火炮初速测量方法研究

冯美娟 兰国峰 程日炜

（1.中北大学信息与通信工程学院 山西省太原市 030051 2.八院云箭（北京）航天技术研究院有限公司 北京市 100081）

随着现代火炮武器的发展，火炮的性能变得越来越重要。火炮的研发包含对其性能的测试，火炮的初速就是众多参数中极其重要的一项，它直接关系到火炮的威力及其射程[1-3]。

传统的火炮初速测量主要利用区截测速原理，通过采集火炮出射弹丸依次通过弹道上前后设置的两个靶面的时刻，得出通过两靶的时间差，根据已知的靶距，可得出弹丸在两靶间距中心位置处的速度[4]。在测速方式上，根据弹丸是否需要与靶面接触，分为接触式和非接触式。

1 火炮初速常用测量方法

1.1 接触式测量法

接触式测量法所采用的靶面主要为通断靶，利用弹丸通过靶面时电路的切断或导通来获取弹丸的过靶信号。

1.1.1 断靶

常用的断靶有：铜丝网靶和印刷电路靶。铜丝网靶主要结构如图1所示，靶面由漆包铜丝缠绕在木制方框上制成。测试时铜丝通电，当弹丸通过时，击断铜丝导致电路断开，便可检测到过靶信号[5]。

图1：铜丝网靶结构图

印刷电路靶是将铜箔覆着在电路板上，按照蛇形环绕的方式在电路板上进行连续排布。实验前，给电路板上两极通电，当弹丸击穿电路板时，导致覆着铜箔的回路断开，产生断路信号[6]。

1.1.2 通靶

通靶主要包括：铝箔靶和梳状靶。铝箔靶结构如图2所示，在胶木板两面粘附铝箔制成。测试前，两铝箔接电极，但两铝箔间不导通，当弹丸通过靶面时，相邻两层铝箔和弹丸构成闭合回路，电路导通，当弹丸穿过靶面后，电路切断，由此可检测到弹丸的过靶信号[7]。

图2：铝箔靶结构图

梳状靶由左右两个梳齿导电框构成，如图3所示。两梳齿连接脉冲信号发生器。初始状态导电框通电，此时回路不闭合，当弹丸穿过梳齿时电路导通，当弹丸通过后电路又被切断，因此产生一个脉冲信号，作为弹丸的过靶信号[8]。

图3：梳状靶结构示意图

以上四种接触式方法中，铜丝网靶结构简单，安装便捷，适合测量体积较小的弹丸，但由于铜丝缠绕的松紧无法保证一致，会导致测试出现误差。

铝箔靶的测试精度优于铜丝网靶，所测弹丸大于铜丝网靶，但无法保证铝箔纸与木板完全贴合，火炮发射时，炮口前方伴有强烈的冲击波，会导致测试靶距发生变化，存在靶面制作带来的误差。

印刷电路靶有较高的可靠性，对弹丸尺寸没有严格要求，但靶面具有一定韧性，为保证弹丸可以第一时间击穿，所测弹丸弹头需较尖锐。

梳状靶可用于单发和连发弹丸速度测量，测试效率较高，但进行连发弹测试时，测试数量受限，远远不能满足实际连发测试需求，且梳状靶只适合于金属弹丸的测量。

综上所述，以上四种测量方法无论在测试精度、弹丸测试种类，还是在实际应用中均存在一定的局限性。

1.2 非接触式测量法

非接触式测量法，弹丸无需与靶面直接接触，通过其他物理量变化来间接获得弹丸过靶信号。非接触式测量法主要包括：线圈靶、天幕靶、光电靶、多普勒雷达和高速摄影等。

1.2.1 线圈靶

线圈靶主要分为单线圈和双线圈。其中单线圈靶测试前需对弹丸进行磁化，当磁化后的弹丸通过线圈时，弹丸产生的磁感线切割线圈，根据电磁感应定律，线圈上便会产生感生电动势[9-10]。

