遠距離封閉靶道照明系統技術研究

董 華，彭宗法

(1.中國科學院空間應用工程與技術中心，北京 100094；2.中國兵器裝備研究所，北京 102202)

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遠距離封閉靶道照明系統技術研究

董 華1，彭宗法2

(1.中國科學院空間應用工程與技術中心，北京 100094；2.中國兵器裝備研究所，北京 102202)

針對輕武器封閉靶道受光線制約不能進行射擊精度試驗的難題，進行了遠距離封閉靶道滿足射擊精度試驗的照明系統技術研究，研究分析了遠距離封閉靶道適合精度射擊試驗的照明系統各區(qū)照度、照度均勻度等重要技術參數。設計了封閉靶道適合射擊的照明系統，并設計了滿足該照度和照度均勻性的光源排列布局方案，進行了驗證試驗，結果表明，所設計的照明系統能夠滿足射擊槍械、彈藥的射擊精度試驗。

輕武器；封閉靶道；靶道照明；精度試驗

引言

輕武器射擊精度試驗，一般在室外利用自然光觀瞄瞄準點進行發(fā)射，但是室外試驗又受到橫風、雨雪和其他氣象條件的影響。為此，一些靶場建設了室內靶道，室內靶道雖然排除了橫風、雨雪和其他氣象條件的影響，但是不能采自然光，僅僅利用天窗和普通燈光照明供射手觀瞄，其觀瞄效果完全不能模擬室外自然光的觀瞄效果。因此，首次進行了封閉靶道照明系統技術研究，以滿足封閉靶道射擊試驗的各項條件為指標，研究了封閉靶道的燈光照度匹配、照度均勻度、色溫、顯色指數、燈光色彩、墻壁背景色彩等技術參數，以及這些技術指標條件之間的相互關系。通過技術分析，研究設計了幾種適合封閉靶道射擊的光照度、照度均勻性等條件參數，并以此設計了滿足該照度和照度均勻性的光源排列布局方案。為了驗證該理論研究的合理性，施工建設了室內燈光靶道，使用配備光學瞄具的狙擊步槍和機械瞄具的自動步槍進行了驗證試驗。

1 封閉靶道照明系統的功能要求

封閉靶道的照明系統，要能滿足完全封閉的靶道內人員進行槍械架設、儀器操作、彈藥裝填、射手瞄準與射擊等全部試驗行為的照明需求，重點是滿足射手正常的的觀瞄射擊，滿足輕武器射擊精度試驗。

要滿足輕武器射擊精度試驗，主要是要解決好射手眼睛、槍械瞄具(包括機械瞄具和光學瞄具)、靶面瞄準點、槍位與靶位之間的環(huán)境區(qū)這4個重點部位或區(qū)域的參數合理的光線，這些參數主要包括照度、均勻度、色溫、顯色指數等，能最大可能的滿足自然光的優(yōu)點[1]，光線柔和、照度均勻、強度合適、無頻閃，又能摒棄自然光條件下觀瞄的一些缺點，諸如光線太強，射手感覺刺眼，機械瞄具準星重影明顯，光學瞄具觀瞄目標及目標周圍環(huán)境過于清晰，射手呼吸微動卻感覺槍體晃動明顯，主觀感覺難以將光瞄十字始終套牢瞄準目標。

2 封閉靶道照明系統設計分析

2.1 封閉靶道射擊試驗的視覺環(huán)境特性

封閉靶道環(huán)境對外界的各種環(huán)境因素具有排斥和吸收特性，排斥了靶道外界的熱、聲環(huán)境對靶道試驗環(huán)境的不利影響，同時也排除了自然光的視覺環(huán)境因素。因此,用照明系統給封閉靶道提供一個良好的視覺環(huán)境，這是封閉靶道照明系統設計的一個突出特點。

封閉靶道內的試驗人員對靶道內的工作環(huán)境,除要求有適宜的照度等條件外,還需要隨時了解工作環(huán)境周圍的實時情況和環(huán)境的變化，其中視覺是最重要的感覺。人的知覺主要是要求保持與環(huán)境的接觸,并調節(jié)人的行為使之適應環(huán)境。因此,一個非常好的視覺環(huán)境應該能夠使人更容易地感知周圍的視覺信息。如果輸入人的視覺信息模糊或根本沒有,會使人對認識環(huán)境的重要因素的確切狀況不能夠掌握,為此變得非常不安寧或不舒適,從而影響其工作效率。一個非常好的視覺環(huán)境應該能夠為所處環(huán)境中的人提供充分的視覺信息。

