一種短靶距區(qū)截測速裝置靶距標(biāo)定方法

楊衛(wèi)華，高豐佳，倪晉平，董濤，譚林秋，開百勝

(1.中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測試研究院，陜西 華陰714200；2.西安工業(yè)大學(xué) 陜西省光電測試與儀器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710021；3.中國兵器工業(yè)集團(tuán)有限公司 黑龍江北方工具有限公司，黑龍江牡丹江157000)

0 引 言

在槍、炮、彈、發(fā)射藥的研制、生產(chǎn)及性能檢測中，彈丸速度是一項(xiàng)較為重要的參數(shù)，彈丸速度是衡量身管武器性能是否合格的一項(xiàng)重要指標(biāo)?，F(xiàn)有常用的彈丸速度測量裝置分為兩種：一種是基于區(qū)截測速原理的測量裝置，如線圈靶[1]、天幕靶[2-5]、光幕靶[6-8]等；另一種是基于多普勒原理的雷達(dá)測速[9-11]。雷達(dá)測速的優(yōu)點(diǎn)為設(shè)備布置方便，可以獲得彈丸的連續(xù)速度曲線；而區(qū)截測速裝置的優(yōu)點(diǎn)為設(shè)備測量原理相對簡單、成本低，可以準(zhǔn)確得到彈丸距離炮口某一點(diǎn)的速度，此外，天幕靶和光幕靶等區(qū)截測速設(shè)備配合高速數(shù)據(jù)采集儀及相應(yīng)的速度測量軟件可以完成高射頻連發(fā)武器系統(tǒng)的彈丸速度測量，或者是一些尺寸較小的破片等速度的測量，這是測速雷達(dá)較難完成的，所以在現(xiàn)有雷達(dá)設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛的今天，線圈靶、天幕靶、光幕靶等區(qū)截測速設(shè)備因其自身的優(yōu)點(diǎn)，仍然被廣泛應(yīng)用與靶場彈丸速度的測量當(dāng)中。

對于自帶主動光源的主動式天幕靶和光幕靶等測速裝置而言，在實(shí)際使用當(dāng)中，靶距短意味著整個裝置占用的空間較小，靶架裝置更加容易設(shè)計(jì)和加工，同時其強(qiáng)度更容易保證，且不容易變形。然而，對于靶距較短（靶距一般小于2 m 或者更?。┑膮^(qū)截測速裝置，靶距S 的測量精度直接影響到彈丸速度的測量精度，并且從區(qū)截裝置測速原理和誤差測量公式[12]可以看出，在同樣靶距測量誤差下，靶距越短，速度測量誤差越大，在一些短靶距測速情況下，無法采用精度更高的方法，所以提高短靶距測速裝置的靶距測量精度對于提高整個測速裝置的速度測量精度有著直接的影響。現(xiàn)有測量靶距的方法一般為采用精度較高的鋼卷尺或是激光測距儀，簡單方便，現(xiàn)場直接測量，鋼卷尺的測量精度根據(jù)自身精度和測量距離的不同而不同，一般在1 mm 以上，而較高精度的激光測距儀的測量誤差也在1 mm 左右。為進(jìn)一步提高靶距測量精度，本文提出采用長靶距測速裝置標(biāo)定短靶距測速裝置靶距S 的方法，通過標(biāo)定試驗(yàn)和比對測速的方法，反演計(jì)算出需要標(biāo)定的靶距，得到較為精確的靶距。

1 短靶距區(qū)截測速裝置鋼卷尺測距誤差分析

分析式(4)可知：速度V測量相對誤差ΔV等于時間間隔T測量相對誤差ΔT與靶距S 測量相對誤差ΔS的和。當(dāng)時間間隔T、靶距S及其相對誤差ΔS不變時，速度V測量相對誤差ΔV與時間間隔T測量相對誤差ΔT成正比；當(dāng)時間間隔T測量相對誤差ΔT、靶距S及其相對誤差ΔS不變時，速度V測量相對誤差ΔV與時間間隔T成反比；當(dāng)靶距S、時間間隔T及其相對誤差ΔT不變時，速度V測量相對誤差ΔV與靶距S測量相對誤差ΔS成正比；當(dāng)靶距S測量相對誤差ΔS、時間間隔T及其相對誤差ΔT不變時，速度V測量相對誤差ΔV與靶距S成反比。

