董 華，彭宗法

(1.中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京 100094；2.中國(guó)兵器裝備研究所，北京 102202)

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遠(yuǎn)距離封閉靶道照明系統(tǒng)技術(shù)研究

董 華1，彭宗法2

(1.中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京 100094；2.中國(guó)兵器裝備研究所，北京 102202)

針對(duì)輕武器封閉靶道受光線制約不能進(jìn)行射擊精度試驗(yàn)的難題，進(jìn)行了遠(yuǎn)距離封閉靶道滿足射擊精度試驗(yàn)的照明系統(tǒng)技術(shù)研究，研究分析了遠(yuǎn)距離封閉靶道適合精度射擊試驗(yàn)的照明系統(tǒng)各區(qū)照度、照度均勻度等重要技術(shù)參數(shù)。設(shè)計(jì)了封閉靶道適合射擊的照明系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了滿足該照度和照度均勻性的光源排列布局方案，進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的照明系統(tǒng)能夠滿足射擊槍械、彈藥的射擊精度試驗(yàn)。

輕武器；封閉靶道；靶道照明；精度試驗(yàn)

引言

輕武器射擊精度試驗(yàn)，一般在室外利用自然光觀瞄瞄準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)射，但是室外試驗(yàn)又受到橫風(fēng)、雨雪和其他氣象條件的影響。為此，一些靶場(chǎng)建設(shè)了室內(nèi)靶道，室內(nèi)靶道雖然排除了橫風(fēng)、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(jìn)行了封閉靶道照明系統(tǒng)技術(shù)研究，以滿足封閉靶道射擊試驗(yàn)的各項(xiàng)條件為指標(biāo)，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(shù)、燈光色彩、墻壁背景色彩等技術(shù)參數(shù)，以及這些技術(shù)指標(biāo)條件之間的相互關(guān)系。通過(guò)技術(shù)分析，研究設(shè)計(jì)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(shù)，并以此設(shè)計(jì)了滿足該照度和照度均勻性的光源排列布局方案。為了驗(yàn)證該理論研究的合理性，施工建設(shè)了室內(nèi)燈光靶道，使用配備光學(xué)瞄具的狙擊步槍和機(jī)械瞄具的自動(dòng)步槍進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 封閉靶道照明系統(tǒng)的功能要求

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

要滿足輕武器射擊精度試驗(yàn)，主要是要解決好射手眼睛、槍械瞄具(包括機(jī)械瞄具和光學(xué)瞄具)、靶面瞄準(zhǔn)點(diǎn)、槍位與靶位之間的環(huán)境區(qū)這4個(gè)重點(diǎn)部位或區(qū)域的參數(shù)合理的光線，這些參數(shù)主要包括照度、均勻度、色溫、顯色指數(shù)等，能最大可能的滿足自然光的優(yōu)點(diǎn)[1]，光線柔和、照度均勻、強(qiáng)度合適、無(wú)頻閃，又能摒棄自然光條件下觀瞄的一些缺點(diǎn)，諸如光線太強(qiáng)，射手感覺(jué)刺眼，機(jī)械瞄具準(zhǔn)星重影明顯，光學(xué)瞄具觀瞄目標(biāo)及目標(biāo)周圍環(huán)境過(guò)于清晰，射手呼吸微動(dòng)卻感覺(jué)槍體晃動(dòng)明顯，主觀感覺(jué)難以將光瞄十字始終套牢瞄準(zhǔn)目標(biāo)。

2 封閉靶道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 封閉靶道射擊試驗(yàn)的視覺(jué)環(huán)境特性

封閉靶道環(huán)境對(duì)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(duì)靶道試驗(yàn)環(huán)境的不利影響，同時(shí)也排除了自然光的視覺(jué)環(huán)境因素。因此,用照明系統(tǒng)給封閉靶道提供一個(gè)良好的視覺(jué)環(huán)境，這是封閉靶道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)突出特點(diǎn)。

