基于红外区截法的高炮射弹初速测量技术研究

贺治华， 程远增， 王春平， 梁冠辉

(军械工程学院 光学与电子工程系，河北 石家庄 050003)

现代战争中，高炮武器系统是抗击中空、低空和超低空目标的主战兵器，其作战对象的特点要求高炮具有射击精度高、射击速度快等特点。对中小口径高炮来说，射弹炮口初速变化对高炮射击精度具有较大影响。当高炮受使用环境影响使其初速发生明显偏差时，若火控计算机输出的射击诸元不随之进行校正，必然导致射弹偏离目标，从而大大降低高炮的射击准确度。据瑞士康特拉夫斯公司提供的数据，当高炮初速存在偏差时，命中概率很快下降，初速偏差对射击结果的影响很大。为提升高炮的射击精度，需要进行初速闭环校射以修正射弹初速偏差对弹目偏差量的影响，修正的前提是能够实时准确的测量射弹初速。

在传统的射弹初速测量方法中，雷达测速、天幕靶[1]、光幕靶[2-3]等方法都是在炮口的后效区之外安装和测量，属于静态测试，一般用于武器系统的校验测试。而在初速闭环校射中，射弹初速测量装置应固定在炮口前端，属于随动测试，不受高炮射击位置角度的影响，传统的后效区外初速测量在此并不适用。作为一种后效区内射弹初速测量方法，线圈区截法在炮口固定靶支架，支撑两个相距一定距离的通电线圈，当铁磁性弹丸先后通过两个靶线圈时，根据线圈磁通发生变化时间间隔计算通过两个线圈中点的平均速度。线圈区截法在应用中存在一些缺陷，比如炮弹发射后效区的冲击波会对周边空气产生电离，干扰线圈法测速的精度；在炮弹连发时相邻两次初速测量采集会有一定耦合，造成分辨精度不高；只能针对铁磁性炮弹，不适用于铅弹、水弹测量等。

针对目前射弹初速测量方法的现状，本文采用红外区截法完成炮口后效区弹丸初速测量。在炮口外的一段距离设置若干组红外发射和接收组件，当弹丸通过时红外线的发射通路被阻塞，接收组件感应到红外信号的变化后，检测弹丸通过的时刻，进而计算出弹丸的通过速度。红外区截法电路简单，射弹通过时的红外调制信号较为规则，易于精确定位射弹通过时刻，具有测速精度高、可靠性高，对现场测试的依赖性小等优点。

1 射弹炮口初速

高炮初速闭环校射需要在高炮连续射击过程中实时测量射弹初速，达到及时修正初速变化对射击精度影响的目的。在内弹道学中，炮口初速是指弹丸底部出炮口瞬间的速度。如图1所示。刚离开炮口时弹丸获得初速vg，火药燃气以高于vg的速度喷出，并作用于弹丸。火药燃气对弹丸的推力大于作用于弹丸的阻力，因而弹丸加速运动。随着弹丸飞离炮口的距离增加，炮膛内喷出的火药燃气很快向四周扩散，使火药燃气对弹丸的推力急剧下降。当推力等于阻力时，弹丸飞行加速度为0，其飞行速度达到最大值vmax。此后火药燃气对弹丸的推力开始小于阻力，弹丸飞行速度逐渐下降。

当弹丸飞过后效期作用距离后，火药燃气对弹丸不再产生作用，此时作用于弹丸的力只有空气阻力和重力，弹丸速度的变化规律开始服从质点空气弹道方程，属于外弹道学的研究范畴。外弹道学不考虑火药燃气后效期对弹丸飞行的影响，即弹丸质心飞离炮口后只受空气阻力和重力的影响。

在这种假设条件下，由弹道上实测的速度值根据质点空气弹道方程外推到炮口的速度作为弹丸飞行速度的起点，这个速度既不是弹丸质心飞离炮口的实际速度vg，也不是弹丸实际飞行的最大速度vmax，而是一个虚拟速度v0。高炮射表描述的是炮弹在外弹道区域的位置变化规律，这样初速闭环校射采用的是虚拟射弹初速v0，而不是真实炮口初速vg。

2 红外区截法射弹测速原理

红外区截法是在炮口后效区内，利用射弹对红外线传播通道的遮挡测得弹道上某一段的平均速度，再推算出虚拟初速v0。

在弹丸的飞行路径上，取两点设置两个红外区截靶，如图2所示。

当弹丸飞过时挡住红外线传输通道，靶1和靶2记录下射弹飞过两靶的时刻，则弹丸飞过两靶的平均速度：

(1)

式中：s为两靶的已知固定距离。图2中的t1、t2是弹丸分别过靶1和靶2的时刻，设t=t2-t1。当弹丸飞过第1个靶圈时，炮管已经开始后坐，靶圈也随之后移，这样当弹丸飞过第2个靶圈时，第2个靶圈已经后移了Δs的距离。弹丸飞过两靶圈的实际距离为s-Δs。则弹丸通过两靶中点的实际平均速度v1为:

(2)

假定后效区内弹丸的速度增加及外弹道的虚拟速度下降修正值之和为Δv2，这样虚拟射弹初速为:

v0=v-Δv1+Δv2

(3)

