光幕靶測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法研究

■黃堅(jiān) 郭瑞 宋佳祺 吳波

引言

炮口初速是表征常規(guī)兵器、彈藥及彈道特性的重要指標(biāo)性參數(shù)之一，對(duì)射擊精度影響很大。炮口初速測(cè)量貫穿于射擊武器和彈藥產(chǎn)品的科研、生產(chǎn)、產(chǎn)品交驗(yàn)和裝備實(shí)戰(zhàn)的各個(gè)過(guò)程，是自動(dòng)武器系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)。

光幕靶和天幕靶都是基于光電轉(zhuǎn)換原理，具有測(cè)試精度高、可靠性好等特點(diǎn)，目前在靶場(chǎng)測(cè)試領(lǐng)域已逐步普及應(yīng)用。有別于天幕靶，光幕靶采用人工光源，不受環(huán)境光線的影響，滿足全天候使用，其人工光源主要有白熾燈、紅外發(fā)光二極管、激光二極管等。

為了確保測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性,一般在試驗(yàn)前,需對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn),判斷整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)。常規(guī)的檢驗(yàn)方法主要采用人工投擲石子依次穿過(guò)兩個(gè)光幕靶，從而檢查光幕靶是否正常輸出信號(hào)以及測(cè)時(shí)儀能否測(cè)得數(shù)據(jù)值。該方法僅能定性的判斷設(shè)備的基本工作狀態(tài),無(wú)法反映測(cè)試系統(tǒng)的性能與精度。同時(shí)在利用光幕靶進(jìn)行彈丸測(cè)速時(shí),偶爾會(huì)出現(xiàn)測(cè)試結(jié)果異常,而導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常的原因是多方面的,現(xiàn)有傳統(tǒng)方式難以準(zhǔn)確判定故障原因。此外,隨著光幕靶使用年限的增加,其測(cè)試精度會(huì)有所降低,用戶無(wú)法自行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)。針對(duì)上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一套光幕靶測(cè)速系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法和裝置。該裝置采用基于CPLD的高精度信號(hào)發(fā)生器和兩套頻閃光源構(gòu)成校準(zhǔn)裝置,利用頻閃光源的平閃光對(duì)光幕靶測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)和測(cè)試，可用于系統(tǒng)故障的排除和試驗(yàn)前測(cè)速系統(tǒng)的狀態(tài)檢查。

1 光幕靶工作原理

如圖1所示，光幕靶測(cè)速系統(tǒng)由起始靶和停止靶兩個(gè)光幕靶以及計(jì)時(shí)儀組成。光幕靶由一對(duì)發(fā)射靶、接收靶組成。具體工作原理如下：發(fā)射靶產(chǎn)生相對(duì)均勻的光幕，接收靶將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行處理。當(dāng)彈丸飛過(guò)此光幕時(shí)會(huì)遮擋部分光幕導(dǎo)致接收到的光通量發(fā)生變化，經(jīng)接收部分轉(zhuǎn)換處理產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。計(jì)時(shí)儀計(jì)算兩靶（起始靶和停止靶）產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的時(shí)間差，得出彈丸飛過(guò)兩個(gè)光幕之間的時(shí)間間隔t，在已知兩靶之間的距離s的情況下即可計(jì)算出彈丸的速度。

圖1 光幕靶測(cè)速原理

2 光幕靶校準(zhǔn)主要問(wèn)題

光幕靶是以人工光源為測(cè)試背景光，應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換原理的一種非接觸區(qū)截裝置。光幕靶的幕面和天幕靶的幕面一樣，有一定的厚度和發(fā)散度，因此存在因幕面厚度所造成的靶距誤差。其校準(zhǔn)通常采用與較高準(zhǔn)確度的測(cè)速裝置，如雷達(dá)、更高準(zhǔn)確度的光幕靶比對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而傳統(tǒng)的對(duì)比校準(zhǔn)方法存在如下問(wèn)題：所能驗(yàn)證測(cè)量范圍取決于飛行物本身的速度；需要通過(guò)多個(gè)飛行物以不同的速度飛越才能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)成本高、難度大、耗時(shí)長(zhǎng)。