封閉靶道內(nèi)的試驗(yàn)人員對(duì)靶道內(nèi)的工作環(huán)境,除要求有適宜的照度等條件外,還需要隨時(shí)了解工作環(huán)境周圍的實(shí)時(shí)情況和環(huán)境的變化，其中視覺(jué)是最重要的感覺(jué)。人的知覺(jué)主要是要求保持與環(huán)境的接觸,并調(diào)節(jié)人的行為使之適應(yīng)環(huán)境。因此,一個(gè)非常好的視覺(jué)環(huán)境應(yīng)該能夠使人更容易地感知周圍的視覺(jué)信息。如果輸入人的視覺(jué)信息模糊或根本沒(méi)有,會(huì)使人對(duì)認(rèn)識(shí)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(gè)非常好的視覺(jué)環(huán)境應(yīng)該能夠?yàn)樗幁h(huán)境中的人提供充分的視覺(jué)信息。

封閉的室內(nèi)空間則切斷了室內(nèi)外的視覺(jué)聯(lián)系,使在室內(nèi)定向時(shí)失去了室外的參照系統(tǒng)。進(jìn)行靶道環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí),為了彌補(bǔ)這種損失,幫助建立在室內(nèi)定向的參照系統(tǒng),應(yīng)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(shè)計(jì)分析

良好的照明能使射手產(chǎn)生較好的視覺(jué)功效，研究表明，在其他條件一定的情況下,人眼的視覺(jué)功效是由瞳孔大小決定的，瞳孔收縮能提高視覺(jué)功效；反之，瞳孔放大會(huì)降低視覺(jué)功效。瞳孔的大小變化影響視覺(jué)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(duì)不同的應(yīng)用對(duì)影響人眼瞳孔大小因素進(jìn)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(shí)驗(yàn)證實(shí), 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(jìn)行射擊，工作實(shí)質(zhì)就是通過(guò)人眼與槍械瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、目標(biāo)、人與目標(biāo)之間的光線媒介配合進(jìn)行的綜合行為，如果光線不佳或者光瞄時(shí)間長(zhǎng)，就會(huì)出現(xiàn)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(jué)疲勞的主要原因。通過(guò)分析人的視覺(jué)系統(tǒng)在不同照明條件下引發(fā)疲勞的程度和改變照明條件對(duì)工作績(jī)效的影響，論證最佳的照度條件，使人、槍、目標(biāo)在最佳光照條件下，減輕視覺(jué)疲勞的程度，或推遲視覺(jué)疲勞的產(chǎn)生，以提高射擊效果，為靶道的照明設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。試驗(yàn)靶道適當(dāng)?shù)牧炼炔粌H能提高射手的視覺(jué)調(diào)節(jié)能力,而且能提高近視力與遠(yuǎn)視力。當(dāng)目標(biāo)與背景的亮度呈一定關(guān)系時(shí),瞳孔進(jìn)行適當(dāng)?shù)乜s小,物體在視網(wǎng)膜上的成像更加清晰,此時(shí)如果是視力常規(guī)的人看物體,感覺(jué)非常清晰并且舒適,但是使視力不正常的觀察者感覺(jué)到疲勞。

2.3 照度均勻度、色溫

綜合試驗(yàn)射擊靶道的用途決定了對(duì)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(shè)計(jì)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(lián)系，如果熱輻射過(guò)強(qiáng)，會(huì)使靶道內(nèi)溫度驟然升高，導(dǎo)致氣體紊流，對(duì)彈道產(chǎn)生影響。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣象條件實(shí)驗(yàn)靶道要求，照明系統(tǒng)連續(xù)工作8 h后，靶道內(nèi)氣溫升高值不能超過(guò)5 ℃。要選擇溫升較低的燈具，才能保證長(zhǎng)時(shí)工作對(duì)溫度的低影響要求。

