一種聲測(cè)量彈目偏差的方法研究*

李宗賢,蔣小奇,王鳳歌

(1.西北機(jī)電工程研究所,陜西咸陽(yáng) 712099;2.北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司,內(nèi)蒙古包頭 014033)

火炮武器綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)最終射擊效果的考核指標(biāo)是毀傷效能,其中密集度和射擊精度是被考核的關(guān)鍵指標(biāo)之一,火炮對(duì)空中飛行目標(biāo)射擊時(shí)彈丸與目標(biāo)之間的距離,即彈目偏差[1]測(cè)量值則是計(jì)算該指標(biāo)的原始數(shù)據(jù).就目前所采用的測(cè)量技術(shù)而言,雷達(dá)可進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,光學(xué)方法需事后處理,它們的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需針對(duì)彈丸進(jìn)行校準(zhǔn)和協(xié)作目標(biāo),屬主動(dòng)式測(cè)量方法,對(duì)大口徑火炮的彈丸來(lái)說(shuō)基本是可行的,而對(duì)小口徑高炮的彈丸,尤其是小口徑、高射速高炮武器系統(tǒng)則存在漏測(cè)率高的缺陷.本文通過(guò)采用聲學(xué)空間定位原理測(cè)量火炮武器系統(tǒng)對(duì)空中飛行目標(biāo)射擊時(shí)彈丸與目標(biāo)之間的矢量距離(簡(jiǎn)稱(chēng)彈目偏差向量)測(cè)試系統(tǒng)的研究,可以解決上述技術(shù)存在的問(wèn)題,為火炮武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確打擊,考核和評(píng)價(jià)火炮武器系統(tǒng)的射擊密集度和射擊精度提供有效測(cè)試與試驗(yàn),達(dá)到對(duì)目標(biāo)射擊毀傷效能進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、科學(xué)評(píng)估的目的[2].

1 超音速飛行彈丸特征

由空氣動(dòng)力學(xué)知,當(dāng)彈丸以大于局部空間聲速飛行時(shí),空氣受到擾動(dòng)而形成疏密變化的壓力波,俗稱(chēng)彈頭波,彈道上各點(diǎn)彈頭波波前和波后的軌跡其形狀如一運(yùn)動(dòng)圓錐,頂點(diǎn)伴隨著聲源一起運(yùn)動(dòng),波前圓錐半角u=arcsin(1/Ma)[3],如圖1所示,其中PB為砰發(fā)點(diǎn),dB為傳感器到砰發(fā)點(diǎn)的距離,TF為彈丸N波時(shí)間寬度,RB為脫靶距離[4].在彈道上每一點(diǎn)都有一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向和波前成直角并以聲速向外傳播的壓力波,該波在時(shí)間軸上呈英文字母“N”的形狀,所以又被稱(chēng)為彈丸N波.彈頭波的波前稱(chēng)為彈丸N波前沿、波后稱(chēng)為彈丸N波后沿,實(shí)際測(cè)量的超音速飛行彈丸N波信號(hào)如圖2所示.經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究發(fā)現(xiàn),超音速飛行彈丸具有如下特征:彈丸N波的前沿和后沿的斜率(上升時(shí)間)、壓力幅值(絕對(duì)值)基本一致;彈丸N波的前沿與后沿之間的時(shí)間差(簡(jiǎn)稱(chēng)彈丸N波時(shí)間寬度)隨測(cè)量點(diǎn)距彈道線距離的增加而增大;彈丸N波的前沿和后沿的壓力幅值隨測(cè)量點(diǎn)距彈道線距離的增加而減小.實(shí)際測(cè)量超音速飛行彈丸N波信號(hào)與測(cè)試距離的關(guān)系見(jiàn)表1.

表1 實(shí)際測(cè)量超音速飛行彈丸N波信號(hào)與測(cè)試距離的關(guān)系Tab.1 Relationship ofm easured real N w ave real signal and m easuring distance

圖1 彈頭波示意圖Fig.1 Schem atic diagram of projectile w arhead

圖2 實(shí)測(cè)彈丸N波信號(hào)(距離20.8 m,35 mm彈丸)Fig.2 Realm easurement o f the projectile's N wave signal(distance 20.8 m,35mm projectile)

