天幕靶現場校準方法研究

■ 劉漢青 黃堅 王江山 韓家薇

引言

天幕靶是彈丸射擊時外彈道參數測試的主要設備，主要用于各種彈丸的初速、飛行時間以及著靶速度等參數的測試，測試結果的準確性直接影響射擊精度、威力等戰績指標。天幕靶的校準傳統做法是進行單靶指標測試和出廠時系統標定，但標定的專用裝置無法直接溯源，因而難以確保天幕靶測量數據的準確統一，而且現使用的方法是用多通道通函數信號發生器產生兩路脈沖串信號，配合相應的光電轉換輔助耦合裝置，模擬連發實彈射擊時對天幕靶產生的激勵信號，對天幕靶測速準確度進行校準。這種校準方式僅僅能夠校準天幕靶的響應時間，無法校準探測靈敏度、垂直度等重要的參數。本項目針對使用中的天幕靶現場校準的需求，研制一種現場校準裝置，無需拆卸天幕靶，直接進行校準，對天幕靶的主要技術指標響應一致性、靈敏度、垂直度等進行全方面校準，保障量值傳遞的準確統一。

1 天幕靶現場校準裝置構成

天幕靶現場校準裝置的整體過程是利用單通道信號源輸出負脈沖方波信號，這個信號作用于檢定裝置控制儀，天幕靶檢定裝置控制儀位于操控臺內，將信號源輸出的控制信號進行驅動，提高電流能力。每個頻閃小光源采用獨立的驅動電路，避免相互之間的干擾。檢定裝置控制儀用來控制光源信號。使之產生頻閃光源或者使位置檢測機構發出常亮光源，用于獲取天幕面垂直度、靈敏度、兩個天幕靶對作用信號響應的一致性參數的數據。光源控制信號另一方面輸入到雙通道示波器，當待檢天幕靶由于通光量的改變產生信號變化時，向示波器輸入另一個信號，用來校準天幕靶的響應一致性。這些所獲得的數據傳輸到計算機后，計算機中的校準專用軟件對收集到的數據進行計算，最終得出結果。

圖1 天幕靶現場校準裝置框圖

天幕靶校準裝置分為測量裝置與數據處理裝置兩部分，測量裝置主要完成校準天幕面垂直度、靈敏度、兩個天幕靶對作用信號響應的一致性參數的數據獲取，測量裝置主要分為彈丸信號模擬裝置、位置檢測機構、門型架、精密平移臺及底座等部分組成，位置檢測機構用于校準天幕面垂直度。其主要使用流程為：計算機發出指令到光源控制裝置，光源控制裝置用來控制位置檢測機構與彈丸信號模擬裝置。通過改變天幕靶的通光量，來獲取校準參數的數據。其模擬構架如圖2 所示。

圖2 測量裝置組成示意圖

天幕靶校準裝置的電氣控制分系統主要包括光柵尺表頭、LED-P1～LED-P5、背景光、單通道信號源、雙通道示波器、檢定裝置控制儀和計算機，其中光柵尺表頭用于實時讀取天幕靶所在位置的數據，實時進行顯示，并可通過數據線傳送給計算機；5 個頻閃小光源位于支撐架的不同位置，其中LED-P1～LED-P4 用于檢測天幕靶光幕面垂直度檢測，LED-P5 用于輸出特性、恢復時間、靈敏性和響應一致性檢測；主光源主要用于靈敏性校準實驗中為天幕靶提供背景光照度，模擬自然環境光；信號源按照不同的校準項目設定相應的模式輸出脈沖信號；雙通道示波器用于測量信號源和天幕靶輸出的信號，分析信號特性；檢定裝置控制儀將信號源輸出的信號進行驅動后控制小光源進行閃爍，同時可控制光柵尺、主光源與指示激光器的供電狀態。圖3 為電氣控制分系統連接框圖。

圖3 電氣控制分系統連接框圖

2 天幕靶校準裝置工作原理

2.1 天幕面垂直度校準工作原理

“天幕面與水平面的垂直度”參數是檢測天幕面與某一基準面的垂直度偏差。這兩個參數以更嚴謹的方式應表述成“當天幕物鏡光軸處于水平狀態時，天幕面對水平面的垂直度”與“天幕物鏡光軸處于豎直狀態時，天幕面對水平面的垂直度”。

