基于激光炸點指示的低速動態啟動特性測試方法

黃 勇，王 剛，湯 彬，張喜文，霍麗鵬

（西安機電信息技術研究所，陜西 西安710065）

0 引言

脈沖激光探測體制是目前空空導彈、防空導彈引信中普遍采用的近炸探測體制之一。激光近炸引信的啟動特性是引信的關鍵特性，它綜合反映了彈目交會過程中引信對目標作用的效能，是主要戰術技術指標。因此在近炸引信的科研和生產過程中，引信的啟動特性是重要的考核參數之一［1］。

啟動特性通常可借助于引信啟動區及其啟動概率來描述［2］。引信啟動區是指導彈在遭遇段引信接收到目標信號后引爆戰斗部時，目標中心所在點相對于戰斗部中心的所有可能位置的分布區域［3］，該區域相對于目標的距離和方位直接關系到戰斗部對目標的殺傷概率。因此，對引信啟動特性的評估方法成為各引信研制單位必須研究的內容。

目前對近炸引信啟動區的考核主要是通過炮射反彈道、火箭橇和遙測彈飛行實現彈目的高速交會，并通過指示藥、閃光燈等進行炸點指示以獲取引信對目標的啟動點的散布。隨著戰斗部殺傷半徑的提升，對近炸引信作用距離的要求也隨之大幅提高，炮射反彈道試驗必須進行距離縮比，對測試結果的有效性存在一定的影響。而其他高速彈目交會試驗，特別是交會速度達到1 000m／s以上時的試驗成本昂貴，引信在研制初期能夠搭載導彈或火箭彈進行飛行試驗的數量相當有限，難以滿足驗證要求。針對目前脈沖激光近炸引信啟動特性考核方法成本較高，試驗數量少，難以滿足引戰配合設計需要的現狀，提出了基于激光炸點指示的低速動態啟動特性測試方法。

1 啟動特性測試方法

實靶射擊檢驗引戰配合效果是一種直觀和最真實的方法［3］。一般情況下，目標可能是靜止懸吊或靶機繞飛。由于是外場試驗，環境氣候的不可控因素較多，交會高度較高時也給彈目相對位置、距離的測量帶來諸多不便，加之試驗成本過高，因此一般不單獨作為啟動特性的考核方法。

炮射反彈道方法是利用炮彈彈丸代替飛行目標，探測裝置按一定脫靶量靜置于彈道一側。彈丸飛掠探測裝置時，探測裝置輸出作用信號點亮指示裝置。高速攝像設備記錄整個彈目交會過程，以判斷交會時探測裝置是否正常工作。但作為目標的炮彈彈丸相對于直升機、固定翼飛機等大型目標來說，其有效散射面積過小，需要根據彈丸的有效散射面積進行探測距離的縮比計算，因此對作用距離極限條件下啟動特性考核的有效性有一定的影響。

火箭橇方法是利用火箭推動載有探測裝置的橇體在軌道上滑行，目標置于軌道上方或一側。探測裝置掠過目標時輸出作用信號點亮指示裝置，由高速攝像設備記錄整個彈目交會過程。該方法實現了探測裝置在運動中的啟動特性測試，但由于存在火工品，攝像機位的布置一般較遠，最終僅獲得探測裝置是否啟動，而難以獲得精確的啟動區域和時機。另外，火箭橇設備投資和試驗消耗較大，因此試驗量不會很多［3］。

2 基于激光炸點指示的低速動態啟動特性測試方法

即使采用火箭橇方法，高速彈目交會，特別是交會速度達到1 000m／s以上時，在地面試驗環境中也難以實現。故按照速度／頻率縮比的模擬試驗原則設計出一種脈沖激光近炸引信專用的低速動態啟動特性測試方法。

交會速度降為實際速度的1／N，同時激光引信的發射重復頻率也降為正常工作頻率的1／N，在目標外形尺寸、可靠作用距離不變的條件下，發射脈沖間隔時間內引信的空間渡越距離不變。因此脈沖激光引信降低發射重復頻率，即可在低速下模擬高速彈目交會，獲得啟動區、目標識別時間等數據。

試驗載體為氣動滑橇，引信、炸點指示裝置和試驗電源通過試驗卡具固定在橇體上。滑橇在氣壓彈射裝置作用下按規定速度沿軌道滑行。目標懸掛于軌道側上方，引信探測裝置僅開啟一組收發單元，主光軸指向目標，交會位置的彈目實際距離為戰技指標要求的可靠作用距離。探測裝置發射光斑弧矢面方向平行于目標豎直邊沿，該邊沿即為探測起點。炸點指示裝置與探測裝置發射單元的光軸平行，引信決策輸出時炸點指示裝置在目標上打出高亮激光點，通過指示光點與目標邊沿以及探測裝置發射光軸的相對距離差，可精確獲取引信作用點的位置，從而獲得引信啟動區的散布，以及引信固有識別時間等啟動特性數據。

