陸超

摘 要：天幕靶是常規(guī)靶場(chǎng)常用的測(cè)量?jī)x器，因其操作簡(jiǎn)便、成本低、測(cè)試精度高、穩(wěn)定可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量飛行物體速度、立靶密集度等方面得到廣泛應(yīng)用。文章分析了天幕靶工作機(jī)理，總結(jié)了近年來(lái)科研工作者在解決天幕靶視場(chǎng)小、靈敏度低、時(shí)間信息提取誤差大等關(guān)鍵問(wèn)題時(shí)所采用的技術(shù)和天幕靶技術(shù)的應(yīng)用，展望了今后的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：天幕靶；彈丸速度；密集度；抗干擾；連發(fā)測(cè)速

1 工作機(jī)理

天幕靶的結(jié)構(gòu)組成主要分成四個(gè)部分，即支撐結(jié)構(gòu)、喜好處理電路以及光電探測(cè)設(shè)備和光學(xué)系統(tǒng)。設(shè)備的光電轉(zhuǎn)換主要由光電系統(tǒng)完成，即信號(hào)處理電路和光電探測(cè)設(shè)備、光學(xué)系統(tǒng)集體完成，屬于典型的光電系統(tǒng)。天幕靶基于狹縫光闌作用，通過(guò)鏡頭可以形成具有厚度的扇形視場(chǎng)，因此被稱作天幕，而天幕靶基于其探測(cè)靈敏度，在最大靈敏度下可以探測(cè)到的距離即扇形的半徑。在測(cè)試過(guò)程中，若彈丸沖進(jìn)天幕中就會(huì)遮住部分光能，因而彈丸穿過(guò)天幕便會(huì)改變光電轉(zhuǎn)換設(shè)備中的電流，經(jīng)過(guò)放大以及整形后便可以產(chǎn)生一種脈沖信號(hào)，用以替代彈丸穿過(guò)天幕的狀態(tài)。天幕靶在探測(cè)中主要針對(duì)光微弱信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，因而其技術(shù)指標(biāo)即設(shè)備的探測(cè)靈敏度。天幕靶主要被用于對(duì)高速?gòu)椡柽M(jìn)行測(cè)試，因而需要具備高度的靈敏性，系統(tǒng)主要對(duì)飛行彈丸的描述并且通常采用探測(cè)距離進(jìn)行描述，其衡量標(biāo)準(zhǔn)為倍彈徑數(shù)。所以在進(jìn)行平頭彈的探測(cè)中，若彈丸長(zhǎng)度相比較于天幕厚度略大，靈敏度的表達(dá)式為：

φ=（1）

式中：φ為倍彈徑數(shù)；f為透鏡焦距；a為狹縫光闌的長(zhǎng)度；δ為能探測(cè)到的最小光通量的相對(duì)變化量。此時(shí)探測(cè)距離僅與天幕靶性能參數(shù)有關(guān)。當(dāng)天幕足夠厚彈丸淹沒(méi)在天幕中時(shí)，其表達(dá)式為：

φ=（2）

式中：d為彈丸的直徑；b為天幕靶狹縫寬度。此時(shí)，探測(cè)距離還與被測(cè)彈丸的參數(shù)有關(guān)。天幕靶的設(shè)計(jì)主要是圍繞f，a以及δ的優(yōu)化展開，最終提高其探測(cè)弱信號(hào)的能力。

天幕靶在室外使用，環(huán)境相對(duì)變化會(huì)大一些，作為背景的天空由于一天內(nèi)的時(shí)間不同，亮度會(huì)發(fā)生較大的改變，因而實(shí)際試驗(yàn)中，需要設(shè)備測(cè)試能夠自我調(diào)節(jié)適應(yīng)天空亮度；另外需要保持較高的靈敏度，同時(shí)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(huì)受到飛鳥飛蟲的影響，系統(tǒng)必須具備相應(yīng)的抗干擾能力以及穩(wěn)定的工作性能。

2 技術(shù)應(yīng)用

2.1 同步觸發(fā)技術(shù)