封閉的室內空間則切斷了室內外的視覺聯系,使在室內定向時失去了室外的參照系統。進行靶道環(huán)境設計時,為了彌補這種損失,幫助建立在室內定向的參照系統,應注意充分提供能幫助人們確定空間方位和通路的信息。

2.2 照度的設計分析

良好的照明能使射手產生較好的視覺功效，研究表明，在其他條件一定的情況下,人眼的視覺功效是由瞳孔大小決定的，瞳孔收縮能提高視覺功效；反之，瞳孔放大會降低視覺功效。瞳孔的大小變化影響視覺功效，從而影響射手觀瞄[2-3]。人眼瞳孔大小不但受人本身生理、 心理因素的影響，還受照明等外部環(huán)境因素的影響。不同的研究者已針對不同的應用對影響人眼瞳孔大小因素進行了研究。在照明條件下，人眼瞳孔面積隨背景亮度的變大而減小,且減小的速度隨背景亮度的變大而減小。實驗證實, 瞳孔大小在背景亮度大約為1.2～1.5 cd/ m2的水平后逐漸趨于穩(wěn)定。

射手進行射擊，工作實質就是通過人眼與槍械瞄準機構、目標、人與目標之間的光線媒介配合進行的綜合行為，如果光線不佳或者光瞄時間長，就會出現視力疲勞和精神疲勞狀態(tài)，就要影響射擊效果，射擊環(huán)境中照度條件是引發(fā)視覺疲勞的主要原因。通過分析人的視覺系統在不同照明條件下引發(fā)疲勞的程度和改變照明條件對工作績效的影響，論證最佳的照度條件，使人、槍、目標在最佳光照條件下，減輕視覺疲勞的程度，或推遲視覺疲勞的產生，以提高射擊效果，為靶道的照明設計提供參考依據。試驗靶道適當的亮度不僅能提高射手的視覺調節(jié)能力,而且能提高近視力與遠視力。當目標與背景的亮度呈一定關系時,瞳孔進行適當地縮小,物體在視網膜上的成像更加清晰,此時如果是視力常規(guī)的人看物體,感覺非常清晰并且舒適,但是使視力不正常的觀察者感覺到疲勞。

2.3 照度均勻度、色溫

綜合試驗射擊靶道的用途決定了對靶位區(qū)和環(huán)境區(qū)的照度均勻度的要求較高，所以要求靶位區(qū)和環(huán)境區(qū)的照度均勻度不低于0.75。要取得較好的照度均勻度，取決于光源的正確選擇，燈具的合理設計以及靶位區(qū)光源的優(yōu)化布局。燈光的色溫與燈光自身的照明效果和熱輻射有一定的聯系，如果熱輻射過強，會使靶道內溫度驟然升高，導致氣體紊流，對彈道產生影響。根據標準氣象條件實驗靶道要求，照明系統連續(xù)工作8 h后，靶道內氣溫升高值不能超過5 ℃。要選擇溫升較低的燈具，才能保證長時工作對溫度的低影響要求。

3 封閉靶道照明系統設計

3.1 總體設計要求

總體設計要求在完全沒有外部自然光照射的情況下，利用靶道內部照明，達到進行槍械精度射擊試驗。

3.2 靶位、環(huán)境區(qū)的照度參數設計

前人的研究表明，人眼能適應的照度范圍是10-3～105lx，照度從10 lx增加到1 000 lx時，人的視力能夠提高65%～80%，在照度比較低的條件下,人不斷地辨認目標，就會產生視覺疲勞、視力相對下降等情況。根據國標射聯章程，射擊場所的環(huán)境照度與靶面照度之比為1/2～1/5之間，根據靶位的照度情況，就能確定環(huán)境區(qū)域的照度值。所以，將靶位的照度設計為2 000 lx，環(huán)境照度值為600 lx，均勻度大于0.75。