炸點指示裝置采用高亮度綠激光指示器作為發光器件，利用高速MOSFET驅動、MOSFET開關等高速器件形成高速、大電流脈沖驅動激光指示器輸出高亮度激光脈沖，在目標上形成可視的點狀光斑。

由于高速攝像機的攝錄速度高，曝光時間短，試驗場地照明光線較暗時，難以滿足獲取模擬目標邊際圖像的亮度要求，故在目標的邊角處安裝了邊際指示裝置。

試驗系統，如圖1所示。

試驗前，根據實際速度計算引信探測裝置試驗中需要的實際工作頻率f，并對產品進行參數裝定。f的計算方法如下：

運用的教學方法主要包括：案例教學、演示教學、多媒體教學、講練結合等。在課程的不同階段，根據授課對象特點及課程內容靈活選擇不同的教學方法。

其中：V0為實際的彈目交會速度，f0為激光引信的正常工作頻率，V為試驗中試驗載體的實際滑行速度。

炸點指示裝置與探測裝置發射單元的光軸在彈體同一母線方向上，且嚴格平行，以保證探測裝置正常作用，高速攝像機即可在模擬目標上捕獲指示光點。通過高速攝像采集到的幀圖片計算第一個指示光點，即Ti＝1（i＝1）時光點位置距探測起點距離S：

其中：L為模擬目標的邊長；L0為高速攝像采集的幀圖片中模擬目標圖像的邊長；S0為幀圖片中指示光點位置距探測起點的距離。

圖1 試驗系統示意圖Fig.1 Diagram of system

引信決策點距探測起點的距離R：

其中：S為指示光點位置距探測起點的距離；A為炸點指示裝置與探測裝置發射單元的安裝基線距離。

由于炸點指示裝置與探測裝置發射單元的光軸平行，因此R即為引信決策所需的固有卷入深度，可以代表不疊加戰斗部因素的引信啟動點，若進行多次重復測試則每次啟動點的散布即為引信啟動區。

3 試驗驗證

3.1 響應速度測試

炸點指示裝置的響應時間直接影響固有卷入深度的測量和計算，因此需要進行從控制信號輸出到指示激光輸出的響應時間測量。由于小靈敏面PIN光電二極管的響應時間一般都在10納秒量級，因此采用PIN光電二極管接收炸點指示裝置輸出的激光脈沖來測試其響應速度。炸點指示裝置的響應時間測試波形，如圖2所示。

圖2中通道2為控制信號，通道1為光電二極管接收的炸點指示信號。兩通道延遲時間約為360ns，說明炸點指示裝置的響應時間短，能準確指示的炸點位置。

3.2 低速動態交會試驗

滑橇的安全試驗速度不超過60m／s。若實際彈目交會速度為1 500m／s，則根據本試驗方法，探測裝置發射重復頻率降為正常工作頻率的1／32時，彈目交會速度降至46.875m／s，可滿足滑橇安全試驗速度要求。

靜態條件下模擬目標上炸點指示情況如圖3所示。動態條件下高速攝像采集的模擬目標和炸點指示情況如圖4所示。

3.3 啟動區的測量與統計

根據公式（2），經圖上測量以及目標比例計算得到，指示光點到探測起點的距離為S。炸點指示裝置與探測裝置發射單元中心距A為21.51cm，根據公式（3），可以得出固有卷入深度R。

根據設計，彈目交會速度1 500m／s，且探測裝置發射頻率為20kHz時，在確認時間內理論固有卷入深度R′為52.5cm，實際卷入深度與理論卷入深度的距離差ΔR見表1。

表1 數據分析Tab.1 Data analysis

彈目交會時首個激光脈沖與目標邊緣的固有散布為一個發射周期，即50μs，其相應渡越距離為7.5cm。高速攝像圖像采集速度2000F／s，以滑橇速度（47±3）m／s計算，每兩幀間隔距離為2.2～2.5cm。因此，綜合誤差范圍最小為±4.85cm。5次測量結果均在綜合誤差范圍內。

4 結論

本文提出了基于激光炸點指示的低速動態啟動特性測試方法。該方法按照速度／頻率縮比的模擬試驗原則，實現引信啟動特性的測試，并利用高亮度激光指示器進行啟動點的炸點指示，實現引信啟動區的精確定量描述。試驗驗證表明該方法試驗結果顯示直觀，數據測量準確，計算簡單，對試驗載體要求較低，節約成本，適宜反復試驗，便于進行數據統計。

［1］鄭志偉.空空導彈系統概論［M］.北京：兵器工業出版社，1997.

［2］沈珠蘭.電容近炸引信啟動特性研究［J］.上海航天，2002（6）：33－35.

［3］張志鴻.防空導彈與戰斗部配合效率和戰斗部設計［M］.北京：宇航出版社，1994.

［4］張龍山.引信技術概論［Z］.西安：西安機電信息技術研究所，2005.