2.1.1 單靶觸發(fā)。在對(duì)彈道進(jìn)行測(cè)試時(shí)，往往需要一些同步信號(hào)或者觸發(fā)信號(hào)，例如CCD測(cè)試系統(tǒng)以及狹縫式高速攝像機(jī)和一些其他的參數(shù)測(cè)試設(shè)備，在測(cè)試過(guò)程中所需要的彈丸預(yù)定抵達(dá)位置，這些信號(hào)便是同步信號(hào)或者又可以成為觸發(fā)信號(hào)，而提供這些信號(hào)的系統(tǒng)變?yōu)橛|發(fā)系統(tǒng)。預(yù)定位置是彈丸首先飛至的點(diǎn)，靠近槍口、炮口一側(cè)，依照預(yù)定點(diǎn)和測(cè)試點(diǎn)之間的距離以及彈丸飛行速度，依照實(shí)際需要發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，彈道設(shè)備受到觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)，便會(huì)啟動(dòng)。

2.1.2 雙靶觸發(fā)。單靶觸發(fā)具有一定的技術(shù)缺陷，因而為了令系統(tǒng)更加地完善，設(shè)計(jì)者研發(fā)了一種雙靶觸發(fā)的技術(shù)，通過(guò)使用兩個(gè)區(qū)截裝置，在測(cè)試中當(dāng)做彈丸的實(shí)際速度，利用實(shí)際測(cè)出的速度將觸發(fā)信號(hào)所需要的時(shí)間延遲計(jì)算出來(lái)，繼而對(duì)其進(jìn)行裝定。如此一來(lái)測(cè)試儀在對(duì)彈丸進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其捕獲率便可以大大提高。

2.2 彈丸速度測(cè)試技術(shù)

天幕靶測(cè)速系統(tǒng)由兩臺(tái)天幕靶和一臺(tái)測(cè)時(shí)儀組成，其工作原理是當(dāng)有彈丸穿過(guò)第一臺(tái)天幕靶時(shí)，天幕靶輸出的脈沖信號(hào)觸發(fā)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；當(dāng)彈丸穿過(guò)第二臺(tái)天幕靶時(shí)，其輸出的脈沖信號(hào)停止計(jì)數(shù)，然后記錄或存儲(chǔ)測(cè)出的彈丸飛過(guò)兩靶之間的時(shí)間間隔t，而兩個(gè)天幕靶之間的距離s是提前測(cè)量好的，于是就可以計(jì)算出彈丸在這兩點(diǎn)之間飛行的速度v=s/t。為了對(duì)測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，有研究者研究了測(cè)速系統(tǒng)的標(biāo)定技術(shù)。早先采用對(duì)天幕靶和測(cè)時(shí)儀分開標(biāo)定的方法，目前在繼續(xù)采用。采用多套測(cè)速系統(tǒng)比對(duì)的方法可以找出測(cè)速精度較高的測(cè)速系統(tǒng)。通過(guò)簡(jiǎn)化天幕靶測(cè)速系統(tǒng)檢定的程序，用單片機(jī)精確控制光源亮暗，來(lái)模擬實(shí)彈飛行進(jìn)入天幕靶視場(chǎng)的遮光作用和飛行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)模擬彈丸速度精確可控。其技術(shù)研究有參看價(jià)值，但還需進(jìn)一步研究工程化中的技術(shù)問(wèn)題。

2.3 射擊密集度測(cè)試技術(shù)

2.3.1 四光幕立靶。用四臺(tái)天幕靶產(chǎn)生四個(gè)光幕面，將其以特定的角度分別放置在六面體的兩個(gè)面和兩個(gè)對(duì)角面上。當(dāng)彈丸穿過(guò)光幕，天幕靶輸出對(duì)應(yīng)彈丸穿過(guò)每一光幕時(shí)刻的彈形信號(hào)，用測(cè)時(shí)儀記錄彈丸穿過(guò)四個(gè)光幕的時(shí)刻，依據(jù)四個(gè)時(shí)刻值和四個(gè)光幕的機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出彈丸穿過(guò)光幕的位置坐標(biāo)。采用該原理研制的設(shè)備已用在近炸引信作用距離的測(cè)試上。

