天幕靶現(xiàn)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(shù)測試的主要設(shè)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(shù)的測試，測試結(jié)果的準確性直接影響射擊精度、威力等戰(zhàn)績指標。天幕靶的校準傳統(tǒng)做法是進行單靶指標測試和出廠時系統(tǒng)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(shù)據(jù)的準確統(tǒng)一，而且現(xiàn)使用的方法是用多通道通函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生兩路脈沖串信號，配合相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換輔助耦合裝置，模擬連發(fā)實彈射擊時對天幕靶產(chǎn)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(yīng)時間，無法校準探測靈敏度、垂直度等重要的參數(shù)。本項目針對使用中的天幕靶現(xiàn)場校準的需求，研制一種現(xiàn)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(shù)指標響應(yīng)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(tǒng)一。

1 天幕靶現(xiàn)場校準裝置構(gòu)成

天幕靶現(xiàn)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(nèi)，將信號源輸出的控制信號進行驅(qū)動，提高電流能力。每個頻閃小光源采用獨立的驅(qū)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(chǎn)生頻閃光源或者使位置檢測機構(gòu)發(fā)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(yīng)的一致性參數(shù)的數(shù)據(jù)。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(chǎn)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(yīng)一致性。這些所獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C后，計算機中的校準專用軟件對收集到的數(shù)據(jù)進行計算，最終得出結(jié)果。

圖1 天幕靶現(xiàn)場校準裝置框圖

天幕靶校準裝置分為測量裝置與數(shù)據(jù)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(yīng)的一致性參數(shù)的數(shù)據(jù)獲取，測量裝置主要分為彈丸信號模擬裝置、位置檢測機構(gòu)、門型架、精密平移臺及底座等部分組成，位置檢測機構(gòu)用于校準天幕面垂直度。其主要使用流程為：計算機發(fā)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(gòu)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(shù)的數(shù)據(jù)。其模擬構(gòu)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(tǒng)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(shù)據(jù)，實時進行顯示，并可通過數(shù)據(jù)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(fù)時間、靈敏性和響應(yīng)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(huán)境光；信號源按照不同的校準項目設(shè)定相應(yīng)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(qū)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(tài)。圖3 為電氣控制分系統(tǒng)連接框圖。

圖3 電氣控制分系統(tǒng)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(shù)是檢測天幕面與某一基準面的垂直度偏差。這兩個參數(shù)以更嚴謹?shù)姆绞綉?yīng)表述成“當天幕物鏡光軸處于水平狀態(tài)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(tài)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(jié)合參數(shù)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(gòu)在光幕條內(nèi)搜索性掃描，該機構(gòu)采用交流信號驅(qū)動，從而天幕靶的輸出就是相應(yīng)的頻率變化的交流信號。本方法中，設(shè)計的位置檢測機構(gòu)主要由光源、底座、光學(xué)透鏡、小孔等部分組成，將天幕靶的無形光幕變?yōu)橛行危庠粗睆娇筛鶕?jù)實際需要調(diào)節(jié)大小，采用方法是在光幕條內(nèi)不移動位置檢測機構(gòu)，而是固定位置檢測機構(gòu)的位置，移動天幕靶，根據(jù)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(guān)基準面的位置關(guān)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(gòu)，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(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)系

天幕靶放置于操作臺上，調(diào)節(jié)操作臺的平面與水平面平行，將天幕靶按工作狀態(tài)調(diào)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(gòu)A 和B，記錄天幕靶的輸出有無，分別記錄位置探測機構(gòu)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(jù)式(1)和(2)計算出LA 和LB，根據(jù)LA 和LB 確定光幕條與基準線的位置關(guān)系。圖5、圖6 和圖7 是三種位置關(guān)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(zhuǎn)角度α，L=-L。在這種位置關(guān)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(zhuǎn)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(guān)系中，由平移臺所記錄的數(shù)據(jù)可以測得平移距離L0，設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)α 角，使天幕面在測量面的投影與基準面平行，即轉(zhuǎn)換為第二種情況。設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)角度和一定平移距離

根據(jù)以上原理與計算，可實現(xiàn)“天幕物鏡光軸處于豎直狀態(tài)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(tài)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(qū)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(yīng)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(nèi)，采用信號發(fā)生器輸出負脈沖方波信號，控制光源在預(yù)定時刻熄滅，其中方波信號幅值依據(jù)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(jīng)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(fā)后續(xù)測時系統(tǒng)的信號為方波信號，因此確定方波信號為前沿對應(yīng)天幕靶輸出信號的時刻。利用示波器測量信號發(fā)生器輸出信號與天幕靶輸出信號的對應(yīng)邊沿的時間間隔，即為天幕靶的響應(yīng)時間。分別測量組成一套測速系統(tǒng)的兩臺天幕靶的響應(yīng)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(yīng)一致性合格。當天幕靶輸出方波信號的對應(yīng)彈尖觸發(fā)信號時，需測量信號發(fā)生器輸出信號的前沿與彈尖觸發(fā)信號的時間間隔；當天幕靶輸出方波信號的對應(yīng)彈底觸發(fā)信號時，需測量信號發(fā)生器輸出信號的后沿與彈底觸發(fā)信號的時間間隔。圖9 為天幕靶響應(yīng)一致性測量方法示意圖，圖10 為天幕靶響應(yīng)時間示意圖。

圖9 天幕靶響應(yīng)一致性測量方法示意圖

圖10 天幕靶響應(yīng)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(diào)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(shù)據(jù)線，設(shè)置天幕靶鏡頭光圈與焦距為某一固定值(該數(shù)值經(jīng)實驗標定給出)，進入天幕靶參數(shù)的校準實驗。

3.1 天幕面與水平面的垂直度參數(shù)校準過程

首先令一個位置檢測機構(gòu)單獨發(fā)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?xí)崟r顯示天幕靶移動的位置數(shù)據(jù)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(gòu)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(gòu)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(guān)鍵參數(shù)，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(fā)光，把照度計裝置套裝在天幕靶鏡頭上，調(diào)節(jié)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(chǎn)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(jù)標定好的天幕靶靈敏度與示波器電壓幅值關(guān)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(guān)系表的建立方法：根據(jù)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(yīng)能正常啟動。因此，首先在標準環(huán)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(guān)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(guān)系，從而建立天幕靶靈敏度與示波器電壓幅值關(guān)系表。

3.3 兩個天幕靶對作用信號響應(yīng)時間校準過程

開啟信號發(fā)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(yù)定時刻亮滅，觀察示波器測量信號發(fā)生器輸出信號與天幕靶輸出信號的對應(yīng)邊沿的時間間隔，即為天幕靶的響應(yīng)時間。分別測量組成一套測速系統(tǒng)的兩臺天幕靶的響應(yīng)時間，計算其差值，確定兩臺被校天幕靶的響應(yīng)一致性是否符合要求。

4 結(jié)論

本方法針對使用中的天幕靶現(xiàn)場校準的需求，研制一種現(xiàn)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(xiàn)場校準工作。天幕靶需要校準的技術(shù)指標較多，每一項都需要不同的校準設(shè)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(shè)備進行分類整理，最終集成一套完整的校準裝置，實現(xiàn)天幕靶所有項目的校準，確保了天幕靶量值準確可靠。