在天幕面上某處(相距鏡頭一定距離)截取與基準面平行的光幕條(一般為矩形)，檢測該光幕條與基準位置的偏差，該偏差結合參數就可以計算出需要檢測的兩個平面之間的平行度或者垂直度。由于光幕條是無形的，采用位置檢測機構在光幕條內搜索性掃描，該機構采用交流信號驅動，從而天幕靶的輸出就是相應的頻率變化的交流信號。本方法中，設計的位置檢測機構主要由光源、底座、光學透鏡、小孔等部分組成，將天幕靶的無形光幕變為有形，光源直徑可根據實際需要調節大小，采用方法是在光幕條內不移動位置檢測機構，而是固定位置檢測機構的位置，移動天幕靶，根據天幕靶的輸出信號，從而判斷光幕條的在測量面處的位置，圖4 是天幕面與相關基準面的位置關系圖，圖中畫的是基準平面和天幕面在測量平面的投影，A 和B 是兩個位置檢測機構，安裝在基準位置上，一般基準位置是一條直線，是基準平面在天幕面與測量平面的交線，A 和B 安裝在直線的兩端。天幕面在測量面的投影一般是光幕條，進入該光幕條的移動物體將被天幕靶探測到，采用位置檢測機構A 和B 模擬移動物體。圖4（a)是天幕面與基準面成一定的旋轉角度α，但天幕面過基準面的中線；圖4（b）是天幕面偏離基準面，與基準面的交線有一定的平移距離；圖4（c）以上兩種情況的綜合，天幕面與基準面成一定的角度旋轉并有一定的平移距離。

圖4 天幕面與基準面交線的三種位置關系

天幕靶放置于操作臺上，調節操作臺的平面與水平面平行，將天幕靶按工作狀態調平，在操作臺上沿基準平面的垂直方向移動天幕靶，使天幕靶的視場或天幕面穿過位置探測機構A 和B，記錄天幕靶的輸出有無，分別記錄位置探測機構A 和B 作用在天幕靶上有無信號兩個位置的移動距離LA1、LA2 和LB1、LB2；根據式(1)和(2)計算出LA 和LB，根據LA 和LB 確定光幕條與基準線的位置關系。圖5、圖6 和圖7 是三種位置關系測量工作示意圖。

當天幕面與基準平面在測量平面上的投影如圖5 所示時，天幕面過基準面的中線，且天幕面與基準面成一定的旋轉角度α，L=-L。在這種位置關系中，由于天幕面過基準面中線相交，我們認為天幕面與水平面、天幕面與通過水平軸的鉛垂面垂直。

圖5 天幕面與基準面成一定旋轉角度

當天幕面偏離基準面，與基準面的交線有一定的平移距離L，L=L=L，如圖6 所示。在這種位置關系中，由平移臺所記錄的數據可以測得平移距離L0，設天幕面和基準面之間的夾角為β，通過公式(3)，即可求出β 角。

圖6 天幕面與基準面成一定平移距離

當天幕面與基準平面在測量平面上的投影如圖7 所示時，天幕面與基準面成一定的角度旋轉并有一定的平移距離，LA ＞LB，或LA ＜LB。在這種情況下，建立公式(4)：(LA，LB，AB 均可測)。求得角α 度后，將光幕條旋轉α 角，使天幕面在測量面的投影與基準面平行，即轉換為第二種情況。設天幕面和基準面之間的夾角為β，由公式(5)，可求得β(O1O2 為天幕面在測量面上的投影旋轉α 角后與基準面的平行距離)。

圖7 天幕面與基準面成一定旋轉角度和一定平移距離

根據以上原理與計算，可實現“天幕物鏡光軸處于豎直狀態時，天幕面對水平面的垂直度”的校準。

同理可得“天幕物鏡光軸處于水平狀態時，天幕面對水平面的垂直度”的校準。

2.2 天幕靶靈敏度校準工作原理

采用一定亮度的光源放置于天幕靶光軸上，距離天幕靶鏡頭一定距離，光源用一定頻率交變信號驅動，觀察天幕靶模擬輸出的信號幅值大小，該幅值大小與天幕靶的靈敏度成正比。用標準天幕靶標定該幅值。圖8 是工作原理圖。