2 工作原理

基于前面對(duì)超音速飛行彈丸N波信號(hào)的特征分析,只要通過(guò)探測(cè)器(安裝有激波傳感器即N波傳感器)能測(cè)量到超音速飛行彈丸N波信號(hào),并提取出彈丸N波時(shí)間寬度,經(jīng)過(guò)對(duì)其彈丸N波時(shí)間寬度的相關(guān)計(jì)算和修正,就可以得到探測(cè)器與彈道的最短距離,即彈目偏差,這是聲學(xué)方法測(cè)量彈目偏差的基本原理.當(dāng)然,也可以通過(guò)測(cè)量并提取出彈丸N波壓力幅值的方法得到彈目偏差.通過(guò)理論和實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析認(rèn)為:采用彈丸N波時(shí)間寬度為測(cè)量參數(shù)的測(cè)試方法,其測(cè)量精度較高,這是因?yàn)樵趯?shí)際工程測(cè)量時(shí),所測(cè)量的彈丸N波時(shí)間寬度參數(shù)受天氣(溫度、濕度、氣壓及風(fēng)速等)、遮擋物繞射等外部環(huán)境因素的影響,遠(yuǎn)比所測(cè)量的彈丸N波壓力幅值參數(shù)影響小的原因.

火炮對(duì)空射擊彈目偏差向量測(cè)試系統(tǒng)采用空間聲定位的測(cè)量原理,其工作過(guò)程是:為了測(cè)量彈目偏差向量,引入了計(jì)算上較簡(jiǎn)單的交匯方法,即通過(guò) 4個(gè)安裝在指示器陣架各自特定位置的N波傳感器[6],該N波傳感器具有高靈敏度、高頻率響應(yīng)、帶有溫度和振動(dòng)補(bǔ)償及全向接收彈丸激波的性能[7-8],它們分別采集超音速飛行彈丸N波信號(hào),經(jīng)過(guò)放大器、濾波器將彈丸 N波信號(hào)預(yù)處理后,由N波信號(hào)數(shù)字處理模塊對(duì)該N波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析、識(shí)別處理,使測(cè)試系統(tǒng)具有抑制空中氣動(dòng)和高速飛行平臺(tái)所產(chǎn)生振動(dòng)等噪聲的能力,最終從復(fù)雜的背景噪聲中正確提取出彈丸的N波信號(hào)信息:首遇或全部4個(gè)N波傳感器所測(cè)彈丸N波的時(shí)間寬度TFi,或TF1～TF4和4個(gè)N波傳感器接收到彈丸N波的時(shí)刻t4.為了確定在飛行目標(biāo)附近彈道方向nb,在指示器陣外增設(shè)第5個(gè) N波傳感器以提取彈丸N波時(shí)間寬度TF5和接收到彈丸N波的時(shí)刻t5.上述5個(gè)時(shí)刻(t1、t2、t3、t4、t5)、兩個(gè)時(shí)間寬度(TFi、TF5)或5個(gè)時(shí)間寬度(TF1～TF5),再經(jīng)空中預(yù)處理器對(duì)其處理后,得出各N波傳感器所接收同一發(fā)超音速飛行彈丸N波信號(hào)的時(shí)間差t1～t4或t1～t5和N波時(shí)間寬度TFi,通過(guò)編碼和遙測(cè)發(fā)射機(jī)將這些原始信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)向地面接收機(jī).地面接收機(jī)將接收的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸給解調(diào)器,地面綜合處理中心再利用這些解調(diào)器所接收到的時(shí)間差及N波時(shí)間寬度參數(shù)和其它由常規(guī)測(cè)試或查表得到的參數(shù),代入該測(cè)試系統(tǒng)所建立的數(shù)學(xué)模型中,即可算出彈目偏差向量.

火炮對(duì)空射擊彈目偏差測(cè)量公式

式中:C1、C2為彈丸校準(zhǔn)系數(shù),由常規(guī)地面校準(zhǔn)試驗(yàn)預(yù)先得出;MP為空中目標(biāo)近處的馬赫數(shù),由彈丸存數(shù)VP除以聲速C得出;TFi為N波的時(shí)間寬度,i=1～5.

根據(jù)被試對(duì)象的特征、使用環(huán)境、測(cè)量范圍及測(cè)量精度等具體情況,火炮對(duì)空射擊彈目偏差測(cè)試系統(tǒng)可分為以下幾種類(lèi)型:只測(cè)量以飛行目標(biāo)為中心的彈丸偏差量稱(chēng)為簡(jiǎn)易快速評(píng)價(jià)彈目偏差測(cè)試系統(tǒng);可以測(cè)量以飛行目標(biāo)為中心并可給出彈丸所處象限的偏差量稱(chēng)為標(biāo)量彈目偏差測(cè)試系統(tǒng);火炮對(duì)空射擊彈目偏差向量測(cè)試系統(tǒng)則可以給出在以飛行目標(biāo)某點(diǎn)為中心所建立坐標(biāo)系中彈丸的矢徑.