在測量彈丸速度時，V是未知的，其相對誤差ΔV是無法控制的，時間間隔T的值與靶距S與速度V均相關(guān)，較難改變。因此，想要提高彈丸測速的相對誤差ΔV就需要增大靶距S的值，或者減小靶距S測量相對誤差ΔS、時間間隔T及其相對誤差ΔT。對于靶距S，當(dāng)其增大時會影響整個測量設(shè)備的體積，S越大，測量設(shè)備就越龐大且笨重；對于靶距S測量相對誤差ΔS，實(shí)驗(yàn)中一般使用鋼卷尺測量靶距S，國標(biāo)GB10633-89規(guī)定的Ⅰ級精度的鋼卷尺的誤差為

式(5)中，Δ的單位為mm，而L的單位為m，它是需要測量的長度值，當(dāng)長度不是整數(shù)時，取接近的較大的整數(shù)倍值。則當(dāng)靶距S為0.5 m時，靶距S測量相對誤差ΔS為

實(shí)際實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，由于一般鋼卷尺的最小刻度為1 mm，毫米以下的數(shù)位就需要實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行估讀，且一些人為的誤差是不可避免的，因此，當(dāng)采用鋼卷尺量程小于2 m時，一般認(rèn)為靶距S測量相對誤差ΔS為1 mm。采用高精度的激光測距儀（型號：徠卡D5）測量兩臺天幕靶的靶距S，其誤差同樣為1 mm。傳統(tǒng)的基于測時儀測量彈丸飛行時間的精度約為2 μs(2×10-6s)，當(dāng)彈丸速度為1000 m/s時，計(jì)算最終彈丸速度相對測量誤差最大值為

從以上分析和計(jì)算可知，采用鋼卷尺測量靶距，當(dāng)靶距為0.5 m左右時，系統(tǒng)速度測量相對誤差大于0.1%，并且從式（7）和式（8）的計(jì)算結(jié)果可知，在靶距測量誤差相同的情況下，彈丸速度越高，測速精度越低，反之，彈丸速度越低，測速精度越高，所以需要尋求其它方法解決靶距精確測量的問題。

2 靶距標(biāo)定方法原理

如圖1所示，采用長靶距離測速裝置對短靶距離測速裝置的靶距S進(jìn)行標(biāo)定，探測光幕Ⅰ和Ⅳ組成區(qū)截測速裝置1，探測光幕Ⅱ和Ⅲ組成區(qū)截測速裝置2，4個光幕相互平行，采用兩套測速系統(tǒng)對同一發(fā)彈丸的飛行速度進(jìn)行測量，由區(qū)截裝置測速原理可知：

從式(13)可以看出，彈丸穿越探測光幕Ⅰ和Ⅳ的時間T1越長，最終靶距S2的標(biāo)定精度越高，下面以兩種彈丸為例對靶距S2的測量誤差ΔS2進(jìn)行計(jì)算。

首先，以7.62 mm步槍彈為例對測量誤差ΔS2進(jìn)行計(jì)算，設(shè)彈丸速度V約為1000 m/s，靶距S1為10 m整，靶距S2約為0.5 m，需要進(jìn)一步精確標(biāo)定，則彈丸飛越光幕Ⅰ和光幕Ⅳ的時間T1為0.01 s，彈丸飛越光幕Ⅱ和光幕Ⅲ的時間T2為0.0005 s，用激光測距儀測量靶距S1產(chǎn)生的誤差ΔS1為1 mm，時間測量誤差ΔT1和ΔT2為2 μs(2×10-6s)，將上述各參數(shù)代入式(13)可得

