远距离封闭靶道照明系统技术研究

董 华，彭宗法

(1.中国科学院空间应用工程与技术中心，北京 100094；2.中国兵器装备研究所，北京 102202)



远距离封闭靶道照明系统技术研究

董 华1，彭宗法2

(1.中国科学院空间应用工程与技术中心，北京 100094；2.中国兵器装备研究所，北京 102202)

针对轻武器封闭靶道受光线制约不能进行射击精度试验的难题，进行了远距离封闭靶道满足射击精度试验的照明系统技术研究，研究分析了远距离封闭靶道适合精度射击试验的照明系统各区照度、照度均匀度等重要技术参数。设计了封闭靶道适合射击的照明系统，并设计了满足该照度和照度均匀性的光源排列布局方案，进行了验证试验，结果表明，所设计的照明系统能够满足射击枪械、弹药的射击精度试验。

轻武器；封闭靶道；靶道照明；精度试验

引言

轻武器射击精度试验，一般在室外利用自然光观瞄瞄准点进行发射，但是室外试验又受到横风、雨雪和其他气象条件的影响。为此，一些靶场建设了室内靶道，室内靶道虽然排除了横风、雨雪和其他气象条件的影响，但是不能采自然光，仅仅利用天窗和普通灯光照明供射手观瞄，其观瞄效果完全不能模拟室外自然光的观瞄效果。因此，首次进行了封闭靶道照明系统技术研究，以满足封闭靶道射击试验的各项条件为指标，研究了封闭靶道的灯光照度匹配、照度均匀度、色温、显色指数、灯光色彩、墙壁背景色彩等技术参数，以及这些技术指标条件之间的相互关系。通过技术分析，研究设计了几种适合封闭靶道射击的光照度、照度均匀性等条件参数，并以此设计了满足该照度和照度均匀性的光源排列布局方案。为了验证该理论研究的合理性，施工建设了室内灯光靶道，使用配备光学瞄具的狙击步枪和机械瞄具的自动步枪进行了验证试验。

1 封闭靶道照明系统的功能要求

封闭靶道的照明系统，要能满足完全封闭的靶道内人员进行枪械架设、仪器操作、弹药装填、射手瞄准与射击等全部试验行为的照明需求，重点是满足射手正常的的观瞄射击，满足轻武器射击精度试验。

要满足轻武器射击精度试验，主要是要解决好射手眼睛、枪械瞄具(包括机械瞄具和光学瞄具)、靶面瞄准点、枪位与靶位之间的环境区这4个重点部位或区域的参数合理的光线，这些参数主要包括照度、均匀度、色温、显色指数等，能最大可能的满足自然光的优点[1]，光线柔和、照度均匀、强度合适、无频闪，又能摒弃自然光条件下观瞄的一些缺点，诸如光线太强，射手感觉刺眼，机械瞄具准星重影明显，光学瞄具观瞄目标及目标周围环境过于清晰，射手呼吸微动却感觉枪体晃动明显，主观感觉难以将光瞄十字始终套牢瞄准目标。

2 封闭靶道照明系统设计分析

2.1 封闭靶道射击试验的视觉环境特性

封闭靶道环境对外界的各种环境因素具有排斥和吸收特性，排斥了靶道外界的热、声环境对靶道试验环境的不利影响，同时也排除了自然光的视觉环境因素。因此,用照明系统给封闭靶道提供一个良好的视觉环境，这是封闭靶道照明系统设计的一个突出特点。

封闭靶道内的试验人员对靶道内的工作环境,除要求有适宜的照度等条件外,还需要随时了解工作环境周围的实时情况和环境的变化，其中视觉是最重要的感觉。人的知觉主要是要求保持与环境的接触,并调节人的行为使之适应环境。因此,一个非常好的视觉环境应该能够使人更容易地感知周围的视觉信息。如果输入人的视觉信息模糊或根本没有,会使人对认识环境的重要因素的确切状况不能够掌握,为此变得非常不安宁或不舒适,从而影响其工作效率。一个非常好的视觉环境应该能够为所处环境中的人提供充分的视觉信息。

封闭的室内空间则切断了室内外的视觉联系,使在室内定向时失去了室外的参照系统。进行靶道环境设计时,为了弥补这种损失,帮助建立在室内定向的参照系统,应注意充分提供能帮助人们确定空间方位和通路的信息。

2.2 照度的设计分析

良好的照明能使射手产生较好的视觉功效，研究表明，在其他条件一定的情况下,人眼的视觉功效是由瞳孔大小决定的，瞳孔收缩能提高视觉功效；反之，瞳孔放大会降低视觉功效。瞳孔的大小变化影响视觉功效，从而影响射手观瞄[2-3]。人眼瞳孔大小不但受人本身生理、 心理因素的影响，还受照明等外部环境因素的影响。不同的研究者已针对不同的应用对影响人眼瞳孔大小因素进行了研究。在照明条件下，人眼瞳孔面积随背景亮度的变大而减小,且减小的速度随背景亮度的变大而减小。实验证实, 瞳孔大小在背景亮度大约为1.2～1.5 cd/ m2的水平后逐渐趋于稳定。

