火炮初速測量方法研究

馮美娟 蘭國峰 程日煒

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 山西省太原市 030051 2.八院云箭（北京）航天技術(shù)研究院有限公司 北京市 100081）

隨著現(xiàn)代火炮武器的發(fā)展，火炮的性能變得越來越重要。火炮的研發(fā)包含對其性能的測試，火炮的初速就是眾多參數(shù)中極其重要的一項，它直接關(guān)系到火炮的威力及其射程[1-3]。

傳統(tǒng)的火炮初速測量主要利用區(qū)截測速原理，通過采集火炮出射彈丸依次通過彈道上前后設(shè)置的兩個靶面的時刻，得出通過兩靶的時間差，根據(jù)已知的靶距，可得出彈丸在兩靶間距中心位置處的速度[4]。在測速方式上，根據(jù)彈丸是否需要與靶面接觸，分為接觸式和非接觸式。

1 火炮初速常用測量方法

1.1 接觸式測量法

接觸式測量法所采用的靶面主要為通斷靶，利用彈丸通過靶面時電路的切斷或?qū)▉慝@取彈丸的過靶信號。

1.1.1 斷靶

常用的斷靶有：銅絲網(wǎng)靶和印刷電路靶。銅絲網(wǎng)靶主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，靶面由漆包銅絲纏繞在木制方框上制成。測試時銅絲通電，當(dāng)彈丸通過時，擊斷銅絲導(dǎo)致電路斷開，便可檢測到過靶信號[5]。

圖1：銅絲網(wǎng)靶結(jié)構(gòu)圖

印刷電路靶是將銅箔覆著在電路板上，按照蛇形環(huán)繞的方式在電路板上進(jìn)行連續(xù)排布。實(shí)驗(yàn)前，給電路板上兩極通電，當(dāng)彈丸擊穿電路板時，導(dǎo)致覆著銅箔的回路斷開，產(chǎn)生斷路信號[6]。

1.1.2 通靶

通靶主要包括：鋁箔靶和梳狀靶。鋁箔靶結(jié)構(gòu)如圖2所示，在膠木板兩面粘附鋁箔制成。測試前，兩鋁箔接電極，但兩鋁箔間不導(dǎo)通，當(dāng)彈丸通過靶面時，相鄰兩層鋁箔和彈丸構(gòu)成閉合回路，電路導(dǎo)通，當(dāng)彈丸穿過靶面后，電路切斷，由此可檢測到彈丸的過靶信號[7]。

圖2：鋁箔靶結(jié)構(gòu)圖

梳狀靶由左右兩個梳齒導(dǎo)電框構(gòu)成，如圖3所示。兩梳齒連接脈沖信號發(fā)生器。初始狀態(tài)導(dǎo)電框通電，此時回路不閉合，當(dāng)彈丸穿過梳齒時電路導(dǎo)通，當(dāng)彈丸通過后電路又被切斷，因此產(chǎn)生一個脈沖信號，作為彈丸的過靶信號[8]。

圖3：梳狀靶結(jié)構(gòu)示意圖

以上四種接觸式方法中，銅絲網(wǎng)靶結(jié)構(gòu)簡單，安裝便捷，適合測量體積較小的彈丸，但由于銅絲纏繞的松緊無法保證一致，會導(dǎo)致測試出現(xiàn)誤差。

鋁箔靶的測試精度優(yōu)于銅絲網(wǎng)靶，所測彈丸大于銅絲網(wǎng)靶，但無法保證鋁箔紙與木板完全貼合，火炮發(fā)射時，炮口前方伴有強(qiáng)烈的沖擊波，會導(dǎo)致測試靶距發(fā)生變化，存在靶面制作帶來的誤差。

印刷電路靶有較高的可靠性，對彈丸尺寸沒有嚴(yán)格要求，但靶面具有一定韌性，為保證彈丸可以第一時間擊穿，所測彈丸彈頭需較尖銳。

梳狀靶可用于單發(fā)和連發(fā)彈丸速度測量，測試效率較高，但進(jìn)行連發(fā)彈測試時，測試數(shù)量受限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際連發(fā)測試需求，且梳狀靶只適合于金屬彈丸的測量。

綜上所述，以上四種測量方法無論在測試精度、彈丸測試種類，還是在實(shí)際應(yīng)用中均存在一定的局限性。

1.2 非接觸式測量法

非接觸式測量法，彈丸無需與靶面直接接觸，通過其他物理量變化來間接獲得彈丸過靶信號。非接觸式測量法主要包括：線圈靶、天幕靶、光電靶、多普勒雷達(dá)和高速攝影等。

1.2.1 線圈靶

線圈靶主要分為單線圈和雙線圈。其中單線圈靶測試前需對彈丸進(jìn)行磁化，當(dāng)磁化后的彈丸通過線圈時，彈丸產(chǎn)生的磁感線切割線圈，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線圈上便會產(chǎn)生感生電動勢[9-10]。