3 系統(tǒng)組成

火炮對(duì)空射擊彈目偏差向量測(cè)試系統(tǒng)由指示器和地面綜合處理中心站兩大主要部分組成.其中指示器由N波傳感器、N波信號(hào)數(shù)字處理模塊、預(yù)處理器和遙測(cè)發(fā)射機(jī)構(gòu)成;地面綜合處理中心站由接收機(jī)、解調(diào)器及地面信息處理中心構(gòu)成,如圖3所示.

圖3 彈目偏差測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of m issd istance test system

指示器安裝在空中飛行平臺(tái)系統(tǒng)上,接收可測(cè)量范圍內(nèi)的彈丸N波信號(hào),尤其是通過(guò)N波信號(hào)數(shù)字處理模塊要將處于測(cè)量距離遠(yuǎn)端、淹沒(méi)在強(qiáng)氣動(dòng)背景噪聲中的微弱彈丸N波信號(hào)正確的提取出來(lái),經(jīng)預(yù)處理器處理得到各N波傳感器接收同一發(fā)彈丸N波信號(hào)的時(shí)間差和N波時(shí)間寬度,通過(guò)遙測(cè)發(fā)射機(jī)將該組原始信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給地面綜合處理中心站.遙測(cè)發(fā)射、接收系統(tǒng)采用突發(fā)遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),這樣可以大幅度提高無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的可靠性.

地面綜合處理中心站主要負(fù)責(zé)接收從空中發(fā)回的測(cè)量數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)地面接收機(jī)和解調(diào)器,送入地面信息處理中心,地面信息處理中心再依據(jù)所建立的彈目偏差向量數(shù)學(xué)模型和修正模型及其它由常規(guī)測(cè)試或查表得到的參數(shù),完成彈目偏差向量的數(shù)據(jù)解算、顯示、輸出、網(wǎng)絡(luò)傳送等功能.

由于空中飛行平臺(tái)系統(tǒng)裝有大量的定高、飛行姿態(tài)等其它控制裝置,而且空間狹小、允許載荷質(zhì)量有限,所以,在電子元器件、機(jī)加件的材料選擇和加工工藝均需綜合考慮.

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

火炮對(duì)空射擊彈目偏差向量測(cè)試系統(tǒng)歷經(jīng)12.7,14.5mm機(jī)槍,25,30,35及37 mm火炮等多種類(lèi)型槍炮的地面和對(duì)空射擊試驗(yàn),獲取了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù).該測(cè)試系統(tǒng)每航次試驗(yàn)結(jié)束后自動(dòng)提供全部測(cè)試結(jié)果(彈序、彈目偏差角、脫靶距離或每組彈的彈目偏差統(tǒng)計(jì)值和散布圖等),所測(cè)數(shù)據(jù)還可事后再處理.

表2是該測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)與真值數(shù)據(jù)的對(duì)比,數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明系統(tǒng)測(cè)試精度可達(dá)測(cè)試距離的±5%(1σ).X、Y分別是彈丸在炮手坐標(biāo)系的偏差值.

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與真值數(shù)據(jù)的對(duì)比Tab.2 Com parison of test data and real data

5 結(jié) 論

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知,火炮對(duì)空射擊彈目偏差向量測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo),可以滿足未來(lái)火炮武器系統(tǒng)對(duì)空射擊彈目偏差向量的實(shí)時(shí)測(cè)試要求,起到快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)分析、考核、評(píng)價(jià)和診斷影響武器系統(tǒng)對(duì)空射擊精度性能的問(wèn)題,達(dá)到迅速解決具體問(wèn)題的目的,能夠有效地減少系統(tǒng)試驗(yàn)次數(shù)、縮短產(chǎn)品研制周期;節(jié)約大量的人力、物力和試驗(yàn)經(jīng)費(fèi).該測(cè)試系統(tǒng)可廣泛適應(yīng)地(艦)對(duì)空、空對(duì)地(艦)、空對(duì)空、地(艦)對(duì)地(艦)等各種條件下的射擊試驗(yàn).

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