射手进行射击，工作实质就是通过人眼与枪械瞄准机构、目标、人与目标之间的光线媒介配合进行的综合行为，如果光线不佳或者光瞄时间长，就会出现视力疲劳和精神疲劳状态，就要影响射击效果，射击环境中照度条件是引发视觉疲劳的主要原因。通过分析人的视觉系统在不同照明条件下引发疲劳的程度和改变照明条件对工作绩效的影响，论证最佳的照度条件，使人、枪、目标在最佳光照条件下，减轻视觉疲劳的程度，或推迟视觉疲劳的产生，以提高射击效果，为靶道的照明设计提供参考依据。试验靶道适当的亮度不仅能提高射手的视觉调节能力,而且能提高近视力与远视力。当目标与背景的亮度呈一定关系时,瞳孔进行适当地缩小,物体在视网膜上的成像更加清晰,此时如果是视力常规的人看物体,感觉非常清晰并且舒适,但是使视力不正常的观察者感觉到疲劳。

2.3 照度均匀度、色温

综合试验射击靶道的用途决定了对靶位区和环境区的照度均匀度的要求较高，所以要求靶位区和环境区的照度均匀度不低于0.75。要取得较好的照度均匀度，取决于光源的正确选择，灯具的合理设计以及靶位区光源的优化布局。灯光的色温与灯光自身的照明效果和热辐射有一定的联系，如果热辐射过强，会使靶道内温度骤然升高，导致气体紊流，对弹道产生影响。根据标准气象条件实验靶道要求，照明系统连续工作8 h后，靶道内气温升高值不能超过5 ℃。要选择温升较低的灯具，才能保证长时工作对温度的低影响要求。

3 封闭靶道照明系统设计

3.1 总体设计要求

总体设计要求在完全没有外部自然光照射的情况下，利用靶道内部照明，达到进行枪械精度射击试验。

3.2 靶位、环境区的照度参数设计

前人的研究表明，人眼能适应的照度范围是10-3～105lx，照度从10 lx增加到1 000 lx时，人的视力能够提高65%～80%，在照度比较低的条件下,人不断地辨认目标，就会产生视觉疲劳、视力相对下降等情况。根据国标射联章程，射击场所的环境照度与靶面照度之比为1/2～1/5之间，根据靶位的照度情况，就能确定环境区域的照度值。所以，将靶位的照度设计为2 000 lx，环境照度值为600 lx，均匀度大于0.75。

为了验证设计的目标照度值和均匀度的科学合理性，利用试验验证的方法对目标照度值上下的参数值，用试验验证的方法进行逼近和验证。对逼近范围内的不同的靶位照度值(2 500 lx、2 000 lx、1 500 lx、1 200 lx)和环境照度值(600 lx、400 lx)形成了8种不同的靶道灯光照明技术方案，每一种靶位照度和环境区照度的匹配形式进行一轮试验进行验证，来验证所设计的目标参数。

3.3 光源的选择

选择光源时，应在满足显色性、启动时间等要求条件下，根据光源、灯具及镇流器等的效率，寿命和价格在进行综合技术经济分析比较后确定。根据GB 50034—2013 《建筑照明设计标准》[4]，一般情况下，室内外照明不应采用普通照明白炽灯，高度较高的工业厂房内，应按照生产使用要求，采用金属卤化物灯或高压钠灯，亦可采用高频大功率细管径荧光灯。封闭靶道对灯光有防弹和易于安装等特殊的要求，所以选择金属卤化物灯。

3.4 靶道内灯具布局

针对灯具优化布局这一非线性优化问题，提出了一种改进的粒子群优化算法。粒子群优化算法是一种基于群智能方法的演化计算技术。同遗传算法相似,是基于群体的优化工具,系统初始化一组随机解,通过迭代搜寻最优值。但是并没有遗传算法用的交叉及变异操作,而是粒子潜在的解在解空间追随最优的粒子进行搜索。与遗传算法比较, 粒子群优化算法的优势在于其有记忆性、收敛速度快,并且采用实数编码,需要调节的参数少,结构简单,易于实现。算法既适合科学研究,又特别适合工程应用。