雙線圈靶由位于同一平面的內(nèi)外兩個同心線圈構(gòu)成，內(nèi)部線圈接直流電，產(chǎn)生磁場，外部線圈用于感知磁場變化，測試時無需對彈丸磁化，當(dāng)彈丸通過內(nèi)部線圈時，磁場發(fā)生變化，外部線圈感知到磁場變化，并產(chǎn)生相應(yīng)感生電動勢。以此得到彈丸通過線圈的時刻[11-12]。

1.2.2 天幕靶

天幕靶利用自然光作為光源。其測試原理如圖4所示，自然光在透鏡上方形成虛擬的靶面，經(jīng)過透鏡匯聚到下方光電探測器。當(dāng)彈丸通過靶面時，光電探測器接收到的光通量發(fā)生變化，探測器產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號，對信號進(jìn)行處理，即可采集到彈丸的過靶信號[13-14]。

圖4：天幕靶示意圖

1.2.3 光電靶

光電靶利用人工光源，采用激光器或發(fā)光二極管形成的光幕作為測試靶面。原理上利用彈丸通過光幕時，會對部分光幕進(jìn)行遮擋，導(dǎo)致探測器接收到的光通量發(fā)生變化，使得探測器產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，信號經(jīng)過后續(xù)調(diào)理電路，通過數(shù)據(jù)采集裝置，傳輸給相應(yīng)的軟件進(jìn)行處理，得到彈丸過靶信號。光電靶根據(jù)光源和探測器的位置結(jié)構(gòu)，可分為：對射式和反射式[15]。

其中對射式結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，光源發(fā)出的光與陣列排布的探測器水平對應(yīng)，當(dāng)彈丸通過兩者之間時，部分光線會被遮擋，相應(yīng)探測器的光通量發(fā)生變化，以此來獲取彈丸的過靶信號[16]。

圖5：光電靶原理示意圖

圖5(b)為反射式光電靶，光幕上方裝有玻璃微珠構(gòu)成的原向反射屏，可將入射光線反向反射，進(jìn)入光電探測器。當(dāng)彈丸通過光幕時，光通量會發(fā)生變化，使探測器產(chǎn)生相應(yīng)的電信號[17]。

1.2.4 多普勒雷達(dá)

多普勒雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)，雷達(dá)沿彈道線方向發(fā)射電磁波，經(jīng)彈丸反射后到達(dá)接收雷達(dá)[18-19]。通過比較出射波和回波的頻率差值，進(jìn)而得出彈丸的飛行速度[20]，測試原理如圖6所示。

圖6：多普勒雷達(dá)

1.2.5 高速攝影

高速攝影通過采集彈丸飛行的時間和空間信息。在時間上，采用時標(biāo)、拍攝頻率或者拍攝時間來記錄，空間上則用圖像來表示[21]，整個測試裝置安放如圖7所示。

圖7：高速攝影示意圖

測試前，將高速攝影機(jī)放置在火炮一側(cè)，高速攝影機(jī)的拍攝需要一個觸發(fā)信號，通常用斷靶來觸發(fā)，當(dāng)彈丸觸發(fā)斷靶后，攝影機(jī)開始拍攝。測試完成后，通過回看火炮發(fā)射影像，從中識別出彈丸，對其進(jìn)行選點(diǎn)取樣，從而得出彈丸的速度[22-23]。

以上幾種非接觸式測量方法中，線圈靶有效測試靶面較小，其中單線圈靶由于彈丸每次磁化強(qiáng)度的差異，導(dǎo)致彈丸觸發(fā)靶圈的時刻也不同，從而對靶距產(chǎn)生影響；雙線圈靶因內(nèi)部線圈纏繞的一致性無法保證，導(dǎo)致靶面各位置磁場厚度存在較大差異，同樣也會帶來誤差，因此，線圈靶對磁化彈丸以及射擊位置要求較高。

相比而言，天幕靶具有較大的測試靶面，可實(shí)現(xiàn)較大范圍的火炮初速測試，但天幕靶使用時對外界光線要求較高，如遇黑夜、陰雨天或周圍環(huán)境光線太強(qiáng)則無法使用，對測試環(huán)境要求較高。

多普勒雷達(dá)，測量精度較高，但需通過彈丸來反射電磁波，主要適用于大口徑彈丸測量。并且對發(fā)射角度有較嚴(yán)格的要求，設(shè)備存在不易搭建，調(diào)試難度大等問題[24]。

高速攝影通過高頻拍攝可以實(shí)現(xiàn)對彈丸運(yùn)動姿態(tài)及速度測量，但由于高速相機(jī)需逐幀對圖像進(jìn)行拍攝、計算，所以其測試精度會受相機(jī)性能的影響，且精度越高所需的運(yùn)算速度越慢，因此在速度測量方面性能不及其他非接觸測速裝置，并且高速攝影存在搭建環(huán)境要求高、成本昂貴、操作繁瑣等問題[25]。