最終計(jì)算結(jié)果為ΔS2=0.25 mm。

以氣槍彈為例對測量誤差ΔS2進(jìn)行計(jì)算，設(shè)彈丸速度V約為150 m/s，同樣，靶距S1為10 m整，靶距S2約為0.5 m，需要進(jìn)一步精確標(biāo)定，則彈丸飛越光幕Ⅰ和光幕Ⅳ的時間T1為0.066 667 s，彈丸飛越光幕Ⅱ和光幕Ⅲ的時間T2為0.003 333 s，用激光測距儀測量靶距S1產(chǎn)生的誤差ΔS1為1 mm，時間測量誤差ΔT1和ΔT2為2 μs(2×10-6s)。將上述各參數(shù)代入式(13)可得

最終計(jì)算結(jié)果為ΔS2=0.08 mm。

通過以上分析和計(jì)算可知，采用彈丸飛行速度較小的氣槍彈對靶距進(jìn)行標(biāo)定，最終的標(biāo)定精度較高，采用長靶距速度測量系統(tǒng)與短靶距速度測量系統(tǒng)進(jìn)行測速對比的方法，理論上可以將靶距測量誤差由1 mm減小到0.08 mm。

圖1 速度對比法標(biāo)定靶距原理示意圖

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 靶距標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

采用兩臺天幕靶配光源和測時儀組成的長靶距測速系統(tǒng)對一套光幕靶和測時儀組成的短靶距測速系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，兩臺天幕靶靶距S1通過精確調(diào)整和測量后為10 m，測量誤差為±1 mm，光幕靶靶距S2約為0.5 m，還需要進(jìn)一步精確標(biāo)定，采用雙通道XG2002-Ⅱ型電子測時儀對彈丸飛越兩套測速靶的時間進(jìn)行測量。射擊槍彈為4.5 mm氣槍彈，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，其中T1為彈丸飛越兩臺天幕靶的時間間隔，T2為彈丸飛越光幕靶兩個光幕的時間間隔。實(shí)驗(yàn)彈種為氣槍彈，由表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：通過每一組時間T1和T2及長靶距S1根據(jù)式(10)均可以計(jì)算出一個短靶距S2，10組數(shù)據(jù)對應(yīng)的S2的平均值為501.355 mm。

表1 用氣槍彈標(biāo)定靶距實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 測速對比實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

經(jīng)過長靶距測速系統(tǒng)標(biāo)定后的短靶距測速系統(tǒng)的靶距誤差最大為0.08 mm，小于0.1 mm，靶距誤差按照0.1 mm計(jì)算，時間測量精度按照2 μs(2×10-6s)計(jì)算，則最終短靶距測速系統(tǒng)的測速誤差為

計(jì)算得到的0.1%的相對測速誤差滿足一般測速裝置在實(shí)際靶場的要求。

為驗(yàn)證經(jīng)過靶距標(biāo)定的短靶距測速系統(tǒng)的速度測量精度，采用JYJ-90型天幕靶與光幕靶進(jìn)行彈丸速度對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中使用氣槍彈，射擊10發(fā)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表2中，其中V1為光幕靶測得速度，V2為JYJ-90型天幕靶測得速度，分析表2得：JYJ-90型天幕靶與光幕靶測速系統(tǒng)的測速相對誤差均不 大 于0.1%，與理論分析的最大誤差0.1%基本一致。

表2 兩種測速系統(tǒng)氣槍彈對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

本文提出采用長靶距區(qū)截測速裝置標(biāo)定短靶距測速裝置兩靶距離的方法，論述了采用對比的方法對靶距進(jìn)行標(biāo)定的思路，并通過理論分析證明采用彈丸速度較低的氣槍彈丸更能提高標(biāo)定精度，使得靶距測量誤差由傳統(tǒng)的鋼卷尺和激光測距儀的1 mm 減少至0.08 mm，并通過理論誤差分析和氣槍彈實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，0.08 mm 的靶距測量誤差使得被標(biāo)定靶距的光幕靶速度測量誤差減小至小于0.1%，所提出的靶距標(biāo)定方法為設(shè)計(jì)高精度的短靶距區(qū)截測速裝置提供了理論依據(jù)。