一種激光網(wǎng)靶式橢圓彈孔檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)研究

譚慶 周愛國(guó) 龍紅 李海軍 胡建波

（湖南國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南省湘潭市 411207）

身管壽命已成為制約武器發(fā)展的重要因素之一。我國(guó)對(duì)身管壽命的考核標(biāo)準(zhǔn)有3項(xiàng)指標(biāo)，分別為彈丸密集度、彈丸初速下降、橢圓彈孔率。其中，橢圓彈孔的定義為：彈孔長(zhǎng)軸為短軸的1.25倍以上的判定為橢圓彈孔。

槍彈密集度和槍彈初速的自動(dòng)化檢測(cè)已經(jīng)有較為成熟的解決方案，但橢圓彈孔率，即槍彈著靶姿態(tài)檢測(cè)目前存在幾個(gè)方面的問題：

首先，現(xiàn)有槍彈著靶姿態(tài)檢測(cè)方式較為粗放。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有辦法均是目測(cè)紙靶上的彈孔長(zhǎng)軸和短軸比以進(jìn)行判斷，存在較大誤差。

其次，對(duì)槍彈著靶姿態(tài)的統(tǒng)計(jì)存在著較大的人為誤差。如圖1所示為3發(fā)射彈在紙靶上留下的彈孔，孔的長(zhǎng)軸為短軸的1.5倍左右，測(cè)試人員在統(tǒng)計(jì)時(shí)極有可能會(huì)認(rèn)為1發(fā)著靶，2發(fā)脫靶，判定為出現(xiàn)了橢圓彈孔。

圖1：靶紙

再者，現(xiàn)有槍彈著靶姿態(tài)檢測(cè)的方式占用時(shí)間長(zhǎng)，工作量大。在槍管壽命實(shí)驗(yàn)中，射手完成一次短射擊循環(huán)后需更換靶紙，取下的靶紙經(jīng)人工檢查、測(cè)量和拍照后進(jìn)行存檔，工作量較大，調(diào)取查找不方便。

國(guó)內(nèi)對(duì)炮彈膛內(nèi)和膛外的姿態(tài)測(cè)量方法均較多。劉海珍[1]提出了一種火炮膛內(nèi)彈丸抖動(dòng)姿態(tài)光學(xué)測(cè)量法。邱海迪[2]提出了一種基于三軸磁傳感器測(cè)量偏轉(zhuǎn)角的高轉(zhuǎn)速?gòu)椡枳藨B(tài)計(jì)算方法。郭晶晶[3]以38mm防爆彈為研究對(duì)象，提出了一種由磁傳感器測(cè)量彈丸姿態(tài)角的方法。王元?dú)J[4,5]提出了一種利用測(cè)速雷達(dá)實(shí)現(xiàn)炮彈飛行姿態(tài)的方法。閆愛天[6]提出了地磁傳感器與MEMS陀螺儀組合的彈丸測(cè)量技術(shù)。王寶元[7]基于PSD激光成像測(cè)試原理提出了一種彈丸卡膛姿態(tài)測(cè)試方法。朱平安[8]提出了一種彈載記錄儀作為彈丸飛行試驗(yàn)中獲取彈丸飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)量方法。總的來說，對(duì)膛外炮彈姿態(tài)的測(cè)量，一種是采用內(nèi)置傳感器的方式進(jìn)行，這對(duì)尺寸較小的槍彈存在技術(shù)難度較大、性價(jià)比低等問題，對(duì)于動(dòng)輒射擊上萬發(fā)槍彈的槍管壽命試驗(yàn)來說，過于昂貴。另一種雷達(dá)測(cè)姿的方式同樣不適用于槍彈。相比于炮彈，槍彈飛行時(shí)間短，反射面小，采用雷達(dá)對(duì)槍彈姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，靈敏度和精度均難以保證。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)常用5.8mm至14.5mm口徑槍彈著靶姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)、準(zhǔn)確、快速檢測(cè)，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以激光測(cè)速網(wǎng)靶為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套激光網(wǎng)靶檢測(cè)橢圓彈孔的裝置。

1 測(cè)量原理

彈丸直徑記為d，彈丸質(zhì)心偏離幾何中心距離記為L(zhǎng)，則彈丸在靶紙上留下的短軸最小尺寸dmin=d+2L，彈丸質(zhì)心偏離幾何中心的距離一般在0.05mm以內(nèi)，因此，可將彈丸直徑視為彈孔短軸長(zhǎng)度。

如圖2所示，在彈著點(diǎn)處安裝一面垂直于身管軸線的激光網(wǎng)靶。激光網(wǎng)靶激光束直徑為D，激光束間距Δh為。

圖2：激光網(wǎng)靶橢圓彈孔檢測(cè)原理圖

如圖3所示，依據(jù)激光位移傳感器安裝位置，給激光網(wǎng)靶橫向激光束和縱向激光束依次編號(hào)，當(dāng)彈丸通過激光網(wǎng)靶時(shí)，會(huì)遮擋激光束，產(chǎn)生電信號(hào)變化，信號(hào)經(jīng)放大和處理后傳遞給計(jì)算機(jī)，被遮擋的激光束處為有彈丸通過。

激光束間距記為Δh。如圖3所示，彈丸命中激光網(wǎng)靶時(shí)，遮擋水平和豎直激光束的數(shù)量分別記為n1和n2，彈丸正常著靶時(shí)，遮擋的最少激光束數(shù)量：n1min=n2min=d/Δh；

允許的最多遮擋激光數(shù)量：

n1max=n2max=[1.25d/Δh+3]