如果能够使测速点的计算速度增量Δv1与弹丸从测速点飞达后效期结束时系统测量值丢失的弹丸速度增量Δv2相抵消，则初速测量系统所测两靶中点的平均速度v就是所需的炮口初速，无需补偿。由于测速点后的弹速增加较慢，且距炮口越远弹速增加速度越慢，而弹丸在测速点后炮管后坐速度变大，通过二者比较，恰当地设置测速点到炮口的距离，就可使两者相等。这就是炮口初速测量系统可直接测量炮口初速而无需补偿的基本原理。

3 射弹初速测量系统的总体设计

射弹初速测量系统分为3个部分，安装于炮口前端的机电模块、测试仪以及两者之间的传输电缆，如图3所示。炮口机电模块安装在炮口制退器的前端。炮弹出膛时，靶1、靶2位置的光电靶感测产生炮弹过靶电信号，通过传输电缆送到测试仪中。信号处理模块首先对感测信号进行放大处理，再经过阈值比较电路转换为数字脉冲信号输出。示波器显示放大处理后的传感器模拟信号，作为调整阈值的参考。数字脉冲信号输入单片机中，控制定时计数器的启动停止，得到炮弹通过靶1靶2的时间，根据前面所述的测速原理，得到炮弹出膛初速值。这些数据通过485总线送到上位机，便于调试和监控。

3.1 机电模块

炮口机电模块主要包括5个部分：套筒、支撑管、靶1、靶2、延长管。套筒固定在炮口前端的制退器上，用于将机电模块固定在炮口；4根支撑管将靶1、靶2和套筒紧密联接固定起来。延长管插入支撑管内，末端为信号电缆插座。

光电靶的光路部件包括940 nm红外光电发射二极管、接收端石英玻璃、接收端光电固定件和940 nm红外光电接收二极管。发射二极管通电时，发

射出窄带红外光；接收二极管具有纳秒级反应速度，当炮弹从光路中通过时，光路的通断在红外接收端形成开关量脉冲信号。

红外光电部件易受炮口焰的红外光谱干扰。为使光电靶稳定工作，发射接收光路部件工作频带匹配度较高，带宽很窄；选用的接收二极管自带红外滤波外壳，可以滤除大部分的环境光能量和冲击波光能量。

弹丸出炮口时，高温、高压的火药气体向侧方剧烈膨胀，形成炮口冲击波。光电靶安装在炮口制退器的前方，这里的温度压力相对炮膛、炮口已经减轻很多。既能实时采集炮弹通过信号，又不被高温高压气流冲击波毁坏。光电靶的光路部件安装在机械壳体中，采用隔热支架，避免高温冲击波通过机械壳体传导到电子部件，造成高温失效。采用耐高温的石英玻璃作为光通路保护，可以为发射和接收二极管隔离炮口的高温高压环境。弹丸发射产生的火药气体烟雾会污染石英玻璃，降低红外光线的通透性。故测量装置架设时，安装在炮口外侧，采用管状支架结构，尽量降低烟雾沾染石英玻璃的程度。

3.2 测试仪信号处理

机电模块输出的光电信号处理流程如图4所示。光电靶的模拟电压信号经过电缆传送后，首先进入电压跟随器，完成缓冲和交流信号耦合；通过施密特触发器转换成脉冲数字信号。经过合并整形，变成前后靶的2个脉冲信号，各自通过单稳触发器整形成一定宽度的脉冲信号送出。

光电模拟信号受炮口焰的影响存在一些毛刺干扰，信号处理中采用施密特触发器进行合并整形，可以一定程度上抑制炮口焰干扰对后级判决电路的影响，提高测速精度。

实验室模拟炮弹自由落体穿过光电靶的感应输出信号如图5所示，可以看出光电信号的上升沿宽度不大，能够准确测量模拟炮弹经过时刻。

信号处理模块送出的脉冲数字信号，经过电平转换，送入单片机的中断引脚，控制定时计数器的启动停止，得到炮弹通过靶1靶2的时间，根据前面所述的测速原理，可以得到射弹炮口初速值。

4 试验数据分析

为验证前述测速装置的性能及红外区截法测速技术的可行性，在靶场进行了实弹射击初速测量试验。试验前将机电模块安装在某口径高炮炮口的制退器上，通过电缆将机电模块的信号输出连接到后端的测试仪。试验中共实射测试了5发炮弹，得到了炮弹出膛速度值，测量结果见表1。

表1 某口径高炮射弹初速测量结果

机电模块中两个光电靶的相隔间距为0.8 m，第1行给出了射弹经过两个光电靶的时间，第2行是经过计算得到的射弹初速。通过实弹射击验证了红外区截法测速技术的可行性。综合分析光电靶的5组信号，光电信号能够较准确的检测出射弹经过时刻；从示波器波形上看，光电信号受到较多干扰信号影响，还需改善采集部分的装置，比如增强发光二极管的发光强度，这样可以减轻炮口焰等对光电管接收光的影响；通过信号处理对光电信号进行滤波，滤除少量光电干扰对弹丸通过脉冲的扰动；研究自适应弹丸过靶时刻阈值的确定方法，保证射弹初速测量的准确。

5 结束语

根据高炮初速闭环校射的工程需求，本文给出了一种射弹炮口初速的实时测量方法。利用窄带红外组件探测炮弹经过产生的信号调制，可以测量

炮弹经过设定距离间隔的时间，由此计算炮口初速。根据炮口初速与外弹道初速的关系，设定适当的探测位置和区截长度，考虑火炮射击时炮管后坐速度可以得到初速校射所需的外弹道虚拟炮口初速，用于高炮初速闭环校射，提升高炮对空中打击目标的毁歼概率。

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