基于相位法的炮口初速测量系统设计

岳宇辰，赵富全，张金忠

(装甲兵工程学院 兵器工程系，北京 100072)



基于相位法的炮口初速测量系统设计

岳宇辰，赵富全，张金忠

(装甲兵工程学院 兵器工程系，北京 100072)

针对某型小口径自动炮的炮口初速测量困难的问题，设计了一种基于相位法的炮口初速测量系统。介绍了测量系统的基本原理和测试流程，使用集成金属接近探测器CS209A和模拟锁相环NE564搭建硬件电路，由锁相环电路输出经CS209A获取的弹丸通过炮口两确定距离上的感应线圈时产生的始末相位的相位差信号，并采用LabVIEW编写的处理软件对采集的相位差信号进行分析计算，获得弹丸炮口初速。试验结果表明，该测量系统测试结果可靠，适合部队推广使用。

CS209A；锁相环；炮口初度；动态测量

炮口初速是研究火炮系统内、外、终点弹道性能，确定、评价、检验火炮系统总体性能的一个重要参数[1]。在设计武器和弹药产品的科研、生产及产品交验过程中，初速参数的检测是必不可少的[2]。通过初速测试可以验证设计和研制的效果。

由于高射速火炮弹丸射频高、连发时炮口持续火焰等难题，传统的炮口初速测量方法[3-4]如天幕靶测速法、线圈靶测速法和光幕靶测速法等在面对此类问题时的适用性和测试精度都难以差强人意，存在受外部环境因素影响大、测试设备体积大、操作不便等问题[5]。而且上述方法均为外测法，并不是真正地在炮口获取弹丸速度。笔者设计了一种利用相位差检测炮口初速的测量系统，使用金属接近探测器CS209A检测弹丸相位，高速锁相环NE564获取弹丸相位差信号，对信号进行处理后得到弹丸炮口初速。系统的体积小巧，可以安装在炮口位置，高射速火炮连续发射时炮口持续火焰和外界环境条件对其影响小。

1 基本原理

炮口初速测量系统采用区截法原理，组成原理图如图1所示。金属探测器CS209A的探测线圈嵌于火炮身管口的专用夹具中，专用夹具、线圈、火炮身管的中心线共线。2个探测线圈相距为d，且结构、材料完全相同。

当弹丸发射后开始接近第1个线圈时，由该线圈和并联电容组成的金属探测器外部谐振电路的Q值减小，导致谐振器的电压下降，当谐振器的包络达到一定值的时候，金属探测器输出状态发生转换，直至弹丸完全离开线圈后金属探测器的输出状态再次发生转换，输出一个近似方波的脉冲信号，该信号的相位为θi1。当弹丸完全通过第2个线圈时，第2个金属探测器输出第2个近似方波的脉冲信号，该信号相位为θi2。此时2个脉冲信号的相位差θe为

θe=θi2-θi1=2πv/d

(1)

2个脉冲信号经过整形后分别被送入高速锁相环NE564中进行相位比较，由锁相环输出一个与θe成正比的稳定电压值Ud为

Ud=Kdθe

(2)

式中，Kd是鉴相器的增益因子，V/rad。

由于弹丸处于高速飞行的状态，且距离d小于弹丸自身长度，可近似认为在弹丸通过d过程中速度不变。相位差θe在一次测量中是固定的，可以忽略不计类多普勒效应。将式(2)带入式(1)求得炮口初速

v=Ud·d/(2π·Kd)

(3)

2 测试流程

系统的测试流程如图2所示，系统上电，弹丸击发。当弹丸飞行接近第1个线圈时，第1个金属探测器CS209A由于外部谐振器Q值改变导致输出状态发生改变，产生的第1个脉冲信号经过整形后进入锁相环电路。当弹丸接近第2个线圈时，第2个金属探测器输出第2个脉冲信号并经过整形后进入锁相环电路。锁相环具有频率跟踪特性，可使输入和输出的信号相位差保持恒定。恒定的相位差使锁相环中的鉴相器(PD)输出一个维持恒定的电压Ud。利用此电压值可以计算出2个脉冲信号的相位差θe。通过数据采集卡对Ud进行采集，将Ud送入计算机经过计算得到弹丸的炮口速度。

3 硬件设计

3.1 金属接近探测器电路设计

CS209A搭建的金属接近探测器电路如图3所示，它主要功能由一个振荡器实现。

为了保证电路的精度，这个振荡器是由外部的感应线圈-电容谐振器和连接在OSC和RF端之间的晶振共同组成。经过计算，该型小口径火炮发射的两种弹丸产生的相位差信号最高频率不超过30 kHz，所以选用的振荡器为标准的26～32.768 kHz的晶振。为做好电路的阻值保证结果的准确性，设计晶振的电阻为7.5 kΩ，检测距离约为2.54 mm。

阶跃恢复二极管(SRD)V1具有大的存储时间和极小的暂态时间，文献[6]指出SRD对上升时间小于800 ps的矩形脉冲进行整形，使其上升时间降低至140±20 ps的范围。为了得到良好的瞬态响应性能，使用V1对4脚输出的脉冲信号进行整形，如图3所示。

