靶后炸點(diǎn)距離測(cè)試儀前放裝置的研制

摘 要： 本文介紹了一種靶后炸點(diǎn)距離測(cè)試儀前放裝置的設(shè)計(jì)，通過(guò)采集彈丸從發(fā)射到爆炸過(guò)程所產(chǎn)生的各種光信號(hào)，并運(yùn)用光纖編碼的原理進(jìn)行分析從而確定炸點(diǎn)的距離。該裝置設(shè)計(jì)新穎、精度高，配合后置的瞬態(tài)記錄儀可進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和紀(jì)錄。
光電測(cè)試技術(shù)是利用電子技術(shù)對(duì)光學(xué)信息進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)一步傳遞、儲(chǔ)存、控制、計(jì)算和顯示等，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文討論的靶后炸點(diǎn)測(cè)試儀就是光電測(cè)試技術(shù)的具體應(yīng)用，而作為此測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵部分——前放裝置，實(shí)際上就是一個(gè)光電傳感器。

圖1 彈丸靶后飛行情況示意圖

圖2 光纖編碼排列方法示意圖

圖3 各區(qū)光能量變化圖

測(cè)試儀的工作原理
本測(cè)試系統(tǒng)采用光電測(cè)試方法對(duì)靶后炸點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，其基本原理是采用光纖編碼技術(shù)設(shè)計(jì)光電探頭，對(duì)彈丸在靶后實(shí)時(shí)飛行而產(chǎn)生的所有光(與鋁板的碰光、彈尾的曳光、引信開(kāi)始起爆的起爆光以及彈丸被引信完全起爆的爆炸光)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理，得出多路光電信號(hào)，通過(guò)瞬態(tài)記錄儀記錄分析該多路信號(hào)，再根據(jù)特殊的光纖編碼排列方法，得出具體對(duì)應(yīng)的彈丸飛行平面的位置，從而完成我們對(duì)炸點(diǎn)位置的測(cè)試。
整個(gè)系統(tǒng)的兩個(gè)核心部件——前放裝置和瞬態(tài)紀(jì)錄儀是完成此測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵。而系統(tǒng)的光電傳感器更是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，其優(yōu)劣直接影響后面的轉(zhuǎn)化處理電路和整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試精度。因此，我們重點(diǎn)要解決好前放裝置的設(shè)計(jì)。

數(shù)學(xué)模型的建立
在彈丸炸點(diǎn)測(cè)試方面，高速的同步攝影和面陣的CCD是當(dāng)前比較流行的測(cè)試方法。高速攝影技術(shù)是通過(guò)實(shí)時(shí)捕捉彈丸的影像，從而確定炸點(diǎn)的位置。這種技術(shù)在精度上雖然有保障，但也存在問(wèn)題，如彈丸飛行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，需要采集的圖像也變得無(wú)窮大，而且彈道也不是標(biāo)準(zhǔn)的直線，從而同步性很難保證。此外，彈丸出膛后，速度特別快，命中目標(biāo)到完全爆炸只是一瞬間的事情，高速攝影技術(shù)也很難滿足測(cè)試要求。面陣的CCD也是通過(guò)成像的技術(shù)實(shí)時(shí)捕捉彈丸的影像，這就需要很高的響應(yīng)速度和信號(hào)處理電路，當(dāng)前的CCD攝像器件無(wú)法滿足這種要求。但是，在我們的課題中無(wú)論精度方面，還是實(shí)時(shí)性方面都得到了很大的提高，而且相對(duì)于同步攝影和面陣CCD技術(shù)，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，其數(shù)學(xué)模型如圖1所示。
由于彈丸在預(yù)定的直線彈道上飛行時(shí)，在縱向偏離彈道的位移非常小，所以在這里我們主要考慮彈丸在水平方向的位置。在彈丸穿過(guò)靶面后，會(huì)在彈丸飛行的平面內(nèi)爆炸，那么在這個(gè)長(zhǎng)方形內(nèi)，我們需要測(cè)試出炸點(diǎn)到靶面的水平距離。