双线圈靶由位于同一平面的内外两个同心线圈构成，内部线圈接直流电，产生磁场，外部线圈用于感知磁场变化，测试时无需对弹丸磁化，当弹丸通过内部线圈时，磁场发生变化，外部线圈感知到磁场变化，并产生相应感生电动势。以此得到弹丸通过线圈的时刻[11-12]。

1.2.2 天幕靶

天幕靶利用自然光作为光源。其测试原理如图4所示，自然光在透镜上方形成虚拟的靶面，经过透镜汇聚到下方光电探测器。当弹丸通过靶面时，光电探测器接收到的光通量发生变化，探测器产生相应的脉冲信号，对信号进行处理，即可采集到弹丸的过靶信号[13-14]。

图4：天幕靶示意图

1.2.3 光电靶

光电靶利用人工光源，采用激光器或发光二极管形成的光幕作为测试靶面。原理上利用弹丸通过光幕时，会对部分光幕进行遮挡，导致探测器接收到的光通量发生变化，使得探测器产生相应的电信号，信号经过后续调理电路，通过数据采集装置，传输给相应的软件进行处理，得到弹丸过靶信号。光电靶根据光源和探测器的位置结构，可分为：对射式和反射式[15]。

其中对射式结构如图5(a)所示，光源发出的光与阵列排布的探测器水平对应，当弹丸通过两者之间时，部分光线会被遮挡，相应探测器的光通量发生变化，以此来获取弹丸的过靶信号[16]。

图5：光电靶原理示意图

图5(b)为反射式光电靶，光幕上方装有玻璃微珠构成的原向反射屏，可将入射光线反向反射，进入光电探测器。当弹丸通过光幕时，光通量会发生变化，使探测器产生相应的电信号[17]。

1.2.4 多普勒雷达

多普勒雷达利用多普勒效应，雷达沿弹道线方向发射电磁波，经弹丸反射后到达接收雷达[18-19]。通过比较出射波和回波的频率差值，进而得出弹丸的飞行速度[20]，测试原理如图6所示。

图6：多普勒雷达

1.2.5 高速摄影

高速摄影通过采集弹丸飞行的时间和空间信息。在时间上，采用时标、拍摄频率或者拍摄时间来记录，空间上则用图像来表示[21]，整个测试装置安放如图7所示。

图7：高速摄影示意图

测试前，将高速摄影机放置在火炮一侧，高速摄影机的拍摄需要一个触发信号，通常用断靶来触发，当弹丸触发断靶后，摄影机开始拍摄。测试完成后，通过回看火炮发射影像，从中识别出弹丸，对其进行选点取样，从而得出弹丸的速度[22-23]。

以上几种非接触式测量方法中，线圈靶有效测试靶面较小，其中单线圈靶由于弹丸每次磁化强度的差异，导致弹丸触发靶圈的时刻也不同，从而对靶距产生影响；双线圈靶因内部线圈缠绕的一致性无法保证，导致靶面各位置磁场厚度存在较大差异，同样也会带来误差，因此，线圈靶对磁化弹丸以及射击位置要求较高。

相比而言，天幕靶具有较大的测试靶面，可实现较大范围的火炮初速测试，但天幕靶使用时对外界光线要求较高，如遇黑夜、阴雨天或周围环境光线太强则无法使用，对测试环境要求较高。

多普勒雷达，测量精度较高，但需通过弹丸来反射电磁波，主要适用于大口径弹丸测量。并且对发射角度有较严格的要求，设备存在不易搭建，调试难度大等问题[24]。

高速摄影通过高频拍摄可以实现对弹丸运动姿态及速度测量，但由于高速相机需逐帧对图像进行拍摄、计算，所以其测试精度会受相机性能的影响，且精度越高所需的运算速度越慢，因此在速度测量方面性能不及其他非接触测速装置，并且高速摄影存在搭建环境要求高、成本昂贵、操作繁琐等问题[25]。

