈丸質(zhì)心飛離炮口的實(shí)際速度vg，也不是彈丸實(shí)際飛行的最大速度vmax，而是一個(gè)虛擬速度v0。高炮射表描述的是炮彈在外彈道區(qū)域的位置變化規(guī)律，這樣初速閉環(huán)校射采用的是虛擬射彈初速v0，而不是真實(shí)炮口初速vg。

2 紅外區(qū)截法射彈測(cè)速原理

紅外區(qū)截法是在炮口后效區(qū)內(nèi)，利用射彈對(duì)紅外線傳播通道的遮擋測(cè)得彈道上某一段的平均速度，再推算出虛擬初速v0。

在彈丸的飛行路徑上，取兩點(diǎn)設(shè)置兩個(gè)紅外區(qū)截靶，如圖2所示。

當(dāng)彈丸飛過(guò)時(shí)擋住紅外線傳輸通道，靶1和靶2記錄下射彈飛過(guò)兩靶的時(shí)刻，則彈丸飛過(guò)兩靶的平均速度：

(1)

式中：s為兩靶的已知固定距離。圖2中的t1、t2是彈丸分別過(guò)靶1和靶2的時(shí)刻，設(shè)t=t2-t1。當(dāng)彈丸飛過(guò)第1個(gè)靶圈時(shí)，炮管已經(jīng)開(kāi)始后坐，靶圈也隨之后移，這樣當(dāng)彈丸飛過(guò)第2個(gè)靶圈時(shí)，第2個(gè)靶圈已經(jīng)后移了Δs的距離。彈丸飛過(guò)兩靶圈的實(shí)際距離為s-Δs。則彈丸通過(guò)兩靶中點(diǎn)的實(shí)際平均速度v1為:

(2)

假定后效區(qū)內(nèi)彈丸的速度增加及外彈道的虛擬速度下降修正值之和為Δv2，這樣虛擬射彈初速為:

v0=v-Δv1+Δv2

(3)

如果能夠使測(cè)速點(diǎn)的計(jì)算速度增量Δv1與彈丸從測(cè)速點(diǎn)飛達(dá)后效期結(jié)束時(shí)系統(tǒng)測(cè)量值丟失的彈丸速度增量Δv2相抵消，則初速測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)兩靶中點(diǎn)的平均速度v就是所需的炮口初速，無(wú)需補(bǔ)償。由于測(cè)速點(diǎn)后的彈速增加較慢，且距炮口越遠(yuǎn)彈速增加速度越慢，而彈丸在測(cè)速點(diǎn)后炮管后坐速度變大，通過(guò)二者比較，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置測(cè)速點(diǎn)到炮口的距離，就可使兩者相等。這就是炮口初速測(cè)量系統(tǒng)可直接測(cè)量炮口初速而無(wú)需補(bǔ)償?shù)幕驹怼?/p>

3 射彈初速測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

射彈初速測(cè)量系統(tǒng)分為3個(gè)部分，安裝于炮口前端的機(jī)電模塊、測(cè)試儀以及兩者之間的傳輸電纜，如圖3所示。炮口機(jī)電模塊安裝在炮口制退器的前端。炮彈出膛時(shí)，靶1、靶2位置的光電靶感測(cè)產(chǎn)生炮彈過(guò)靶電信號(hào)，通過(guò)傳輸電纜送到測(cè)試儀中。信號(hào)處理模塊首先對(duì)感測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大處理，再經(jīng)過(guò)閾值比較電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)輸出。示波器顯示放大處理后的傳感器模擬信號(hào)，作為調(diào)整閾值的參考。數(shù)字脈沖信號(hào)輸入單片機(jī)中，控制定時(shí)計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)停止，得到炮彈通過(guò)靶1靶2的時(shí)間，根據(jù)前面所述的測(cè)速原理，得到炮彈出膛初速值。這些數(shù)據(jù)通過(guò)485總線送到上位機(jī)，便于調(diào)試和監(jiān)控。

3.1 機(jī)電模塊

炮口機(jī)電模塊主要包括5個(gè)部分：套筒、支撐管、靶1、靶2、延長(zhǎng)管。套筒固定在炮口前端的制退器上，用于將機(jī)電模塊固定在炮口；4根支撐管將靶1、靶2和套筒緊密聯(lián)接固定起來(lái)。延長(zhǎng)管插入支撐管內(nèi)，末端為信號(hào)電纜插座。

光電靶的光路部件包括940 nm紅外光電發(fā)射二極管、接收端石英玻璃、接收端光電固定件和940 nm紅外光電接收二極管。發(fā)射二極管通電時(shí)，發(fā)

射出窄帶紅外光；接收二極管具有納秒級(jí)反應(yīng)速度，當(dāng)炮彈從光路中通過(guò)時(shí)，光路的通斷在紅外接收端形成開(kāi)關(guān)量脈沖信號(hào)。

