基于相位法的炮口初速測量系統(tǒng)設(shè)計

岳宇辰，趙富全，張金忠

(裝甲兵工程學(xué)院 兵器工程系，北京 100072)

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基于相位法的炮口初速測量系統(tǒng)設(shè)計

岳宇辰，趙富全，張金忠

(裝甲兵工程學(xué)院 兵器工程系，北京 100072)

針對某型小口徑自動炮的炮口初速測量困難的問題，設(shè)計了一種基于相位法的炮口初速測量系統(tǒng)。介紹了測量系統(tǒng)的基本原理和測試流程，使用集成金屬接近探測器CS209A和模擬鎖相環(huán)NE564搭建硬件電路，由鎖相環(huán)電路輸出經(jīng)CS209A獲取的彈丸通過炮口兩確定距離上的感應(yīng)線圈時產(chǎn)生的始末相位的相位差信號，并采用LabVIEW編寫的處理軟件對采集的相位差信號進(jìn)行分析計算，獲得彈丸炮口初速。試驗結(jié)果表明，該測量系統(tǒng)測試結(jié)果可靠，適合部隊推廣使用。

CS209A；鎖相環(huán)；炮口初度；動態(tài)測量

炮口初速是研究火炮系統(tǒng)內(nèi)、外、終點彈道性能，確定、評價、檢驗火炮系統(tǒng)總體性能的一個重要參數(shù)[1]。在設(shè)計武器和彈藥產(chǎn)品的科研、生產(chǎn)及產(chǎn)品交驗過程中，初速參數(shù)的檢測是必不可少的[2]。通過初速測試可以驗證設(shè)計和研制的效果。

由于高射速火炮彈丸射頻高、連發(fā)時炮口持續(xù)火焰等難題，傳統(tǒng)的炮口初速測量方法[3-4]如天幕靶測速法、線圈靶測速法和光幕靶測速法等在面對此類問題時的適用性和測試精度都難以差強人意，存在受外部環(huán)境因素影響大、測試設(shè)備體積大、操作不便等問題[5]。而且上述方法均為外測法，并不是真正地在炮口獲取彈丸速度。筆者設(shè)計了一種利用相位差檢測炮口初速的測量系統(tǒng)，使用金屬接近探測器CS209A檢測彈丸相位，高速鎖相環(huán)NE564獲取彈丸相位差信號，對信號進(jìn)行處理后得到彈丸炮口初速。系統(tǒng)的體積小巧，可以安裝在炮口位置，高射速火炮連續(xù)發(fā)射時炮口持續(xù)火焰和外界環(huán)境條件對其影響小。

1 基本原理

炮口初速測量系統(tǒng)采用區(qū)截法原理，組成原理圖如圖1所示。金屬探測器CS209A的探測線圈嵌于火炮身管口的專用夾具中，專用夾具、線圈、火炮身管的中心線共線。2個探測線圈相距為d，且結(jié)構(gòu)、材料完全相同。

當(dāng)彈丸發(fā)射后開始接近第1個線圈時，由該線圈和并聯(lián)電容組成的金屬探測器外部諧振電路的Q值減小，導(dǎo)致諧振器的電壓下降，當(dāng)諧振器的包絡(luò)達(dá)到一定值的時候，金屬探測器輸出狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，直至彈丸完全離開線圈后金屬探測器的輸出狀態(tài)再次發(fā)生轉(zhuǎn)換，輸出一個近似方波的脈沖信號，該信號的相位為θi1。當(dāng)彈丸完全通過第2個線圈時，第2個金屬探測器輸出第2個近似方波的脈沖信號，該信號相位為θi2。此時2個脈沖信號的相位差θe為

θe=θi2-θi1=2πv/d

(1)

2個脈沖信號經(jīng)過整形后分別被送入高速鎖相環(huán)NE564中進(jìn)行相位比較，由鎖相環(huán)輸出一個與θe成正比的穩(wěn)定電壓值Ud為

Ud=Kdθe

(2)

式中，Kd是鑒相器的增益因子，V/rad。

由于彈丸處于高速飛行的狀態(tài)，且距離d小于彈丸自身長度，可近似認(rèn)為在彈丸通過d過程中速度不變。相位差θe在一次測量中是固定的，可以忽略不計類多普勒效應(yīng)。將式(2)帶入式(1)求得炮口初速

v=Ud·d/(2π·Kd)