光电靶采用LED 或激光作为光源，测试不易受周围环境光影响，同时反射式光幕靶能够实现大靶面测量，可完成多种场合下的弹丸速度测量，并且具有较高的测试精度和较强的抗干扰能力[26]。

对射式光电靶受光源的限制，测试靶面一般小于反射式光电靶。同时，光源多采用发光二极管，发散角大，形成光幕面厚度不均匀，弹丸从不同位置通过光幕时，测试结果存在较大差异。

2 常用测量方法对比

在火炮发射过程中，会对周围环境产生影响，同时也会给测试系统带来干扰，如：火炮发射瞬间炮口有强烈火光，会对测试系统产生较强干扰；炮膛内碎屑会同弹丸一起出射并通过靶面，对后续信号处理以及过靶信号识别产生影响[27]。

本文针对火炮初速测量常用的方法进行研究，从原理上分析了各种方法的优缺点，对接触式和非接触式中各类方法进行对比。结合火炮发射的实际现场情况，总结出各种方法的测试要求以及各自的测试能力。如表1所示。

表1：火炮测速方法对比

其中接触式测量方法，优点在于不易受火光的干扰，抗干扰能力较强。但接触式测量需与弹丸接触，会对弹丸的运动姿态产生影响，给测试结果带来误差，测试精度低于非接触式测量，且存在测试靶面较小，无法对炮膛碎屑以及弹丸进行区分，安装及更换不便等问题，无法满足火炮连续射击的测试需求。

针对接触式测量方法安装繁琐以及更换不便的问题，近年来,铜丝网靶已经得到了适当的改进，将铜丝排布在两张薄纸板中间，铜丝的电极预留出来，用于给铜丝通电，以此构成一张完整的靶纸，测试时，只需将靶纸安装在靶架上即可，简化了靶面的安装及更换，极大程度缩减了布靶的时间。

相较而言，非接触式测量方法，其测试精度明显优于接触式测量，更加适用于火炮的初速测量。

线圈靶受火光干扰较小，在炮膛碎片的识别上，优于接触式测量方法。但受其测试靶面的影响，对弹丸的射击位置要求较高，且测试结果产生误差因素较多，重复性不好，不适用于对处于研发阶段的火炮进行初速测量。其中双线圈靶因无需对弹丸进行磁化，且测试精度优于单线圈靶，相较于单线圈使用更广泛。

高速摄影对周围环境光线要求较高，火炮发射时伴随有强烈火光和大量烟尘，对弹丸图像拍摄影响较大，且速度测量上受限于相机帧频，因此测试精度低于其他非接触式测量方法。

多普勒雷达多用于较大弹丸的测量，所测弹丸种类有限，同时，受雷达分辨能力的限制，该方法只适用于较低射频的连发弹丸测试。

天幕靶在测试精度和靶面大小上均优于以上几种测量方法，可以满足连发需求。但对周围测试环境光线要求较高，火炮发射时会产生强烈的火光干扰，对天幕靶测试影响较大。

光电靶采用主动光源，测试精度高，对周围环境光要求较小，弹丸分辨能力强，可以满足多场合及多种弹丸的火炮初速测量。但同样存在火光对测试产生影响的问题。

3 总结

随着测速技术的发展，非接触式测量成为火炮初速测量中优先考虑的方法。其中，天幕靶和光电靶综合性能较好，尤其是光电靶，对测试环境光线要求小，具有较大的测试靶面和较高的测试精度，可满足多数情况下的火炮测试要求，但需解决火炮发射火光给测试带来的影响。未来的光电靶可以考虑在改善火光干扰的基础上，进一步扩大有效测试靶面，提高系统测试精度，提升系统过靶信号辨别能力以及测试精度，使系统整体测试能力得到提升，适用于更多测试场合。