紅外光電部件易受炮口焰的紅外光譜干擾。為使光電靶穩(wěn)定工作，發(fā)射接收光路部件工作頻帶匹配度較高，帶寬很窄；選用的接收二極管自帶紅外濾波外殼，可以濾除大部分的環(huán)境光能量和沖擊波光能量。

彈丸出炮口時(shí)，高溫、高壓的火藥氣體向側(cè)方劇烈膨脹，形成炮口沖擊波。光電靶安裝在炮口制退器的前方，這里的溫度壓力相對(duì)炮膛、炮口已經(jīng)減輕很多。既能實(shí)時(shí)采集炮彈通過(guò)信號(hào)，又不被高溫高壓氣流沖擊波毀壞。光電靶的光路部件安裝在機(jī)械殼體中，采用隔熱支架，避免高溫沖擊波通過(guò)機(jī)械殼體傳導(dǎo)到電子部件，造成高溫失效。采用耐高溫的石英玻璃作為光通路保護(hù)，可以為發(fā)射和接收二極管隔離炮口的高溫高壓環(huán)境。彈丸發(fā)射產(chǎn)生的火藥氣體煙霧會(huì)污染石英玻璃，降低紅外光線的通透性。故測(cè)量裝置架設(shè)時(shí)，安裝在炮口外側(cè)，采用管狀支架結(jié)構(gòu)，盡量降低煙霧沾染石英玻璃的程度。

3.2 測(cè)試儀信號(hào)處理

機(jī)電模塊輸出的光電信號(hào)處理流程如圖4所示。光電靶的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜傳送后，首先進(jìn)入電壓跟隨器，完成緩沖和交流信號(hào)耦合；通過(guò)施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過(guò)合并整形，變成前后靶的2個(gè)脈沖信號(hào)，各自通過(guò)單穩(wěn)觸發(fā)器整形成一定寬度的脈沖信號(hào)送出。

光電模擬信號(hào)受炮口焰的影響存在一些毛刺干擾，信號(hào)處理中采用施密特觸發(fā)器進(jìn)行合并整形，可以一定程度上抑制炮口焰干擾對(duì)后級(jí)判決電路的影響，提高測(cè)速精度。

實(shí)驗(yàn)室模擬炮彈自由落體穿過(guò)光電靶的感應(yīng)輸出信號(hào)如圖5所示，可以看出光電信號(hào)的上升沿寬度不大，能夠準(zhǔn)確測(cè)量模擬炮彈經(jīng)過(guò)時(shí)刻。

信號(hào)處理模塊送出的脈沖數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，送入單片機(jī)的中斷引腳，控制定時(shí)計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)停止，得到炮彈通過(guò)靶1靶2的時(shí)間，根據(jù)前面所述的測(cè)速原理，可以得到射彈炮口初速值。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證前述測(cè)速裝置的性能及紅外區(qū)截法測(cè)速技術(shù)的可行性，在靶場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)彈射擊初速測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)前將機(jī)電模塊安裝在某口徑高炮炮口的制退器上，通過(guò)電纜將機(jī)電模塊的信號(hào)輸出連接到后端的測(cè)試儀。試驗(yàn)中共實(shí)射測(cè)試了5發(fā)炮彈，得到了炮彈出膛速度值，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 某口徑高炮射彈初速測(cè)量結(jié)果

機(jī)電模塊中兩個(gè)光電靶的相隔間距為0.8 m，第1行給出了射彈經(jīng)過(guò)兩個(gè)光電靶的時(shí)間，第2行是經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的射彈初速。通過(guò)實(shí)彈射擊驗(yàn)證了紅外區(qū)截法測(cè)速技術(shù)的可行性。綜合分析光電靶的5組信號(hào)，光電信號(hào)能夠較準(zhǔn)確的檢測(cè)出射彈經(jīng)過(guò)時(shí)刻；從示波器波形上看，光電信號(hào)受到較多干擾信號(hào)影響，還需改善采集部分的裝置，比如增強(qiáng)發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度，這樣可以減輕炮口焰等對(duì)光電管接收光的影響；通過(guò)信號(hào)處理對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除少量光電干擾對(duì)彈丸通過(guò)脈沖的擾動(dòng)；研究自適應(yīng)彈丸過(guò)靶時(shí)刻閾值的確定方法，保證射彈初速測(cè)量的準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)高炮初速閉環(huán)校射的工程需求，本文給出了一種射彈炮口初速的實(shí)時(shí)測(cè)量方法。利用窄帶紅外組件探測(cè)炮彈經(jīng)過(guò)產(chǎn)生的信號(hào)調(diào)制，可以測(cè)量

炮彈經(jīng)過(guò)設(shè)定距離間隔的時(shí)間，由此計(jì)算炮口初速。根據(jù)炮口初速與外彈道初速的關(guān)系，設(shè)定適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)位置和區(qū)截長(zhǎng)度，考慮火炮射擊時(shí)炮管后坐速度可以得到初速校射所需的外彈道虛擬炮口初速，用于高炮初速閉環(huán)校射，提升高炮對(duì)空中打擊目標(biāo)的毀殲概率。

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