(3)

2 測試流程

系統(tǒng)的測試流程如圖2所示，系統(tǒng)上電，彈丸擊發(fā)。當(dāng)彈丸飛行接近第1個線圈時，第1個金屬探測器CS209A由于外部諧振器Q值改變導(dǎo)致輸出狀態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生的第1個脈沖信號經(jīng)過整形后進(jìn)入鎖相環(huán)電路。當(dāng)彈丸接近第2個線圈時，第2個金屬探測器輸出第2個脈沖信號并經(jīng)過整形后進(jìn)入鎖相環(huán)電路。鎖相環(huán)具有頻率跟蹤特性，可使輸入和輸出的信號相位差保持恒定。恒定的相位差使鎖相環(huán)中的鑒相器(PD)輸出一個維持恒定的電壓Ud。利用此電壓值可以計算出2個脈沖信號的相位差θe。通過數(shù)據(jù)采集卡對Ud進(jìn)行采集，將Ud送入計算機經(jīng)過計算得到彈丸的炮口速度。

3 硬件設(shè)計

3.1 金屬接近探測器電路設(shè)計

CS209A搭建的金屬接近探測器電路如圖3所示，它主要功能由一個振蕩器實現(xiàn)。

為了保證電路的精度，這個振蕩器是由外部的感應(yīng)線圈-電容諧振器和連接在OSC和RF端之間的晶振共同組成。經(jīng)過計算，該型小口徑火炮發(fā)射的兩種彈丸產(chǎn)生的相位差信號最高頻率不超過30 kHz，所以選用的振蕩器為標(biāo)準(zhǔn)的26～32.768 kHz的晶振。為做好電路的阻值保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計晶振的電阻為7.5 kΩ，檢測距離約為2.54 mm。

階躍恢復(fù)二極管(SRD)V1具有大的存儲時間和極小的暫態(tài)時間，文獻(xiàn)[6]指出SRD對上升時間小于800 ps的矩形脈沖進(jìn)行整形，使其上升時間降低至140±20 ps的范圍。為了得到良好的瞬態(tài)響應(yīng)性能，使用V1對4腳輸出的脈沖信號進(jìn)行整形，如圖3所示。

3.2 相位檢測電路設(shè)計

相位檢測電路采用的模擬鎖相環(huán)NE564最高工作頻率可達(dá)50 MHz，可以滿足該型小口徑火炮各類彈丸的炮口初速測定需求。其內(nèi)部電路圖如圖4所示，其中4、5腳外接電容組成環(huán)路濾波器，用來濾除鑒相器PD的比較器輸出的直流誤差電壓中的紋波， PD是模擬鎖相環(huán)NE564中鑒別兩個輸入信號相位差的模塊。外部電路如圖5所示，2腳接R2和變阻器R，通過微調(diào)R來改變環(huán)路的增益，3腳和6腳分別輸入來自2個CS209A的脈沖信號，3腳輸入的脈沖信號作為6腳輸入的脈沖信號參考，當(dāng)環(huán)路鎖定時，兩者的相位差保持恒定，恒定的相位差使PD維持一個恒定的電壓輸出，經(jīng)放大和直流恢復(fù)后近似形成一個方波脈沖信號通過14腳輸出。

4 軟件設(shè)計

炮口初速計算軟件采用LabVIEW軟件編寫，圖6為軟件前面板。程序初始化后先對串口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，判斷數(shù)值是否有效，如果有效便進(jìn)行射彈計數(shù)，然后根據(jù)采集到的數(shù)值進(jìn)行炮口初速的計算，并存儲結(jié)果。

5 測試結(jié)果及分析

試驗火炮是一門服役時間較短，技術(shù)狀況良好的火炮。該火炮炮口初速的實際測試數(shù)據(jù)為vci,為了對測速裝置的測速誤差進(jìn)行合格性檢測，下列試驗數(shù)據(jù)以2臺測速雷達(dá)的測試數(shù)據(jù)的平均值作為真值vz0i，i為發(fā)數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，在置信水平為1-α=0.90條件下，取誤差檢驗樣本數(shù)n=18。