圖8 天幕面靈敏度檢測原理

2.3 天幕靶響應一致性校準工作原理

將光源放置在待檢測天幕靶的探測視場的中心軸線內，采用信號發生器輸出負脈沖方波信號，控制光源在預定時刻熄滅，其中方波信號幅值依據光源的工作電壓決定，寬度為100μs。天幕靶接收到變化的光信號后，經光電探測器件和信號處理電路輸出模擬信號和方波信號。由于觸發后續測時系統的信號為方波信號，因此確定方波信號為前沿對應天幕靶輸出信號的時刻。利用示波器測量信號發生器輸出信號與天幕靶輸出信號的對應邊沿的時間間隔，即為天幕靶的響應時間。分別測量組成一套測速系統的兩臺天幕靶的響應時間，計算其差值。當差值小于2μs 時，即可判定兩臺天幕靶的響應一致性合格。當天幕靶輸出方波信號的對應彈尖觸發信號時，需測量信號發生器輸出信號的前沿與彈尖觸發信號的時間間隔；當天幕靶輸出方波信號的對應彈底觸發信號時，需測量信號發生器輸出信號的后沿與彈底觸發信號的時間間隔。圖9 為天幕靶響應一致性測量方法示意圖，圖10 為天幕靶響應時間示意圖。

圖9 天幕靶響應一致性測量方法示意圖

圖10 天幕靶響應時間示意圖

3 天幕靶校準裝置工作過程

開始前，把待校準的天幕靶置放在天幕靶承載臺上，調整天幕靶至水平，同時，天幕靶鏡頭中心刻線與基準面指示激光線重合，連接好所有電源線與數據線，設置天幕靶鏡頭光圈與焦距為某一固定值(該數值經實驗標定給出)，進入天幕靶參數的校準實驗。

3.1 天幕面與水平面的垂直度參數校準過程

首先令一個位置檢測機構單獨發光，控制載有天幕靶的精密平移臺進行平移，計算機與光柵尺液晶屏會實時顯示天幕靶移動的位置數據信息，觀察示波器上天幕靶輸出信號的強弱變化，人工判定天幕靶輸出信號達到最大值時，表明位置檢測機構處于天幕靶幕面中心位置，計算機記錄該位置信息。同理，分別打開其它位置檢測機構的光源，完成以上步驟的操作與位置信息記錄，通過計算機軟件會顯示天幕靶校準的關鍵參數，確定被校天幕靶天幕面與水平面的垂直度是否符合要求。

3.2 靈敏度的校準過程

使彈丸信號模擬裝置發光，把照度計裝置套裝在天幕靶鏡頭上，調節彈丸信號模擬裝置中背景光與主光源的亮度，當主光源熄滅時，產生的光通量變化量達到事先標定值。撤去照度計裝置后，利用示波器觀測天幕靶在主光源熄滅時輸出信號的幅值，根據標定好的天幕靶靈敏度與示波器電壓幅值關系表，確定被校天幕靶靈敏度是否符合要求。

天幕靶靈敏度與示波器電壓幅值關系表的建立方法：根據對靈敏性的要求：天空對地面照度為3000～4000lx時(避免太陽直射)，天幕靶探測距離不小于300 倍被測彈丸彈徑(被測彈丸彈徑不小于4.5mm)時，天幕靶應能正常啟動。因此，首先在標準環境下通過氣槍彈實彈射擊建立倍彈徑、光通量變化量與電壓幅值的關系，然后，再采用天幕靶校準裝置模擬建立光通量的變化量與電壓幅值的關系，從而建立天幕靶靈敏度與示波器電壓幅值關系表。

3.3 兩個天幕靶對作用信號響應時間校準過程

開啟信號發生器，使其輸出負脈沖方波信號控制彈丸信號模擬裝置的光源在預定時刻亮滅，觀察示波器測量信號發生器輸出信號與天幕靶輸出信號的對應邊沿的時間間隔，即為天幕靶的響應時間。分別測量組成一套測速系統的兩臺天幕靶的響應時間，計算其差值，確定兩臺被校天幕靶的響應一致性是否符合要求。

4 結論

本方法針對使用中的天幕靶現場校準的需求，研制一種現場校準裝置，無需拆卸天幕靶，直接操作校準裝置，配合校準操作程序和方法，完成對天幕靶的現場校準工作。天幕靶需要校準的技術指標較多，每一項都需要不同的校準設備進行，本方法使用的天幕靶校準裝置將校準所需的多臺設備進行分類整理，最終集成一套完整的校準裝置，實現天幕靶所有項目的校準，確保了天幕靶量值準確可靠。