天幕靶技术研究进展

陆超

摘 要：天幕靶是常规靶场常用的测量仪器，因其操作简便、成本低、测试精度高、稳定可靠性好等优点，在测量飞行物体速度、立靶密集度等方面得到广泛应用。文章分析了天幕靶工作机理，总结了近年来科研工作者在解决天幕靶视场小、靈敏度低、时间信息提取误差大等关键问题时所采用的技术和天幕靶技术的应用，展望了今后的发展趋势。

关键词：天幕靶；弹丸速度；密集度；抗干扰；连发测速

1 工作机理

天幕靶的结构组成主要分成四个部分，即支撑结构、喜好处理电路以及光电探测设备和光学系统。设备的光电转换主要由光电系统完成，即信号处理电路和光电探测设备、光学系统集体完成，属于典型的光电系统。天幕靶基于狭缝光阑作用，通过镜头可以形成具有厚度的扇形视场，因此被称作天幕，而天幕靶基于其探测灵敏度，在最大灵敏度下可以探测到的距离即扇形的半径。在测试过程中，若弹丸冲进天幕中就会遮住部分光能，因而弹丸穿过天幕便会改变光电转换设备中的电流，经过放大以及整形后便可以产生一种脉冲信号，用以替代弹丸穿过天幕的状态。天幕靶在探测中主要针对光微弱信号进行探测，因而其技术指标即设备的探测灵敏度。天幕靶主要被用于对高速弹丸进行测试，因而需要具备高度的灵敏性，系统主要对飞行弹丸的描述并且通常采用探测距离进行描述，其衡量标准为倍弹径数。所以在进行平头弹的探测中，若弹丸长度相比较于天幕厚度略大，灵敏度的表达式为：

φ=（1）

式中：φ为倍弹径数；f为透镜焦距；a为狭缝光阑的长度；δ为能探测到的最小光通量的相对变化量。此时探测距离仅与天幕靶性能参数有关。当天幕足够厚弹丸淹没在天幕中时，其表达式为：

φ=（2）

式中：d为弹丸的直径；b为天幕靶狭缝宽度。此时，探测距离还与被测弹丸的参数有关。天幕靶的设计主要是围绕f，a以及δ的优化展开，最终提高其探测弱信号的能力。

天幕靶在室外使用，环境相对变化会大一些，作为背景的天空由于一天内的时间不同，亮度会发生较大的改变，因而实际试验中，需要设备测试能够自我调节适应天空亮度；另外需要保持较高的灵敏度，同时能够覆盖不同弹丸的弹道高度以及弹丸口径类型；另外在室外使用天幕靶会受到飞鸟飞虫的影响，系统必须具备相应的抗干扰能力以及稳定的工作性能。

2 技术应用

2.1 同步触发技术

2.1.1 单靶触发。在对弹道进行测试时，往往需要一些同步信号或者触发信号，例如CCD测试系统以及狭缝式高速摄像机和一些其他的参数测试设备，在测试过程中所需要的弹丸预定抵达位置，这些信号便是同步信号或者又可以成为触发信号，而提供这些信号的系统变为触发系统。预定位置是弹丸首先飞至的点，靠近枪口、炮口一侧，依照预定点和测试点之间的距离以及弹丸飞行速度，依照实际需要发出触发信号，弹道设备受到触发信号的触发，便会启动。

2.1.2 双靶触发。单靶触发具有一定的技术缺陷，因而为了令系统更加地完善，设计者研发了一种双靶触发的技术，通过使用两个区截装置，在测试中当做弹丸的实际速度，利用实际测出的速度将触发信号所需要的时间延迟计算出来，继而对其进行装定。如此一来测试仪在对弹丸进行测试时，其捕获率便可以大大提高。

2.2 弹丸速度测试技术

天幕靶测速系统由两台天幕靶和一台测时仪组成，其工作原理是当有弹丸穿过第一台天幕靶时，天幕靶输出的脉冲信号触发计数器开始计数；当弹丸穿过第二台天幕靶时，其输出的脉冲信号停止计数，然后记录或存储测出的弹丸飞过两靶之间的时间间隔t，而两个天幕靶之间的距离s是提前测量好的，于是就可以计算出弹丸在这两点之间飞行的速度v=s/t。为了对测速系统进行校准，有研究者研究了测速系统的标定技术。早先采用对天幕靶和测时仪分开标定的方法，目前在继续采用。采用多套测速系统比对的方法可以找出测速精度较高的测速系统。通过简化天幕靶测速系统检定的程序，用单片机精确控制光源亮暗，来模拟实弹飞行进入天幕靶视场的遮光作用和飞行姿态，实现模拟弹丸速度精确可控。其技术研究有参看价值，但还需进一步研究工程化中的技术问题。

