一种短靶距区截测速装置靶距标定方法

杨卫华，高丰佳，倪晋平，董涛，谭林秋，开百胜

(1.中国兵器工业试验测试研究院，陕西 华阴714200；2.西安工业大学 陕西省光电测试与仪器技术重点实验室,西安710021；3.中国兵器工业集团有限公司 黑龙江北方工具有限公司，黑龙江牡丹江157000)

0 引 言

在枪、炮、弹、发射药的研制、生产及性能检测中，弹丸速度是一项较为重要的参数，弹丸速度是衡量身管武器性能是否合格的一项重要指标。现有常用的弹丸速度测量装置分为两种：一种是基于区截测速原理的测量装置，如线圈靶[1]、天幕靶[2-5]、光幕靶[6-8]等；另一种是基于多普勒原理的雷达测速[9-11]。雷达测速的优点为设备布置方便，可以获得弹丸的连续速度曲线；而区截测速装置的优点为设备测量原理相对简单、成本低，可以准确得到弹丸距离炮口某一点的速度，此外，天幕靶和光幕靶等区截测速设备配合高速数据采集仪及相应的速度测量软件可以完成高射频连发武器系统的弹丸速度测量，或者是一些尺寸较小的破片等速度的测量，这是测速雷达较难完成的，所以在现有雷达设备应用越来越广泛的今天，线圈靶、天幕靶、光幕靶等区截测速设备因其自身的优点，仍然被广泛应用与靶场弹丸速度的测量当中。

对于自带主动光源的主动式天幕靶和光幕靶等测速装置而言，在实际使用当中，靶距短意味着整个装置占用的空间较小，靶架装置更加容易设计和加工，同时其强度更容易保证，且不容易变形。然而，对于靶距较短（靶距一般小于2 m 或者更小）的区截测速装置，靶距S 的测量精度直接影响到弹丸速度的测量精度，并且从区截装置测速原理和误差测量公式[12]可以看出，在同样靶距测量误差下，靶距越短，速度测量误差越大，在一些短靶距测速情况下，无法采用精度更高的方法，所以提高短靶距测速装置的靶距测量精度对于提高整个测速装置的速度测量精度有着直接的影响。现有测量靶距的方法一般为采用精度较高的钢卷尺或是激光测距仪，简单方便，现场直接测量，钢卷尺的测量精度根据自身精度和测量距离的不同而不同，一般在1 mm 以上，而较高精度的激光测距仪的测量误差也在1 mm 左右。为进一步提高靶距测量精度，本文提出采用长靶距测速装置标定短靶距测速装置靶距S 的方法，通过标定试验和比对测速的方法，反演计算出需要标定的靶距，得到较为精确的靶距。

1 短靶距区截测速装置钢卷尺测距误差分析

分析式(4)可知：速度V测量相对误差ΔV等于时间间隔T测量相对误差ΔT与靶距S 测量相对误差ΔS的和。当时间间隔T、靶距S及其相对误差ΔS不变时，速度V测量相对误差ΔV与时间间隔T测量相对误差ΔT成正比；当时间间隔T测量相对误差ΔT、靶距S及其相对误差ΔS不变时，速度V测量相对误差ΔV与时间间隔T成反比；当靶距S、时间间隔T及其相对误差ΔT不变时，速度V测量相对误差ΔV与靶距S测量相对误差ΔS成正比；当靶距S测量相对误差ΔS、时间间隔T及其相对误差ΔT不变时，速度V测量相对误差ΔV与靶距S成反比。

在测量弹丸速度时，V是未知的，其相对误差ΔV是无法控制的，时间间隔T的值与靶距S与速度V均相关，较难改变。因此，想要提高弹丸测速的相对误差ΔV就需要增大靶距S的值，或者减小靶距S测量相对误差ΔS、时间间隔T及其相对误差ΔT。对于靶距S，当其增大时会影响整个测量设备的体积，S越大，测量设备就越庞大且笨重；对于靶距S测量相对误差ΔS，实验中一般使用钢卷尺测量靶距S，国标GB10633-89规定的Ⅰ级精度的钢卷尺的误差为

式(5)中，Δ的单位为mm，而L的单位为m，它是需要测量的长度值，当长度不是整数时，取接近的较大的整数倍值。则当靶距S为0.5 m时，靶距S测量相对误差ΔS为

实际实验当中，由于一般钢卷尺的最小刻度为1 mm，毫米以下的数位就需要实验人员进行估读，且一些人为的误差是不可避免的，因此，当采用钢卷尺量程小于2 m时，一般认为靶距S测量相对误差ΔS为1 mm。采用高精度的激光测距仪（型号：徕卡D5）测量两台天幕靶的靶距S，其误差同样为1 mm。传统的基于测时仪测量弹丸飞行时间的精度约为2 μs(2×10-6s)，当弹丸速度为1000 m/s时，计算最终弹丸速度相对测量误差最大值为