3.2 相位检测电路设计

相位检测电路采用的模拟锁相环NE564最高工作频率可达50 MHz，可以满足该型小口径火炮各类弹丸的炮口初速测定需求。其内部电路图如图4所示，其中4、5脚外接电容组成环路滤波器，用来滤除鉴相器PD的比较器输出的直流误差电压中的纹波， PD是模拟锁相环NE564中鉴别两个输入信号相位差的模块。外部电路如图5所示，2脚接R2和变阻器R，通过微调R来改变环路的增益，3脚和6脚分别输入来自2个CS209A的脉冲信号，3脚输入的脉冲信号作为6脚输入的脉冲信号参考，当环路锁定时，两者的相位差保持恒定，恒定的相位差使PD维持一个恒定的电压输出，经放大和直流恢复后近似形成一个方波脉冲信号通过14脚输出。

4 软件设计

炮口初速计算软件采用LabVIEW软件编写，图6为软件前面板。程序初始化后先对串口接收的数据进行采集，判断数值是否有效，如果有效便进行射弹计数，然后根据采集到的数值进行炮口初速的计算，并存储结果。

5 测试结果及分析

试验火炮是一门服役时间较短，技术状况良好的火炮。该火炮炮口初速的实际测试数据为vci,为了对测速装置的测速误差进行合格性检测，下列试验数据以2台测速雷达的测试数据的平均值作为真值vz0i，i为发数。

根据文献[7]，在置信水平为1-α=0.90条件下，取误差检验样本数n=18。

火炮发射的第i发弹丸时，测试炮口初速vci的相对测速误差Ei为

Ei=(vci-vz0i)/vz0i

(4)

测速误差E为

(5)

应用概率论与数理统计理论中的假设-检验的方法处理该炮口初速测量系统测试数据与测速雷达测量数据，寻求该测量系统测速误差合格判据[8]。

一种判据是测速误差E应该不大于误差指标,即

E≤η

(6)

1)原假设 H0: E2≤η2。

2)备择假设 H1: E2>η2。

检验统计量χ2为

χ2=nE2/η2

在一定置信水平1-α条件下，查χ2分布表，测速误差接受域为

(7)

否则为拒绝域。

表1为一组测速误差数据检测表，从表1中可得n=18,E=0.27%。规定该测量系统的测速误差指标η=0.25%，将其作为该测量系统的测速误差指标，那么可以计算出检验统计量χ2为

表1 测速误差数据检测表

不同的显著水平条件下，测速误差合格判定结果如表2所示。

表2 测速误差在不同α下的判定结果

从上述分析中可以看出，通过式(6)可以判断该炮口初速测量系统的测速误差指标不合格。但从概率论和数理统计观点出发，在α<0.20水平上该炮口初速测量系统的测速误差指标能达到要求。由文献[8]可知，判据式(7)比式(6)在描述具有随机性的测速误差时更科学合理，因此，可以认为该测量系统可达到测速雷达的精度误差指标要求。

6 结束语

针对该型小口径火炮发射的特点，笔者提出了一种基于相位法的弹丸炮口测速系统，设计了测速系统的整体方案，搭建了硬件电路和编写了相应的软件。经过结果对比，可以看出该炮口初速测量系统可行性高，具有体积小、结构简单、安装方便、精度高、实时性强等优点，同时能够适应同类连射火炮的弹丸初速测量，适合部队推广使用。但测试结果分析得出该测量系统在α=0.20时测速误差被判定为不合格，显著性水平稍小，证明该测量系统的精度尚有提升空间。

References)

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Design of Initial Muzzle Velocity Measurement System Based on Phase Difference Method

YUE Yuchen, ZHAO Fuquan, ZHANG Jinzhong

(Department of Arms Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Nowadays, measuring the initial muzzle velocity of a certain make of widely equipped small caliber automatic gun is still a difficult problem. As for the problem, an initial muzzle velocity measu-rement system was designed based on phase difference method. The paper introduced the basic principle and the testing process of the measurement system through the use of the metal detection sensing applications CS209A and the artificial phase-locked loop circuit NE564 for the construction of the hardware circuit. When the shell gets through two coils which are away from a certain distance, two electrical phase signals will be produced and acquired by the CS209A, and then the phase-locked loop circuit NE564 will be used to output the phase difference signal. The LabVIEW is used to program the data analyzing software and calculating the initial muzzle velocity from the data acquired from the phase-locked loop. The experimental results of the measurement system show that the muzzle velocity measurement system is reliable and suitable for its popularization in the army．

CS209A; phase-locked loop; initial muzzle velocity; dynamic measurement

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.03.013

2015-10-21

岳宇辰(1992—)，男，硕士研究生，主要从事武器系统运用与保障工程技术研究。E-mail：gonzo123@sina.com

TJ410.6

A

1673-6524(2016)02-0061-04