光幕靶測量系統校準方法研究

■黃堅 郭瑞 宋佳祺 吳波

引言

炮口初速是表征常規兵器、彈藥及彈道特性的重要指標性參數之一，對射擊精度影響很大。炮口初速測量貫穿于射擊武器和彈藥產品的科研、生產、產品交驗和裝備實戰的各個過程，是自動武器系統的重要技術指標。

光幕靶和天幕靶都是基于光電轉換原理，具有測試精度高、可靠性好等特點，目前在靶場測試領域已逐步普及應用。有別于天幕靶，光幕靶采用人工光源，不受環境光線的影響，滿足全天候使用，其人工光源主要有白熾燈、紅外發光二極管、激光二極管等。

為了確保測試數據的可靠性,一般在試驗前,需對測試系統進行檢驗,判斷整個測試系統是否處于正常工作狀態。常規的檢驗方法主要采用人工投擲石子依次穿過兩個光幕靶，從而檢查光幕靶是否正常輸出信號以及測時儀能否測得數據值。該方法僅能定性的判斷設備的基本工作狀態,無法反映測試系統的性能與精度。同時在利用光幕靶進行彈丸測速時,偶爾會出現測試結果異常,而導致數據異常的原因是多方面的,現有傳統方式難以準確判定故障原因。此外,隨著光幕靶使用年限的增加,其測試精度會有所降低,用戶無法自行檢驗和校準。針對上述問題,本文設計了一套光幕靶測速系統的校準方法和裝置。該裝置采用基于CPLD的高精度信號發生器和兩套頻閃光源構成校準裝置,利用頻閃光源的平閃光對光幕靶測試系統進行檢驗和測試，可用于系統故障的排除和試驗前測速系統的狀態檢查。

1 光幕靶工作原理

如圖1所示，光幕靶測速系統由起始靶和停止靶兩個光幕靶以及計時儀組成。光幕靶由一對發射靶、接收靶組成。具體工作原理如下：發射靶產生相對均勻的光幕，接收靶將接收到的光信號轉換為電信號并進行處理。當彈丸飛過此光幕時會遮擋部分光幕導致接收到的光通量發生變化，經接收部分轉換處理產生一個脈沖信號。計時儀計算兩靶（起始靶和停止靶）產生的脈沖信號的時間差，得出彈丸飛過兩個光幕之間的時間間隔t，在已知兩靶之間的距離s的情況下即可計算出彈丸的速度。

圖1 光幕靶測速原理

2 光幕靶校準主要問題

光幕靶是以人工光源為測試背景光，應用光電轉換原理的一種非接觸區截裝置。光幕靶的幕面和天幕靶的幕面一樣，有一定的厚度和發散度，因此存在因幕面厚度所造成的靶距誤差。其校準通常采用與較高準確度的測速裝置，如雷達、更高準確度的光幕靶比對來實現。然而傳統的對比校準方法存在如下問題：所能驗證測量范圍取決于飛行物本身的速度；需要通過多個飛行物以不同的速度飛越才能實現多點的校準，校準成本高、難度大、耗時長。

3 光幕靶測量系統校準裝置

針對光幕靶校準的主要問題，提出了一種利用頻閃光源代替傳統飛行物實驗對比驗證的校準裝置，如圖2所示。主要由起始靶發射光源安裝架、起始靶頻閃光源、起始靶光電轉換器、截止校準光幕結構包含起始靶發射光源安裝架、截止靶頻閃光源、截止靶光電轉換器、光源控制器、信號發生器構成、測試儀構成。利用兩個亮滅時間間隔已知的頻閃光源模擬彈丸依次穿過兩套光幕靶，觸發光幕靶輸出兩個具有特定時間間隔的電壓脈沖實現測試結果對比與系統校準。

圖2 光幕靶校準裝置

為了模擬彈丸穿過光幕時產生的信號,在兩套光幕靶的均勻光幕中間靠近接收裝置的位置分別放置兩個頻閃光源。通過時間間隔可調的脈沖發生器輸出兩路特定時間間隔的脈沖控制光源在設定的時刻變暗,使照射到接收器件的光通量發生變化，從而使接收器件在信號處理電路的作用下輸出起始信號和截止信號來模擬彈丸穿過均勻光幕。起始信號和截止信號觸發測時儀開始和停止計數,若測時儀的計時時間與控制光源的兩個脈沖的時間間隔基本一致,則光幕靶測速系統工作正常。

光幕靶測試校準裝置以時間間隔可調的脈沖發生器為核心單元。系統組成圖如圖3所示。其中單片機控制整個系統的工作流程和邏輯電路工作時序。脈沖時間間隔輸入電路將預設的間隔時間△t送入單片機，單片機接收數據后將時間間隔送入中的邏輯電路,起始觸發信號在邏輯電路的作用下輸出兩個時間間隔為△t的電壓脈沖,該脈沖經驅動電路后控制頻閃光源的亮滅。

圖3 時標信號發生器電路框圖

4 頻閃光源參數驗證

根據光幕靶的測試特點，建立模擬驗證裝置，通過頻閃光源結合信號發生器，使用頻閃光模擬彈丸穿過光幕靶面阻擋光網，使得光源接收器不能接收到光源，產生電信號的變化。可模擬的彈丸速度的實際范圍可以通過頻閃光源單次頻閃時間進行計算確定。

彈丸穿越光幕靶面的時刻分別為t1和t2,則其飛行時間

頻閃光源通過輸出間隔為△t的兩個脈沖模擬彈丸穿過光幕靶面。假設光幕起始靶和接收靶之間的距離為L，由于光幕靶間距小，彈丸速度降可忽略不計，其速度測量上限：

其中tmin為頻閃光源的最短頻閃時間。對于校準測試系統，tmin應大于接收靶上光電轉換器的最小響應時間。常規速硅光電二極管的響應時間及頻閃光源控制速度均可達20ns，假設光幕靶起始靶和接收靶之間的距離L=0.1m，則可測量校準的彈丸速度上限可達5000m/s.

5 結論

利用確定的可變頻閃光源來模擬彈丸的飛行過程，從而起到校準光幕靶測量系統的目的，這種方式可以模擬不同彈丸的不同飛行速度，使得光幕靶的接收裝置產生標準的測量信號，實現測量裝置的校準過程。這種校準裝置可以對多個速度點進行校準實驗，保證光幕靶測速的準確程度。本校準裝置可以廣泛運用于各種型號的光幕靶當中。