3 光幕靶測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置

針對(duì)光幕靶校準(zhǔn)的主要問(wèn)題，提出了一種利用頻閃光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)飛行物實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證的校準(zhǔn)裝置，如圖2所示。主要由起始靶發(fā)射光源安裝架、起始靶頻閃光源、起始靶光電轉(zhuǎn)換器、截止校準(zhǔn)光幕結(jié)構(gòu)包含起始靶發(fā)射光源安裝架、截止靶頻閃光源、截止靶光電轉(zhuǎn)換器、光源控制器、信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成、測(cè)試儀構(gòu)成。利用兩個(gè)亮滅時(shí)間間隔已知的頻閃光源模擬彈丸依次穿過(guò)兩套光幕靶，觸發(fā)光幕靶輸出兩個(gè)具有特定時(shí)間間隔的電壓脈沖實(shí)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比與系統(tǒng)校準(zhǔn)。

圖2 光幕靶校準(zhǔn)裝置

為了模擬彈丸穿過(guò)光幕時(shí)產(chǎn)生的信號(hào),在兩套光幕靶的均勻光幕中間靠近接收裝置的位置分別放置兩個(gè)頻閃光源。通過(guò)時(shí)間間隔可調(diào)的脈沖發(fā)生器輸出兩路特定時(shí)間間隔的脈沖控制光源在設(shè)定的時(shí)刻變暗,使照射到接收器件的光通量發(fā)生變化，從而使接收器件在信號(hào)處理電路的作用下輸出起始信號(hào)和截止信號(hào)來(lái)模擬彈丸穿過(guò)均勻光幕。起始信號(hào)和截止信號(hào)觸發(fā)測(cè)時(shí)儀開(kāi)始和停止計(jì)數(shù),若測(cè)時(shí)儀的計(jì)時(shí)時(shí)間與控制光源的兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔基本一致,則光幕靶測(cè)速系統(tǒng)工作正常。

光幕靶測(cè)試校準(zhǔn)裝置以時(shí)間間隔可調(diào)的脈沖發(fā)生器為核心單元。系統(tǒng)組成圖如圖3所示。其中單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作流程和邏輯電路工作時(shí)序。脈沖時(shí)間間隔輸入電路將預(yù)設(shè)的間隔時(shí)間△t送入單片機(jī)，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后將時(shí)間間隔送入中的邏輯電路,起始觸發(fā)信號(hào)在邏輯電路的作用下輸出兩個(gè)時(shí)間間隔為△t的電壓脈沖,該脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后控制頻閃光源的亮滅。

圖3 時(shí)標(biāo)信號(hào)發(fā)生器電路框圖

4 頻閃光源參數(shù)驗(yàn)證

根據(jù)光幕靶的測(cè)試特點(diǎn)，建立模擬驗(yàn)證裝置，通過(guò)頻閃光源結(jié)合信號(hào)發(fā)生器，使用頻閃光模擬彈丸穿過(guò)光幕靶面阻擋光網(wǎng)，使得光源接收器不能接收到光源，產(chǎn)生電信號(hào)的變化?？赡M的彈丸速度的實(shí)際范圍可以通過(guò)頻閃光源單次頻閃時(shí)間進(jìn)行計(jì)算確定。

彈丸穿越光幕靶面的時(shí)刻分別為t1和t2,則其飛行時(shí)間

頻閃光源通過(guò)輸出間隔為△t的兩個(gè)脈沖模擬彈丸穿過(guò)光幕靶面。假設(shè)光幕起始靶和接收靶之間的距離為L(zhǎng)，由于光幕靶間距小，彈丸速度降可忽略不計(jì)，其速度測(cè)量上限：

其中tmin為頻閃光源的最短頻閃時(shí)間。對(duì)于校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，tmin應(yīng)大于接收靶上光電轉(zhuǎn)換器的最小響應(yīng)時(shí)間。常規(guī)速硅光電二極管的響應(yīng)時(shí)間及頻閃光源控制速度均可達(dá)20ns，假設(shè)光幕靶起始靶和接收靶之間的距離L=0.1m，則可測(cè)量校準(zhǔn)的彈丸速度上限可達(dá)5000m/s.

5 結(jié)論

利用確定的可變頻閃光源來(lái)模擬彈丸的飛行過(guò)程，從而起到校準(zhǔn)光幕靶測(cè)量系統(tǒng)的目的，這種方式可以模擬不同彈丸的不同飛行速度，使得光幕靶的接收裝置產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置的校準(zhǔn)過(guò)程。這種校準(zhǔn)裝置可以對(duì)多個(gè)速度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，保證光幕靶測(cè)速的準(zhǔn)確程度。本校準(zhǔn)裝置可以廣泛運(yùn)用于各種型號(hào)的光幕靶當(dāng)中。