為了驗證設計的目標照度值和均勻度的科學合理性，利用試驗驗證的方法對目標照度值上下的參數值，用試驗驗證的方法進行逼近和驗證。對逼近范圍內的不同的靶位照度值(2 500 lx、2 000 lx、1 500 lx、1 200 lx)和環(huán)境照度值(600 lx、400 lx)形成了8種不同的靶道燈光照明技術方案，每一種靶位照度和環(huán)境區(qū)照度的匹配形式進行一輪試驗進行驗證，來驗證所設計的目標參數。

3.3 光源的選擇

選擇光源時，應在滿足顯色性、啟動時間等要求條件下，根據光源、燈具及鎮(zhèn)流器等的效率，壽命和價格在進行綜合技術經濟分析比較后確定。根據GB 50034—2013 《建筑照明設計標準》[4]，一般情況下，室內外照明不應采用普通照明白熾燈，高度較高的工業(yè)廠房內，應按照生產使用要求，采用金屬鹵化物燈或高壓鈉燈，亦可采用高頻大功率細管徑熒光燈。封閉靶道對燈光有防彈和易于安裝等特殊的要求，所以選擇金屬鹵化物燈。

3.4 靶道內燈具布局

針對燈具優(yōu)化布局這一非線性優(yōu)化問題，提出了一種改進的粒子群優(yōu)化算法。粒子群優(yōu)化算法是一種基于群智能方法的演化計算技術。同遺傳算法相似,是基于群體的優(yōu)化工具,系統初始化一組隨機解,通過迭代搜尋最優(yōu)值。但是并沒有遺傳算法用的交叉及變異操作,而是粒子潛在的解在解空間追隨最優(yōu)的粒子進行搜索。與遺傳算法比較, 粒子群優(yōu)化算法的優(yōu)勢在于其有記憶性、收斂速度快,并且采用實數編碼,需要調節(jié)的參數少,結構簡單,易于實現。算法既適合科學研究,又特別適合工程應用。

該方法根據粒子群多樣性，使粒子群規(guī)模按照準正弦規(guī)律自動地進行調整。在每個正弦波段的波峰和波谷處，對群體的多樣性進行計算，該計算值作為下一正弦波段要達到的谷值或峰值。由于試驗靶道過度區(qū)對照度的均勻度要求0.75并不高,所以過度區(qū)光源的布局可以采用軟件完成。而靶位區(qū)即使對照度的均勻度要求為0.75，但是從工程實現上希望得到更高的照度均勻度，靶位區(qū)的照度均勻度要求較高，所以采用準正弦粒子群算法對靶位區(qū)域的燈具進行優(yōu)化布局。應用該算法對靶位區(qū)的照明進行設計，優(yōu)化的燈具布局使靶位區(qū)的照度均勻度達到設計要求。

4 封閉靶道照明系統試驗與數據分析

4.1 封閉靶道照明試驗設計安排

通過匹配不同的靶位照度值(2 500 lx、2 000 lx、1 500 lx、1 200 lx)和環(huán)境照度值(600 lx、400 lx)形成了8種不同的靶道燈光照明技術方案，每一種靶位照度和環(huán)境區(qū)照度的匹配形式進行一輪試驗進行驗證，共8輪；靶道內精度試驗結果最好的一輪試驗重復一輪，靶道內共9輪試驗；再安排1輪室外自然光條件下的密集度試驗，試驗總數為10輪。

4.2 輕武器精度射擊試驗與數據分析

為了便于比較，將10輪試驗的機械瞄具槍械射擊的R50、R100以及光學瞄具槍械射擊的R50、R100值進行了疊加比較，疊加比較圖如圖1所示。

圖1 10輪試驗射擊的R50、R100疊加比較圖Fig.1 The comparison of R50,R100 for the ten shooting tests

通過8種不同的靶道燈光照明技術方案下進行的9輪試驗表明：短距封閉靶道內照明條件為靶位照度值2 000 lx，環(huán)境照度值600 lx時，3名射手持光學瞄具和機械瞄具的槍械進行密集度射擊的密集度結果最好，主觀感受最好。3名射手主觀感受該照明條件下，觀瞄射擊最舒適，目標清晰度最高，3組連續(xù)射擊疲勞感最輕微。