光電靶采用LED 或激光作為光源，測試不易受周圍環(huán)境光影響，同時反射式光幕靶能夠?qū)崿F(xiàn)大靶面測量，可完成多種場合下的彈丸速度測量，并且具有較高的測試精度和較強(qiáng)的抗干擾能力[26]。

對射式光電靶受光源的限制，測試靶面一般小于反射式光電靶。同時，光源多采用發(fā)光二極管，發(fā)散角大，形成光幕面厚度不均勻，彈丸從不同位置通過光幕時，測試結(jié)果存在較大差異。

2 常用測量方法對比

在火炮發(fā)射過程中，會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，同時也會給測試系統(tǒng)帶來干擾，如：火炮發(fā)射瞬間炮口有強(qiáng)烈火光，會對測試系統(tǒng)產(chǎn)生較強(qiáng)干擾；炮膛內(nèi)碎屑會同彈丸一起出射并通過靶面，對后續(xù)信號處理以及過靶信號識別產(chǎn)生影響[27]。

本文針對火炮初速測量常用的方法進(jìn)行研究，從原理上分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對接觸式和非接觸式中各類方法進(jìn)行對比。結(jié)合火炮發(fā)射的實(shí)際現(xiàn)場情況，總結(jié)出各種方法的測試要求以及各自的測試能力。如表1所示。

表1：火炮測速方法對比

其中接觸式測量方法，優(yōu)點(diǎn)在于不易受火光的干擾，抗干擾能力較強(qiáng)。但接觸式測量需與彈丸接觸，會對彈丸的運(yùn)動姿態(tài)產(chǎn)生影響，給測試結(jié)果帶來誤差，測試精度低于非接觸式測量，且存在測試靶面較小，無法對炮膛碎屑以及彈丸進(jìn)行區(qū)分，安裝及更換不便等問題，無法滿足火炮連續(xù)射擊的測試需求。

針對接觸式測量方法安裝繁瑣以及更換不便的問題，近年來,銅絲網(wǎng)靶已經(jīng)得到了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，將銅絲排布在兩張薄紙板中間，銅絲的電極預(yù)留出來，用于給銅絲通電，以此構(gòu)成一張完整的靶紙，測試時，只需將靶紙安裝在靶架上即可，簡化了靶面的安裝及更換，極大程度縮減了布靶的時間。

相較而言，非接觸式測量方法，其測試精度明顯優(yōu)于接觸式測量，更加適用于火炮的初速測量。

線圈靶受火光干擾較小，在炮膛碎片的識別上，優(yōu)于接觸式測量方法。但受其測試靶面的影響，對彈丸的射擊位置要求較高，且測試結(jié)果產(chǎn)生誤差因素較多，重復(fù)性不好，不適用于對處于研發(fā)階段的火炮進(jìn)行初速測量。其中雙線圈靶因無需對彈丸進(jìn)行磁化，且測試精度優(yōu)于單線圈靶，相較于單線圈使用更廣泛。

高速攝影對周圍環(huán)境光線要求較高，火炮發(fā)射時伴隨有強(qiáng)烈火光和大量煙塵，對彈丸圖像拍攝影響較大，且速度測量上受限于相機(jī)幀頻，因此測試精度低于其他非接觸式測量方法。

多普勒雷達(dá)多用于較大彈丸的測量，所測彈丸種類有限，同時，受雷達(dá)分辨能力的限制，該方法只適用于較低射頻的連發(fā)彈丸測試。

天幕靶在測試精度和靶面大小上均優(yōu)于以上幾種測量方法，可以滿足連發(fā)需求。但對周圍測試環(huán)境光線要求較高，火炮發(fā)射時會產(chǎn)生強(qiáng)烈的火光干擾，對天幕靶測試影響較大。

光電靶采用主動光源，測試精度高，對周圍環(huán)境光要求較小，彈丸分辨能力強(qiáng)，可以滿足多場合及多種彈丸的火炮初速測量。但同樣存在火光對測試產(chǎn)生影響的問題。

3 總結(jié)

隨著測速技術(shù)的發(fā)展，非接觸式測量成為火炮初速測量中優(yōu)先考慮的方法。其中，天幕靶和光電靶綜合性能較好，尤其是光電靶，對測試環(huán)境光線要求小，具有較大的測試靶面和較高的測試精度，可滿足多數(shù)情況下的火炮測試要求，但需解決火炮發(fā)射火光給測試帶來的影響。未來的光電靶可以考慮在改善火光干擾的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)大有效測試靶面，提高系統(tǒng)測試精度，提升系統(tǒng)過靶信號辨別能力以及測試精度，使系統(tǒng)整體測試能力得到提升，適用于更多測試場合。