天幕靶技術研究進展

陸超

摘 要：天幕靶是常規靶場常用的測量儀器，因其操作簡便、成本低、測試精度高、穩定可靠性好等優點，在測量飛行物體速度、立靶密集度等方面得到廣泛應用。文章分析了天幕靶工作機理，總結了近年來科研工作者在解決天幕靶視場小、靈敏度低、時間信息提取誤差大等關鍵問題時所采用的技術和天幕靶技術的應用，展望了今后的發展趨勢。

關鍵詞：天幕靶；彈丸速度；密集度；抗干擾；連發測速

1 工作機理

天幕靶的結構組成主要分成四個部分，即支撐結構、喜好處理電路以及光電探測設備和光學系統。設備的光電轉換主要由光電系統完成，即信號處理電路和光電探測設備、光學系統集體完成，屬于典型的光電系統。天幕靶基于狹縫光闌作用，通過鏡頭可以形成具有厚度的扇形視場，因此被稱作天幕，而天幕靶基于其探測靈敏度，在最大靈敏度下可以探測到的距離即扇形的半徑。在測試過程中，若彈丸沖進天幕中就會遮住部分光能，因而彈丸穿過天幕便會改變光電轉換設備中的電流，經過放大以及整形后便可以產生一種脈沖信號，用以替代彈丸穿過天幕的狀態。天幕靶在探測中主要針對光微弱信號進行探測，因而其技術指標即設備的探測靈敏度。天幕靶主要被用于對高速彈丸進行測試，因而需要具備高度的靈敏性，系統主要對飛行彈丸的描述并且通常采用探測距離進行描述，其衡量標準為倍彈徑數。所以在進行平頭彈的探測中，若彈丸長度相比較于天幕厚度略大，靈敏度的表達式為：

φ=（1）

式中：φ為倍彈徑數；f為透鏡焦距；a為狹縫光闌的長度；δ為能探測到的最小光通量的相對變化量。此時探測距離僅與天幕靶性能參數有關。當天幕足夠厚彈丸淹沒在天幕中時，其表達式為：

φ=（2）

式中：d為彈丸的直徑；b為天幕靶狹縫寬度。此時，探測距離還與被測彈丸的參數有關。天幕靶的設計主要是圍繞f，a以及δ的優化展開，最終提高其探測弱信號的能力。

天幕靶在室外使用，環境相對變化會大一些，作為背景的天空由于一天內的時間不同，亮度會發生較大的改變，因而實際試驗中，需要設備測試能夠自我調節適應天空亮度；另外需要保持較高的靈敏度，同時能夠覆蓋不同彈丸的彈道高度以及彈丸口徑類型；另外在室外使用天幕靶會受到飛鳥飛蟲的影響，系統必須具備相應的抗干擾能力以及穩定的工作性能。

2 技術應用

2.1 同步觸發技術

2.1.1 單靶觸發。在對彈道進行測試時，往往需要一些同步信號或者觸發信號，例如CCD測試系統以及狹縫式高速攝像機和一些其他的參數測試設備，在測試過程中所需要的彈丸預定抵達位置，這些信號便是同步信號或者又可以成為觸發信號，而提供這些信號的系統變為觸發系統。預定位置是彈丸首先飛至的點，靠近槍口、炮口一側，依照預定點和測試點之間的距離以及彈丸飛行速度，依照實際需要發出觸發信號，彈道設備受到觸發信號的觸發，便會啟動。

2.1.2 雙靶觸發。單靶觸發具有一定的技術缺陷，因而為了令系統更加地完善，設計者研發了一種雙靶觸發的技術，通過使用兩個區截裝置，在測試中當做彈丸的實際速度，利用實際測出的速度將觸發信號所需要的時間延遲計算出來，繼而對其進行裝定。如此一來測試儀在對彈丸進行測試時，其捕獲率便可以大大提高。