3 封閉靶道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)要求

總體設(shè)計(jì)要求在完全沒(méi)有外部自然光照射的情況下，利用靶道內(nèi)部照明，達(dá)到進(jìn)行槍械精度射擊試驗(yàn)。

3.2 靶位、環(huán)境區(qū)的照度參數(shù)設(shè)計(jì)

前人的研究表明，人眼能適應(yīng)的照度范圍是10-3～105lx，照度從10 lx增加到1 000 lx時(shí)，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(rèn)目標(biāo)，就會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)疲勞、視力相對(duì)下降等情況。根據(jù)國(guó)標(biāo)射聯(lián)章程，射擊場(chǎng)所的環(huán)境照度與靶面照度之比為1/2～1/5之間，根據(jù)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(shè)計(jì)為2 000 lx，環(huán)境照度值為600 lx，均勻度大于0.75。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的目標(biāo)照度值和均勻度的科學(xué)合理性，利用試驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)目標(biāo)照度值上下的參數(shù)值，用試驗(yàn)驗(yàn)證的方法進(jìn)行逼近和驗(yàn)證。對(duì)逼近范圍內(nèi)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(shù)方案，每一種靶位照度和環(huán)境區(qū)照度的匹配形式進(jìn)行一輪試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的目標(biāo)參數(shù)。

3.3 光源的選擇

選擇光源時(shí)，應(yīng)在滿足顯色性、啟動(dòng)時(shí)間等要求條件下，根據(jù)光源、燈具及鎮(zhèn)流器等的效率，壽命和價(jià)格在進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較后確定。根據(jù)GB 50034—2013 《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]，一般情況下，室內(nèi)外照明不應(yīng)采用普通照明白熾燈，高度較高的工業(yè)廠房?jī)?nèi)，應(yīng)按照生產(chǎn)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(xì)管徑熒光燈。封閉靶道對(duì)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(nèi)燈具布局

針對(duì)燈具優(yōu)化布局這一非線性優(yōu)化問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)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(jì)算技術(shù)。同遺傳算法相似,是基于群體的優(yōu)化工具,系統(tǒng)初始化一組隨機(jī)解,通過(guò)迭代搜尋最優(yōu)值。但是并沒(méi)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(jìn)行搜索。與遺傳算法比較, 粒子群優(yōu)化算法的優(yōu)勢(shì)在于其有記憶性、收斂速度快,并且采用實(shí)數(shù)編碼,需要調(diào)節(jié)的參數(shù)少,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。算法既適合科學(xué)研究,又特別適合工程應(yīng)用。

該方法根據(jù)粒子群多樣性，使粒子群規(guī)模按照準(zhǔn)正弦規(guī)律自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)整。在每個(gè)正弦波段的波峰和波谷處，對(duì)群體的多樣性進(jìn)行計(jì)算，該計(jì)算值作為下一正弦波段要達(dá)到的谷值或峰值。由于試驗(yàn)靶道過(guò)度區(qū)對(duì)照度的均勻度要求0.75并不高,所以過(guò)度區(qū)光源的布局可以采用軟件完成。而靶位區(qū)即使對(duì)照度的均勻度要求為0.75，但是從工程實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)正弦粒子群算法對(duì)靶位區(qū)域的燈具進(jìn)行優(yōu)化布局。應(yīng)用該算法對(duì)靶位區(qū)的照明進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化的燈具布局使靶位區(qū)的照度均勻度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 封閉靶道照明系統(tǒng)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

4.1 封閉靶道照明試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排

通過(guò)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(shù)方案，每一種靶位照度和環(huán)境區(qū)照度的匹配形式進(jìn)行一輪試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，共8輪；靶道內(nèi)精度試驗(yàn)結(jié)果最好的一輪試驗(yàn)重復(fù)一輪，靶道內(nèi)共9輪試驗(yàn)；再安排1輪室外自然光條件下的密集度試驗(yàn)，試驗(yàn)總數(shù)為10輪。