4.3 光源工作對靶道溫度的影響

每輪試驗都在靶位區(qū)和環(huán)境區(qū)的兩個點進行了溫度測量和記錄，監(jiān)測照明系統工作對靶道溫度的變化。封閉靶道內靶位照度值為2 000 lx，環(huán)境照度值為600 lx，均勻度大于0.75的照明條件下，照明功率最大。該條件下照明系統連續(xù)工作4 h，靶位溫度上升幅度為1.75 ℃，環(huán)境區(qū)溫度上升幅度為0.76 ℃。

5 結論

筆者通過實際建設遠距離封閉靶道照明系統，并進行了為期五天的10輪大型試驗，對封閉靶道燈光照明系統的靶位照度及均勻度、環(huán)境照度及均勻度、射手實彈射擊密集度及光瞄射擊感受、燈光照明系統對環(huán)境溫度的影響等性能進行了充分驗證，得到如下結論：

1)根據達到預定的理論照度值的燈具布置設計方案，在實際施工安裝燈具后得到的光照度，符合預定的理論照度值。這說明燈具布局結構設計方法科學合理，燈具布局結構設計方案可行，燈具性能參數選擇合理。

2)通過8種不同的靶道燈光照明技術方案下進行的9輪試驗可以確定，短距封閉靶道內最佳的照明條件為：靶位照度值為2 000 lx，環(huán)境照度值為600 lx，均勻度大于0.75。該照明系統連續(xù)工作對靶道溫度影響很小。

3)按照大氣對目標亮度影響與大氣對目標對比度影響的理論，根據短距封閉靶道照明系統試驗的成功經驗，完全可以以此為基礎，設計出科學合理可行的遠距離封閉靶道照明系統。

4)封閉靶道完全可以通過加裝科學合理的照明系統，實現在封閉靶道內進行射擊精度試驗，滿足各種研究性射擊試驗。

[1] 北京照明學會照明設計專業(yè)委員會. 照明設計手冊[M]. 北京：中國電力出版社，2006.

[2] 陳仲林，胡英奎，翁季. 視覺研究道路照明安全[J]. 照明工程學報, 2007,18(1):31-34.

[3] 李勇，陰國恩，陳燕麗. 閱讀中疲勞、心理負荷因素對瞳孔大小的調節(jié)作用[J]. 心理與行為研究, 2004, 2(3):545-548.

[4] 建筑照明設計標準:GB 50034—2013[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

簡 訊

2016年6月17日，中國照明學會農業(yè)照明專業(yè)委員會成立大會暨農業(yè)照明研討會在北京中國職工之家舉辦，來自全國各地70多家單位的100余名代表參會。會議邀請了國家節(jié)能中心以及北京市教委的有關領導出席。中國照明學會秘書長竇林平主持會議，中國照明學會理事長邴樹奎致辭。中國照明學會副理事長華樹明擔任中國照明學會農業(yè)照明委員會主任，秘書長由中國農業(yè)科學院劉文科擔任。成立大會上同時舉辦了農業(yè)照明研討會，共有來自8位專家作了報告。中國照明學會農業(yè)照明專業(yè)委員會的成立，標志著照明技術在農業(yè)領域的應用已經上升到了一個新的高度。

(高飛)

Research on Closed and Distant Target Road Lighting System Technology

DONG Hua1, PENG Zongfa2

(1.TechnologyandEngineeringCenterforspaceUtilization,ChineseAcademyofSciences,Beijing100094,China;2.ResearchInstituteofChinaOrdnanceIndustries,Beijing102202,China)

For light weapons target by the light control closed problem cannot be, for the first time in a closed research on the technology of lighting system firing accuracy test target road meet, the study analyzed the district illumination lighting system, closed target road suitable for precision shooting test illuminance evenness and other important technical parameters. Design of close lighting system suitable for shooting the target, and design to meet the light source of the illumination and the illumination uniformity of the layout plan, verification test was carried out. The results show that, the lighting system designed can meet the firing accuracy test shooting firearms, ammunition.

the fire arm; closed target road; target road lighting; firing accuracy test

基礎平臺項目

董華， E-mail:huad2006@126.com

TJ012

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.022