该方法根据粒子群多样性，使粒子群规模按照准正弦规律自动地进行调整。在每个正弦波段的波峰和波谷处，对群体的多样性进行计算，该计算值作为下一正弦波段要达到的谷值或峰值。由于试验靶道过度区对照度的均匀度要求0.75并不高,所以过度区光源的布局可以采用软件完成。而靶位区即使对照度的均匀度要求为0.75，但是从工程实现上希望得到更高的照度均匀度，靶位区的照度均匀度要求较高，所以采用准正弦粒子群算法对靶位区域的灯具进行优化布局。应用该算法对靶位区的照明进行设计，优化的灯具布局使靶位区的照度均匀度达到设计要求。

4 封闭靶道照明系统试验与数据分析

4.1 封闭靶道照明试验设计安排

通过匹配不同的靶位照度值(2 500 lx、2 000 lx、1 500 lx、1 200 lx)和环境照度值(600 lx、400 lx)形成了8种不同的靶道灯光照明技术方案，每一种靶位照度和环境区照度的匹配形式进行一轮试验进行验证，共8轮；靶道内精度试验结果最好的一轮试验重复一轮，靶道内共9轮试验；再安排1轮室外自然光条件下的密集度试验，试验总数为10轮。

4.2 轻武器精度射击试验与数据分析

为了便于比较，将10轮试验的机械瞄具枪械射击的R50、R100以及光学瞄具枪械射击的R50、R100值进行了叠加比较，叠加比较图如图1所示。

图1 10轮试验射击的R50、R100叠加比较图Fig.1 The comparison of R50,R100 for the ten shooting tests

通过8种不同的靶道灯光照明技术方案下进行的9轮试验表明：短距封闭靶道内照明条件为靶位照度值2 000 lx，环境照度值600 lx时，3名射手持光学瞄具和机械瞄具的枪械进行密集度射击的密集度结果最好，主观感受最好。3名射手主观感受该照明条件下，观瞄射击最舒适，目标清晰度最高，3组连续射击疲劳感最轻微。

4.3 光源工作对靶道温度的影响

每轮试验都在靶位区和环境区的两个点进行了温度测量和记录，监测照明系统工作对靶道温度的变化。封闭靶道内靶位照度值为2 000 lx，环境照度值为600 lx，均匀度大于0.75的照明条件下，照明功率最大。该条件下照明系统连续工作4 h，靶位温度上升幅度为1.75 ℃，环境区温度上升幅度为0.76 ℃。

5 结论

笔者通过实际建设远距离封闭靶道照明系统，并进行了为期五天的10轮大型试验，对封闭靶道灯光照明系统的靶位照度及均匀度、环境照度及均匀度、射手实弹射击密集度及光瞄射击感受、灯光照明系统对环境温度的影响等性能进行了充分验证，得到如下结论：

1)根据达到预定的理论照度值的灯具布置设计方案，在实际施工安装灯具后得到的光照度，符合预定的理论照度值。这说明灯具布局结构设计方法科学合理，灯具布局结构设计方案可行，灯具性能参数选择合理。

2)通过8种不同的靶道灯光照明技术方案下进行的9轮试验可以确定，短距封闭靶道内最佳的照明条件为：靶位照度值为2 000 lx，环境照度值为600 lx，均匀度大于0.75。该照明系统连续工作对靶道温度影响很小。

3)按照大气对目标亮度影响与大气对目标对比度影响的理论，根据短距封闭靶道照明系统试验的成功经验，完全可以以此为基础，设计出科学合理可行的远距离封闭靶道照明系统。

4)封闭靶道完全可以通过加装科学合理的照明系统，实现在封闭靶道内进行射击精度试验，满足各种研究性射击试验。

[1] 北京照明学会照明设计专业委员会. 照明设计手册[M]. 北京：中国电力出版社，2006.

[2] 陈仲林，胡英奎，翁季. 视觉研究道路照明安全[J]. 照明工程学报, 2007,18(1):31-34.

[3] 李勇，阴国恩，陈燕丽. 阅读中疲劳、心理负荷因素对瞳孔大小的调节作用[J]. 心理与行为研究, 2004, 2(3):545-548.

[4] 建筑照明设计标准:GB 50034—2013[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2014.

简 讯

2016年6月17日，中国照明学会农业照明专业委员会成立大会暨农业照明研讨会在北京中国职工之家举办，来自全国各地70多家单位的100余名代表参会。会议邀请了国家节能中心以及北京市教委的有关领导出席。中国照明学会秘书长窦林平主持会议，中国照明学会理事长邴树奎致辞。中国照明学会副理事长华树明担任中国照明学会农业照明委员会主任，秘书长由中国农业科学院刘文科担任。成立大会上同时举办了农业照明研讨会，共有来自8位专家作了报告。中国照明学会农业照明专业委员会的成立，标志着照明技术在农业领域的应用已经上升到了一个新的高度。

(高飞)

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

基础平台项目

董华， E-mail:huad2006@126.com

TJ012

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.022