2.2 彈丸速度測試技術

天幕靶測速系統由兩臺天幕靶和一臺測時儀組成，其工作原理是當有彈丸穿過第一臺天幕靶時，天幕靶輸出的脈沖信號觸發計數器開始計數；當彈丸穿過第二臺天幕靶時，其輸出的脈沖信號停止計數，然后記錄或存儲測出的彈丸飛過兩靶之間的時間間隔t，而兩個天幕靶之間的距離s是提前測量好的，于是就可以計算出彈丸在這兩點之間飛行的速度v=s/t。為了對測速系統進行校準，有研究者研究了測速系統的標定技術。早先采用對天幕靶和測時儀分開標定的方法，目前在繼續采用。采用多套測速系統比對的方法可以找出測速精度較高的測速系統。通過簡化天幕靶測速系統檢定的程序，用單片機精確控制光源亮暗，來模擬實彈飛行進入天幕靶視場的遮光作用和飛行姿態，實現模擬彈丸速度精確可控。其技術研究有參看價值，但還需進一步研究工程化中的技術問題。

2.3 射擊密集度測試技術

2.3.1 四光幕立靶。用四臺天幕靶產生四個光幕面，將其以特定的角度分別放置在六面體的兩個面和兩個對角面上。當彈丸穿過光幕，天幕靶輸出對應彈丸穿過每一光幕時刻的彈形信號，用測時儀記錄彈丸穿過四個光幕的時刻，依據四個時刻值和四個光幕的機構參數計算出彈丸穿過光幕的位置坐標。采用該原理研制的設備已用在近炸引信作用距離的測試上。

2.3.2 多光幕天幕立靶。在四光幕立靶測量系統中增加兩個光幕，構成六光幕測試系統，能夠解決彈丸斜入射時四光幕立靶測不準彈丸著靶位置的不足，并且能夠實現坐標、飛行速度以及飛行速度方向三種參數的同時測量。西安工業大學在單鏡頭單光幕天幕靶設計的基礎上，采用敏感面較大的真空光電管、多狹縫光闌板以及標準光學照相鏡頭作為基本部件，不改變傳統天幕靶外形，采用兩個相同的光電探測器（天幕靶）構成六光幕陣列，配合數據采集儀和計算機，不同陣型的六個光幕之間的夾角和距離參數不同。

2.4 光源的設計

光源的穩定性直接會對天幕靶的使用結果造成影響，因而在使用天幕靶時必須配備相應的光源，依照天幕靶的作用機理以及使用特點，在解決其室內使用光源問題中有專家進行了專門的研究，并對光源做出了專門的設計，將超亮發光二極管作為室內使用的穩定光源，而天幕靶對于現場光源有著特殊要求，因此利用機械結構令二極管拼成扇形從而達到設計要求。由于這種光源在使用上較為方便，并且結構簡單，供電也相對穩定，既滿足了設備的測速要求，同時也提高了設備靈敏度。使得天幕靶可以形成10m×10m的光幕，不但擴大的靶面，同時也提高了測試的精度和靈敏度。

3 技術展望

（1）相對比其他技術，測量技術中，天幕靶系統相對較為先進，但是由于技術局限性導致其只能進行單目標測量。而隨著技術的發展和科學理論的進一步深入，現有的天幕靶測量系統都是解決單目標的測量問題。隨著應用技術的進一步拓展，例如陣列炮管武器以及雙管高炮等武器在同一時間可以進行多發彈丸的發射，對于這類武器進行測量便屬于多目標同時測量，便會設計到武器的密集度以及速度信號的共同識別，在信號處理中就需要多臺天幕靶系統組合，形成一個測試網進行測試。（2）而對彈丸進行重點彈道的探測中，必須考慮安全問題，因而需要設定散布區域以及相對較大的安全距離，因而對于天幕靶的探測能力要求相對較高，必須超出2000倍彈徑。（3）在進行測試過程中，雖然無線傳輸的方式能夠避免放線麻煩，但是由于天幕靶測量系統的需要，在密集度以及速度的測量中，仍舊需要采用人工測量的方式對靶距進行測量，并且在水平度以及平行度的調節中也需要進行人工調節，因而對于天幕靶系統的技術簡化仍舊是下一步技術研發中重點需要進行研究的內容，盡可能的提升調平機構以及對準測量系統的自動化程度，簡化系統使用步驟。（4）另外由于使用現場的地形不同，往往會遇到一些復雜的使用地形，并且交通情況不甚理想，那么為了保證天幕靶能夠在野外使用，需要在設計上盡可能使得天幕靶設備便于攜帶、輕型化、小型化，這是未來天幕靶技術發展的主要方向以及需要解決的技術問題。

參考文獻

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[2]劉世平.彈丸速度測量與數據處理[M].北京：兵器工業出版社，1994.

[3]王鐵嶺，倪晉平.兩種彈丸速度測試技術發展簡述[Z].