2.3 射击密集度测试技术

2.3.1 四光幕立靶。用四台天幕靶产生四个光幕面，将其以特定的角度分别放置在六面体的两个面和两个对角面上。当弹丸穿过光幕，天幕靶输出对应弹丸穿过每一光幕时刻的弹形信号，用测时仪记录弹丸穿过四个光幕的时刻，依据四个时刻值和四个光幕的机构参数计算出弹丸穿过光幕的位置坐标。采用该原理研制的设备已用在近炸引信作用距离的测试上。

2.3.2 多光幕天幕立靶。在四光幕立靶测量系统中增加两个光幕，构成六光幕测试系统，能够解决弹丸斜入射时四光幕立靶测不准弹丸着靶位置的不足，并且能够实现坐标、飞行速度以及飞行速度方向三种参数的同时测量。西安工业大学在单镜头单光幕天幕靶设计的基础上，采用敏感面较大的真空光电管、多狭缝光阑板以及标准光学照相镜头作为基本部件，不改变传统天幕靶外形，采用两个相同的光电探测器（天幕靶）构成六光幕阵列，配合数据采集仪和计算机，不同阵型的六个光幕之间的夹角和距离参数不同。

2.4 光源的设计

光源的稳定性直接会对天幕靶的使用结果造成影响，因而在使用天幕靶时必须配备相应的光源，依照天幕靶的作用机理以及使用特点，在解决其室内使用光源问题中有专家进行了专门的研究，并对光源做出了专门的设计，将超亮发光二极管作为室内使用的稳定光源，而天幕靶对于现场光源有着特殊要求，因此利用机械结构令二极管拼成扇形从而达到设计要求。由于这种光源在使用上较为方便，并且结构简单，供电也相对稳定，既满足了设备的测速要求，同时也提高了设备灵敏度。使得天幕靶可以形成10m×10m的光幕，不但扩大的靶面，同时也提高了测试的精度和灵敏度。

3 技术展望

（1）相对比其他技术，测量技术中，天幕靶系统相对较为先进，但是由于技术局限性导致其只能进行单目标测量。而随着技术的发展和科学理论的进一步深入，现有的天幕靶测量系统都是解决单目标的测量问题。随着应用技术的进一步拓展，例如阵列炮管武器以及双管高炮等武器在同一时间可以进行多发弹丸的发射，对于这类武器进行测量便属于多目标同时测量，便会设计到武器的密集度以及速度信号的共同识别，在信号处理中就需要多台天幕靶系统组合，形成一个测试网进行测试。（2）而对弹丸进行重点弹道的探测中，必须考虑安全问题，因而需要设定散布区域以及相对较大的安全距离，因而对于天幕靶的探测能力要求相对较高，必须超出2000倍弹径。（3）在进行测试过程中，虽然无线传输的方式能够避免放线麻烦，但是由于天幕靶测量系统的需要，在密集度以及速度的测量中，仍旧需要采用人工测量的方式对靶距进行测量，并且在水平度以及平行度的调节中也需要进行人工调节，因而对于天幕靶系统的技术简化仍旧是下一步技术研发中重点需要进行研究的内容，尽可能的提升调平机构以及对准测量系统的自动化程度，简化系统使用步骤。（4）另外由于使用现场的地形不同，往往会遇到一些复杂的使用地形，并且交通情况不甚理想，那么为了保证天幕靶能够在野外使用，需要在设计上尽可能使得天幕靶设备便于携带、轻型化、小型化，这是未来天幕靶技术发展的主要方向以及需要解决的技术问题。

参考文献

[1]王铁岭.天幕靶精度分析[J].兵工学报：弹箭分册，1987（2）39.

[2]刘世平.弹丸速度测量与数据处理[M].北京：兵器工业出版社，1994.

[3]王铁岭，倪晋平.两种弹丸速度测试技术发展简述[Z].