前放裝置的設(shè)計(jì)
如圖1所示，彈丸飛過(guò)的平面(假設(shè)高1米，寬2米)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭清晰的成像于像面，像面用若干根光纖排成矩形，每一根光纖將進(jìn)入光傳輸?shù)揭粋€(gè)光電管，該光纖對(duì)應(yīng)彈丸飛過(guò)平面中≤2×2厘米的面積(即該系統(tǒng)的分辨率)。當(dāng)彈丸在靶后飛行產(chǎn)生的各種光使飛行平面的光通量發(fā)生變化時(shí)，所對(duì)應(yīng)的光纖、光電管和處理電路就對(duì)該光變化量進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)化處理。在實(shí)際設(shè)計(jì)中我們對(duì)光纖進(jìn)行了分層、編組，編碼。經(jīng)過(guò)初步計(jì)算，要將彈丸飛過(guò)的平面(2×1m2)分成2×2的小份，共5000份，因此，也就需要5000根光纖(50層，每層100根)與之對(duì)應(yīng)。
如圖2所示，每層光纖又將分為A層、B層和C層。在A層里，光纖被分為4等份，從左到右每份的編號(hào)為A1，A2，A3，A4；在B層里，光纖被分成20等份，每份編號(hào)從左到右為B1，B2，...，B20；在C層里，光纖被分為100等份，從左到右每份編號(hào)為C1，C2，C3，...，C100。由于全為等份，A1與B1~B5相對(duì)應(yīng)，A2與B6~B10相對(duì)應(yīng)，...，A4與B16~B20相對(duì)應(yīng)。B1與C1~C5相對(duì)應(yīng)，B2與C6~C10相對(duì)應(yīng)，...，B20與C96~C100相對(duì)應(yīng)。
A1到A6每份連接一個(gè)光電器件，A層共需要六個(gè)光電器件；B1，B6，...，B16連接到一個(gè)光電器件上，B2，B7，...，B17連接到一個(gè)光電器件上，...，B層共需5個(gè)光電器件；C1，C6，C11，...，C96連接到一個(gè)光電器件上，...，C層共需5個(gè)光電器件。
以上論證只是一層光纖的編碼排列，而覆蓋彈丸飛行的平面則需50層光纖，每層光纖的排列方法和連接方法與上面一樣，這樣光電器件和處理電路都沒(méi)有增加，僅僅增加了光纖根數(shù)。通過(guò)光纖編碼排列方法，我們僅僅需要4+5+5=14路光電轉(zhuǎn)換電路就可以完成測(cè)試任務(wù)。如果知道了哪一區(qū)的光纖光通量發(fā)生了變化，我們就能知道炸點(diǎn)距靶面的水平位置。

數(shù)據(jù)的處理與分析
假設(shè)彈丸是通過(guò)A1、A2區(qū)，在A3區(qū)里起爆的，那么我們就可根據(jù)瞬態(tài)記錄儀記錄的數(shù)據(jù)曲線來(lái)分析，A1區(qū)、A2區(qū)和A3區(qū)各區(qū)的光能量的變化反映在瞬態(tài)記錄儀上的波形如圖3所示。
根據(jù)此曲線可以分析出各個(gè)時(shí)間(時(shí)刻)的光強(qiáng)度變化，從而分析出引信彈丸的起爆時(shí)間。如：0~T1是彈丸與鋁板的碰光、T1~T2是彈丸飛過(guò)A1區(qū)時(shí)間彈尾的曳光、T2~T3是彈丸飛過(guò)A2區(qū)時(shí)間彈尾的曳光、T3~T4是彈丸飛過(guò)A3區(qū)彈尾的曳光、T4~T5是引信開(kāi)始起爆的起爆光、T5~T6是彈丸被引信完全起爆的爆炸光。當(dāng)然，這只是初步的定出彈丸是在A3區(qū)起爆的，根據(jù)以上的光纖編碼排列方法，與A3區(qū)對(duì)應(yīng)的是B11~B15，根據(jù)連接此區(qū)光電處理電路測(cè)得的信號(hào)記錄曲線，可進(jìn)一步得出是在哪一具體位置；再根據(jù)此編號(hào)對(duì)應(yīng)的C層哪一位置，進(jìn)一步確定在C層的編號(hào)。通過(guò)A層、B層和C層的產(chǎn)生的三個(gè)信號(hào)，我們就可以確定，是像面上C層哪一根的光纖對(duì)應(yīng)的飛行平面上的位置上起爆的，從而就可以測(cè)出具體的起爆點(diǎn)位置。當(dāng)然，從彈丸剛穿過(guò)靶后開(kāi)始計(jì)時(shí)，我們也可以測(cè)出起爆點(diǎn)的時(shí)間。

結(jié)語(yǔ)
本文提出的光纖編碼技術(shù)應(yīng)用于炸點(diǎn)測(cè)試是一種新穎的測(cè)試方法，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，測(cè)試精度也較高，產(chǎn)品試樣已初步通過(guò)實(shí)驗(yàn)。