4.2 輕武器精度射擊試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

為了便于比較，將10輪試驗(yàn)的機(jī)械瞄具槍械射擊的R50、R100以及光學(xué)瞄具槍械射擊的R50、R100值進(jìn)行了疊加比較，疊加比較圖如圖1所示。

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

通過(guò)8種不同的靶道燈光照明技術(shù)方案下進(jìn)行的9輪試驗(yàn)表明：短距封閉靶道內(nèi)照明條件為靶位照度值2 000 lx，環(huán)境照度值600 lx時(shí)，3名射手持光學(xué)瞄具和機(jī)械瞄具的槍械進(jìn)行密集度射擊的密集度結(jié)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(biāo)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(duì)靶道溫度的影響

每輪試驗(yàn)都在靶位區(qū)和環(huán)境區(qū)的兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了溫度測(cè)量和記錄，監(jiān)測(cè)照明系統(tǒng)工作對(duì)靶道溫度的變化。封閉靶道內(nèi)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(tǒng)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(jié)論

筆者通過(guò)實(shí)際建設(shè)遠(yuǎn)距離封閉靶道照明系統(tǒng)，并進(jìn)行了為期五天的10輪大型試驗(yàn)，對(duì)封閉靶道燈光照明系統(tǒng)的靶位照度及均勻度、環(huán)境照度及均勻度、射手實(shí)彈射擊密集度及光瞄射擊感受、燈光照明系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度的影響等性能進(jìn)行了充分驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1)根據(jù)達(dá)到預(yù)定的理論照度值的燈具布置設(shè)計(jì)方案，在實(shí)際施工安裝燈具后得到的光照度，符合預(yù)定的理論照度值。這說(shuō)明燈具布局結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法科學(xué)合理，燈具布局結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可行，燈具性能參數(shù)選擇合理。

2)通過(guò)8種不同的靶道燈光照明技術(shù)方案下進(jìn)行的9輪試驗(yàn)可以確定，短距封閉靶道內(nèi)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(tǒng)連續(xù)工作對(duì)靶道溫度影響很小。

3)按照大氣對(duì)目標(biāo)亮度影響與大氣對(duì)目標(biāo)對(duì)比度影響的理論，根據(jù)短距封閉靶道照明系統(tǒng)試驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)，完全可以以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出科學(xué)合理可行的遠(yuǎn)距離封閉靶道照明系統(tǒng)。

4)封閉靶道完全可以通過(guò)加裝科學(xué)合理的照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在封閉靶道內(nèi)進(jìn)行射擊精度試驗(yàn)，滿足各種研究性射擊試驗(yàn)。

[1] 北京照明學(xué)會(huì)照明設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì). 照明設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2006.

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

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

[4] 建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):GB 50034—2013[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

簡(jiǎn) 訊

2016年6月17日，中國(guó)照明學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)照明專業(yè)委員會(huì)成立大會(huì)暨農(nóng)業(yè)照明研討會(huì)在北京中國(guó)職工之家舉辦，來(lái)自全國(guó)各地70多家單位的100余名代表參會(huì)。會(huì)議邀請(qǐng)了國(guó)家節(jié)能中心以及北京市教委的有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)出席。中國(guó)照明學(xué)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)竇林平主持會(huì)議，中國(guó)照明學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)邴樹(shù)奎致辭。中國(guó)照明學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)華樹(shù)明擔(dān)任中國(guó)照明學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)照明委員會(huì)主任，秘書(shū)長(zhǎng)由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院劉文科擔(dān)任。成立大會(huì)上同時(shí)舉辦了農(nóng)業(yè)照明研討會(huì)，共有來(lái)自8位專家作了報(bào)告。中國(guó)照明學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)照明專業(yè)委員會(huì)的成立，標(biāo)志著照明技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)上升到了一個(gè)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(chǔ)平臺(tái)項(xiàng)目

董華， E-mail:huad2006@126.com

TJ012

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.022