2.3.2 多光幕天幕立靶。在四光幕立靶測(cè)量系統(tǒng)中增加兩個(gè)光幕，構(gòu)成六光幕測(cè)試系統(tǒng)，能夠解決彈丸斜入射時(shí)四光幕立靶測(cè)不準(zhǔn)彈丸著靶位置的不足，并且能夠?qū)崿F(xiàn)坐標(biāo)、飛行速度以及飛行速度方向三種參數(shù)的同時(shí)測(cè)量。西安工業(yè)大學(xué)在單鏡頭單光幕天幕靶設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用敏感面較大的真空光電管、多狹縫光闌板以及標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)照相鏡頭作為基本部件，不改變傳統(tǒng)天幕靶外形，采用兩個(gè)相同的光電探測(cè)器（天幕靶）構(gòu)成六光幕陣列，配合數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)，不同陣型的六個(gè)光幕之間的夾角和距離參數(shù)不同。

2.4 光源的設(shè)計(jì)

光源的穩(wěn)定性直接會(huì)對(duì)天幕靶的使用結(jié)果造成影響，因而在使用天幕靶時(shí)必須配備相應(yīng)的光源，依照天幕靶的作用機(jī)理以及使用特點(diǎn)，在解決其室內(nèi)使用光源問(wèn)題中有專家進(jìn)行了專門的研究，并對(duì)光源做出了專門的設(shè)計(jì)，將超亮發(fā)光二極管作為室內(nèi)使用的穩(wěn)定光源，而天幕靶對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)光源有著特殊要求，因此利用機(jī)械結(jié)構(gòu)令二極管拼成扇形從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于這種光源在使用上較為方便，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，供電也相對(duì)穩(wěn)定，既滿足了設(shè)備的測(cè)速要求，同時(shí)也提高了設(shè)備靈敏度。使得天幕靶可以形成10m×10m的光幕，不但擴(kuò)大的靶面，同時(shí)也提高了測(cè)試的精度和靈敏度。

3 技術(shù)展望

（1）相對(duì)比其他技術(shù)，測(cè)量技術(shù)中，天幕靶系統(tǒng)相對(duì)較為先進(jìn)，但是由于技術(shù)局限性導(dǎo)致其只能進(jìn)行單目標(biāo)測(cè)量。而隨著技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)理論的進(jìn)一步深入，現(xiàn)有的天幕靶測(cè)量系統(tǒng)都是解決單目標(biāo)的測(cè)量問(wèn)題。隨著應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)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(shí)間可以進(jìn)行多發(fā)彈丸的發(fā)射，對(duì)于這類武器進(jìn)行測(cè)量便屬于多目標(biāo)同時(shí)測(cè)量，便會(huì)設(shè)計(jì)到武器的密集度以及速度信號(hào)的共同識(shí)別，在信號(hào)處理中就需要多臺(tái)天幕靶系統(tǒng)組合，形成一個(gè)測(cè)試網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試。（2）而對(duì)彈丸進(jìn)行重點(diǎn)彈道的探測(cè)中，必須考慮安全問(wèn)題，因而需要設(shè)定散布區(qū)域以及相對(duì)較大的安全距離，因而對(duì)于天幕靶的探測(cè)能力要求相對(duì)較高，必須超出2000倍彈徑。（3）在進(jìn)行測(cè)試過(guò)程中，雖然無(wú)線傳輸?shù)姆绞侥軌虮苊夥啪€麻煩，但是由于天幕靶測(cè)量系統(tǒng)的需要，在密集度以及速度的測(cè)量中，仍舊需要采用人工測(cè)量的方式對(duì)靶距進(jìn)行測(cè)量，并且在水平度以及平行度的調(diào)節(jié)中也需要進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，因而對(duì)于天幕靶系統(tǒng)的技術(shù)簡(jiǎn)化仍舊是下一步技術(shù)研發(fā)中重點(diǎn)需要進(jìn)行研究的內(nèi)容，盡可能的提升調(diào)平機(jī)構(gòu)以及對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，簡(jiǎn)化系統(tǒng)使用步驟。（4）另外由于使用現(xiàn)場(chǎng)的地形不同，往往會(huì)遇到一些復(fù)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(shè)計(jì)上盡可能使得天幕靶設(shè)備便于攜帶、輕型化、小型化，這是未來(lái)天幕靶技術(shù)發(fā)展的主要方向以及需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

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