光幕靶测量系统校准方法研究

■黄坚 郭瑞 宋佳祺 吴波

引言

炮口初速是表征常规兵器、弹药及弹道特性的重要指标性参数之一，对射击精度影响很大。炮口初速测量贯穿于射击武器和弹药产品的科研、生产、产品交验和装备实战的各个过程，是自动武器系统的重要技术指标。

光幕靶和天幕靶都是基于光电转换原理，具有测试精度高、可靠性好等特点，目前在靶场测试领域已逐步普及应用。有别于天幕靶，光幕靶采用人工光源，不受环境光线的影响，满足全天候使用，其人工光源主要有白炽灯、红外发光二极管、激光二极管等。

为了确保测试数据的可靠性,一般在试验前,需对测试系统进行检验,判断整个测试系统是否处于正常工作状态。常规的检验方法主要采用人工投掷石子依次穿过两个光幕靶，从而检查光幕靶是否正常输出信号以及测时仪能否测得数据值。该方法仅能定性的判断设备的基本工作状态,无法反映测试系统的性能与精度。同时在利用光幕靶进行弹丸测速时,偶尔会出现测试结果异常,而导致数据异常的原因是多方面的,现有传统方式难以准确判定故障原因。此外,随着光幕靶使用年限的增加,其测试精度会有所降低,用户无法自行检验和校准。针对上述问题,本文设计了一套光幕靶测速系统的校准方法和装置。该装置采用基于CPLD的高精度信号发生器和两套频闪光源构成校准装置,利用频闪光源的平闪光对光幕靶测试系统进行检验和测试，可用于系统故障的排除和试验前测速系统的状态检查。

1 光幕靶工作原理

如图1所示，光幕靶测速系统由起始靶和停止靶两个光幕靶以及计时仪组成。光幕靶由一对发射靶、接收靶组成。具体工作原理如下：发射靶产生相对均匀的光幕，接收靶将接收到的光信号转换为电信号并进行处理。当弹丸飞过此光幕时会遮挡部分光幕导致接收到的光通量发生变化，经接收部分转换处理产生一个脉冲信号。计时仪计算两靶（起始靶和停止靶）产生的脉冲信号的时间差，得出弹丸飞过两个光幕之间的时间间隔t，在已知两靶之间的距离s的情况下即可计算出弹丸的速度。

图1 光幕靶测速原理

2 光幕靶校准主要问题

光幕靶是以人工光源为测试背景光，应用光电转换原理的一种非接触区截装置。光幕靶的幕面和天幕靶的幕面一样，有一定的厚度和发散度，因此存在因幕面厚度所造成的靶距误差。其校准通常采用与较高准确度的测速装置，如雷达、更高准确度的光幕靶比对来实现。然而传统的对比校准方法存在如下问题：所能验证测量范围取决于飞行物本身的速度；需要通过多个飞行物以不同的速度飞越才能实现多点的校准，校准成本高、难度大、耗时长。

3 光幕靶测量系统校准装置

针对光幕靶校准的主要问题，提出了一种利用频闪光源代替传统飞行物实验对比验证的校准装置，如图2所示。主要由起始靶发射光源安装架、起始靶频闪光源、起始靶光电转换器、截止校准光幕结构包含起始靶发射光源安装架、截止靶频闪光源、截止靶光电转换器、光源控制器、信号发生器构成、测试仪构成。利用两个亮灭时间间隔已知的频闪光源模拟弹丸依次穿过两套光幕靶，触发光幕靶输出两个具有特定时间间隔的电压脉冲实现测试结果对比与系统校准。

图2 光幕靶校准装置

为了模拟弹丸穿过光幕时产生的信号,在两套光幕靶的均匀光幕中间靠近接收装置的位置分别放置两个频闪光源。通过时间间隔可调的脉冲发生器输出两路特定时间间隔的脉冲控制光源在设定的时刻变暗,使照射到接收器件的光通量发生变化，从而使接收器件在信号处理电路的作用下输出起始信号和截止信号来模拟弹丸穿过均匀光幕。起始信号和截止信号触发测时仪开始和停止计数,若测时仪的计时时间与控制光源的两个脉冲的时间间隔基本一致,则光幕靶测速系统工作正常。

光幕靶测试校准装置以时间间隔可调的脉冲发生器为核心单元。系统组成图如图3所示。其中单片机控制整个系统的工作流程和逻辑电路工作时序。脉冲时间间隔输入电路将预设的间隔时间△t送入单片机，单片机接收数据后将时间间隔送入中的逻辑电路,起始触发信号在逻辑电路的作用下输出两个时间间隔为△t的电压脉冲,该脉冲经驱动电路后控制频闪光源的亮灭。

图3 时标信号发生器电路框图

4 频闪光源参数验证

根据光幕靶的测试特点，建立模拟验证装置，通过频闪光源结合信号发生器，使用频闪光模拟弹丸穿过光幕靶面阻挡光网，使得光源接收器不能接收到光源，产生电信号的变化。可模拟的弹丸速度的实际范围可以通过频闪光源单次频闪时间进行计算确定。

弹丸穿越光幕靶面的时刻分别为t1和t2,则其飞行时间

频闪光源通过输出间隔为△t的两个脉冲模拟弹丸穿过光幕靶面。假设光幕起始靶和接收靶之间的距离为L，由于光幕靶间距小，弹丸速度降可忽略不计，其速度测量上限：

其中tmin为频闪光源的最短频闪时间。对于校准测试系统，tmin应大于接收靶上光电转换器的最小响应时间。常规速硅光电二极管的响应时间及频闪光源控制速度均可达20ns，假设光幕靶起始靶和接收靶之间的距离L=0.1m，则可测量校准的弹丸速度上限可达5000m/s.

5 结论

利用确定的可变频闪光源来模拟弹丸的飞行过程，从而起到校准光幕靶测量系统的目的，这种方式可以模拟不同弹丸的不同飞行速度，使得光幕靶的接收装置产生标准的测量信号，实现测量装置的校准过程。这种校准装置可以对多个速度点进行校准实验，保证光幕靶测速的准确程度。本校准装置可以广泛运用于各种型号的光幕靶当中。