从以上分析和计算可知，采用钢卷尺测量靶距，当靶距为0.5 m左右时，系统速度测量相对误差大于0.1%，并且从式（7）和式（8）的计算结果可知，在靶距测量误差相同的情况下，弹丸速度越高，测速精度越低，反之，弹丸速度越低，测速精度越高，所以需要寻求其它方法解决靶距精确测量的问题。

2 靶距标定方法原理

如图1所示，采用长靶距离测速装置对短靶距离测速装置的靶距S进行标定，探测光幕Ⅰ和Ⅳ组成区截测速装置1，探测光幕Ⅱ和Ⅲ组成区截测速装置2，4个光幕相互平行，采用两套测速系统对同一发弹丸的飞行速度进行测量，由区截装置测速原理可知：

从式(13)可以看出，弹丸穿越探测光幕Ⅰ和Ⅳ的时间T1越长，最终靶距S2的标定精度越高，下面以两种弹丸为例对靶距S2的测量误差ΔS2进行计算。

首先，以7.62 mm步枪弹为例对测量误差ΔS2进行计算，设弹丸速度V约为1000 m/s，靶距S1为10 m整，靶距S2约为0.5 m，需要进一步精确标定，则弹丸飞越光幕Ⅰ和光幕Ⅳ的时间T1为0.01 s，弹丸飞越光幕Ⅱ和光幕Ⅲ的时间T2为0.0005 s，用激光测距仪测量靶距S1产生的误差ΔS1为1 mm，时间测量误差ΔT1和ΔT2为2 μs(2×10-6s)，将上述各参数代入式(13)可得

最终计算结果为ΔS2=0.25 mm。

以气枪弹为例对测量误差ΔS2进行计算，设弹丸速度V约为150 m/s，同样，靶距S1为10 m整，靶距S2约为0.5 m，需要进一步精确标定，则弹丸飞越光幕Ⅰ和光幕Ⅳ的时间T1为0.066 667 s，弹丸飞越光幕Ⅱ和光幕Ⅲ的时间T2为0.003 333 s，用激光测距仪测量靶距S1产生的误差ΔS1为1 mm，时间测量误差ΔT1和ΔT2为2 μs(2×10-6s)。将上述各参数代入式(13)可得

最终计算结果为ΔS2=0.08 mm。

通过以上分析和计算可知，采用弹丸飞行速度较小的气枪弹对靶距进行标定，最终的标定精度较高，采用长靶距速度测量系统与短靶距速度测量系统进行测速对比的方法，理论上可以将靶距测量误差由1 mm减小到0.08 mm。

图1 速度对比法标定靶距原理示意图

3 实验及结果分析

3.1 靶距标定实验

采用两台天幕靶配光源和测时仪组成的长靶距测速系统对一套光幕靶和测时仪组成的短靶距测速系统进行标定，两台天幕靶靶距S1通过精确调整和测量后为10 m，测量误差为±1 mm，光幕靶靶距S2约为0.5 m，还需要进一步精确标定，采用双通道XG2002-Ⅱ型电子测时仪对弹丸飞越两套测速靶的时间进行测量。射击枪弹为4.5 mm气枪弹，实验数据如表1所示，其中T1为弹丸飞越两台天幕靶的时间间隔，T2为弹丸飞越光幕靶两个光幕的时间间隔。实验弹种为气枪弹，由表中实验数据可以看出：通过每一组时间T1和T2及长靶距S1根据式(10)均可以计算出一个短靶距S2，10组数据对应的S2的平均值为501.355 mm。

表1 用气枪弹标定靶距实验数据

3.2 测速对比实验及结果分析

经过长靶距测速系统标定后的短靶距测速系统的靶距误差最大为0.08 mm，小于0.1 mm，靶距误差按照0.1 mm计算，时间测量精度按照2 μs(2×10-6s)计算，则最终短靶距测速系统的测速误差为

计算得到的0.1%的相对测速误差满足一般测速装置在实际靶场的要求。

为验证经过靶距标定的短靶距测速系统的速度测量精度，采用JYJ-90型天幕靶与光幕靶进行弹丸速度对比实验，实验中使用气枪弹，射击10发，实验数据记录在表2中，其中V1为光幕靶测得速度，V2为JYJ-90型天幕靶测得速度，分析表2得：JYJ-90型天幕靶与光幕靶测速系统的测速相对误差均不 大 于0.1%，与理论分析的最大误差0.1%基本一致。

表2 两种测速系统气枪弹对比实验数据

4 结 语

本文提出采用长靶距区截测速装置标定短靶距测速装置两靶距离的方法，论述了采用对比的方法对靶距进行标定的思路，并通过理论分析证明采用弹丸速度较低的气枪弹丸更能提高标定精度，使得靶距测量误差由传统的钢卷尺和激光测距仪的1 mm 减少至0.08 mm，并通过理论误差分析和气枪弹实验进一步证明，0.08 mm 的靶距测量误差使得被标定靶距的光幕靶速度测量误差减小至小于0.1%，所提出的靶距标定方法为设计高精度的短靶距区截测速装置提供了理论依据。