火炮發(fā)射的第i發(fā)彈丸時，測試炮口初速vci的相對測速誤差Ei為

Ei=(vci-vz0i)/vz0i

(4)

測速誤差E為

(5)

應(yīng)用概率論與數(shù)理統(tǒng)計理論中的假設(shè)-檢驗的方法處理該炮口初速測量系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)與測速雷達(dá)測量數(shù)據(jù)，尋求該測量系統(tǒng)測速誤差合格判據(jù)[8]。

一種判據(jù)是測速誤差E應(yīng)該不大于誤差指標(biāo),即

E≤η

(6)

1)原假設(shè) H0: E2≤η2。

2)備擇假設(shè) H1: E2>η2。

檢驗統(tǒng)計量χ2為

χ2=nE2/η2

在一定置信水平1-α條件下，查χ2分布表，測速誤差接受域為

(7)

否則為拒絕域。

表1為一組測速誤差數(shù)據(jù)檢測表，從表1中可得n=18,E=0.27%。規(guī)定該測量系統(tǒng)的測速誤差指標(biāo)η=0.25%，將其作為該測量系統(tǒng)的測速誤差指標(biāo)，那么可以計算出檢驗統(tǒng)計量χ2為

表1 測速誤差數(shù)據(jù)檢測表

不同的顯著水平條件下，測速誤差合格判定結(jié)果如表2所示。

表2 測速誤差在不同α下的判定結(jié)果

從上述分析中可以看出，通過式(6)可以判斷該炮口初速測量系統(tǒng)的測速誤差指標(biāo)不合格。但從概率論和數(shù)理統(tǒng)計觀點出發(fā)，在α<0.20水平上該炮口初速測量系統(tǒng)的測速誤差指標(biāo)能達(dá)到要求。由文獻(xiàn)[8]可知，判據(jù)式(7)比式(6)在描述具有隨機性的測速誤差時更科學(xué)合理，因此，可以認(rèn)為該測量系統(tǒng)可達(dá)到測速雷達(dá)的精度誤差指標(biāo)要求。

6 結(jié)束語

針對該型小口徑火炮發(fā)射的特點，筆者提出了一種基于相位法的彈丸炮口測速系統(tǒng)，設(shè)計了測速系統(tǒng)的整體方案，搭建了硬件電路和編寫了相應(yīng)的軟件。經(jīng)過結(jié)果對比，可以看出該炮口初速測量系統(tǒng)可行性高，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、精度高、實時性強等優(yōu)點，同時能夠適應(yīng)同類連射火炮的彈丸初速測量，適合部隊推廣使用。但測試結(jié)果分析得出該測量系統(tǒng)在α=0.20時測速誤差被判定為不合格，顯著性水平稍小，證明該測量系統(tǒng)的精度尚有提升空間。

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Design of Initial Muzzle Velocity Measurement System Based on Phase Difference Method

YUE Yuchen, ZHAO Fuquan, ZHANG Jinzhong

(Department of Arms Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Nowadays, measuring the initial muzzle velocity of a certain make of widely equipped small caliber automatic gun is still a difficult problem. As for the problem, an initial muzzle velocity measu-rement system was designed based on phase difference method. The paper introduced the basic principle and the testing process of the measurement system through the use of the metal detection sensing applications CS209A and the artificial phase-locked loop circuit NE564 for the construction of the hardware circuit. When the shell gets through two coils which are away from a certain distance, two electrical phase signals will be produced and acquired by the CS209A, and then the phase-locked loop circuit NE564 will be used to output the phase difference signal. The LabVIEW is used to program the data analyzing software and calculating the initial muzzle velocity from the data acquired from the phase-locked loop. The experimental results of the measurement system show that the muzzle velocity measurement system is reliable and suitable for its popularization in the army．

CS209A; phase-locked loop; initial muzzle velocity; dynamic measurement

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.03.013

2015-10-21

岳宇辰(1992—)，男，碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)運用與保障工程技術(shù)研究。E-mail：gonzo123@sina.com

TJ410.6

A

1673-6524(2016)02-0061-04