如圖3(b)所示，出現(xiàn)橢圓彈孔的判定依據(jù)為：

圖3：激光橢圓彈孔檢測(cè)效果圖

n1>n1max或n2>n2max

為減少激光位移傳感器的數(shù)量，使用反射鏡將激光束往復(fù)反射的方式生成激光網(wǎng)靶。激光網(wǎng)靶布置如圖4所示，準(zhǔn)備兩塊靶框A和B，每塊靶框內(nèi)的激光束與激光束之間的間距均為Δh，A框激光發(fā)射器發(fā)射的激光光幕寬度為h，激光幕與其反射激光幕的間距為h+2Δh。將A框B框z向?qū)R，y方向上錯(cuò)開距離h，x方向上距離h+Δh布置時(shí)，兩塊靶框剛好在x方向上構(gòu)成一組間距為Δh的光幕。發(fā)射的激光光幕寬度為2h+Δh寬，生成的光幕寬度是可根據(jù)反射鏡組的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整的超寬光幕。應(yīng)用同樣的方法，可以在z方向上形成相同的光幕。如此x、z向的光幕組成了一張等疏密度的激光網(wǎng)靶。采用該激光光幕生成方式，可減少激光傳感器數(shù)量90%。

圖4：激光網(wǎng)靶結(jié)構(gòu)原理圖

2 控制原理

本裝置電氣系統(tǒng)由激光器組合、信號(hào)采集處理控制器、電源模塊、控制界面、以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)組成。

圖5：控制系統(tǒng)工作示意圖

控制箱控制面板由小型的顯示屏及相關(guān)控制按鍵和指示燈組成，顯示平只顯示當(dāng)前模式，當(dāng)前測(cè)試數(shù)據(jù)等必要信息；激光傳感器組件以及控制存儲(chǔ)模塊均由內(nèi)部電源模塊供電，工作時(shí)可是同內(nèi)部鋰電池組，也可以直接使用外部220V市電或者使用24V直流電源；激光傳感器組采用NPN常開型，工作電流200mA，工作頻率1khz，由Δt=1/f可知，可測(cè)最小時(shí)間間隔為1ms，對(duì)應(yīng)射頻為60000發(fā)/分，一次性可以連續(xù)采集100發(fā)，可以滿足所有武器系統(tǒng)的測(cè)試要求；數(shù)據(jù)采集處理模塊使用DSP28335，該芯片處理速度快，I/O接口多，功耗低；采集、處理的數(shù)據(jù)直接儲(chǔ)存與內(nèi)置的SD卡中，方便讀取。

控制設(shè)備分為，采集、存儲(chǔ)、查看三種模式，采集模式測(cè)試的時(shí)候使用，存儲(chǔ)用來保存當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)保存后會(huì)自動(dòng)退回采集模式，查看模式可以查看之前保存過的數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)還可以通過SD卡導(dǎo)出系統(tǒng)，退出查看模式系統(tǒng)也會(huì)返回采集模式。

系統(tǒng)開機(jī)默認(rèn)在采集模式，此時(shí)當(dāng)有彈丸穿過激光靶時(shí)，彈丸會(huì)遮擋部分激光束，從而產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)，處理器對(duì)應(yīng)變量置一，則nsum=n1+n2+…+n10，從而得出彈丸穿過激光靶時(shí)遮擋激光束的個(gè)數(shù)，若則可判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)符合要求。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證使用激光網(wǎng)靶檢測(cè)橢圓彈孔的可行性，團(tuán)隊(duì)開展了樣機(jī)的試制和測(cè)試工作（見圖6）。使用光纖直徑為1mm，激光束間距布置為2mm。被測(cè)彈丸口徑為14.5mm。理想狀態(tài)下，短軸為14.5mm，按照橢圓彈孔的定義，長(zhǎng)軸超過18.1mm判定為出現(xiàn)了橢圓彈孔。采用激光幕進(jìn)行測(cè)量，判定依據(jù)為允許的最多遮擋激光數(shù)量：

圖6：原理模型

n1max=n2max=[1.25d/Δh+3]=12條

4 結(jié)束語

在前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于激光網(wǎng)靶構(gòu)型的橢圓彈孔檢測(cè)裝置，經(jīng)樣機(jī)驗(yàn)證，在室內(nèi)恒溫環(huán)境下，能對(duì)14.5mm口徑的槍彈著靶姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速的測(cè)量計(jì)算，較好的符合了設(shè)計(jì)要求。但是，在驗(yàn)證過程中，發(fā)現(xiàn)該裝置存在3點(diǎn)較大問題：

（1）受限于激光束直徑和安裝間距，激光束直徑為1mm，激光束安裝間距為2mm，對(duì)5.8mm及以下口徑的槍彈著靶姿態(tài)測(cè)量誤差較大，理論上需要將激光束安裝距離控制在0.7mm以內(nèi)方能滿足各口徑槍彈測(cè)量精度要求。

（2）為了防止反射鏡面沾染灰塵而設(shè)置的透明防塵板，平面度和平行度誤差不易保證，導(dǎo)致激光不能垂直于板面入射而產(chǎn)生折射，導(dǎo)致激光束偏離，接收器不能很好的接收到激光，目前未找到合適的解決辦法；

（3）在進(jìn)行露天日間射擊時(shí)，由于反射鏡各部分熱脹冷縮不一致，鏡面發(fā)生變形，光束偏離，導(dǎo)致接收器存在接收不到激光束的情況。在室內(nèi)射擊時(shí)，測(cè)量故障較少。后續(xù)在裝置上涂絕熱涂層應(yīng)能解決露天射擊測(cè)量精度差的問題。

以上三點(diǎn)問題在后續(xù)研究中將加以深入研究。