天幕靶现场校准方法研究

■ 刘汉青 黄坚 王江山 韩家薇

引言

天幕靶是弹丸射击时外弹道参数测试的主要设备，主要用于各种弹丸的初速、飞行时间以及着靶速度等参数的测试，测试结果的准确性直接影响射击精度、威力等战绩指标。天幕靶的校准传统做法是进行单靶指标测试和出厂时系统标定，但标定的专用装置无法直接溯源，因而难以确保天幕靶测量数据的准确统一，而且现使用的方法是用多通道通函数信号发生器产生两路脉冲串信号，配合相应的光电转换辅助耦合装置，模拟连发实弹射击时对天幕靶产生的激励信号，对天幕靶测速准确度进行校准。这种校准方式仅仅能够校准天幕靶的响应时间，无法校准探测灵敏度、垂直度等重要的参数。本项目针对使用中的天幕靶现场校准的需求，研制一种现场校准装置，无需拆卸天幕靶，直接进行校准，对天幕靶的主要技术指标响应一致性、灵敏度、垂直度等进行全方面校准，保障量值传递的准确统一。

1 天幕靶现场校准装置构成

天幕靶现场校准装置的整体过程是利用单通道信号源输出负脉冲方波信号，这个信号作用于检定装置控制仪，天幕靶检定装置控制仪位于操控台内，将信号源输出的控制信号进行驱动，提高电流能力。每个频闪小光源采用独立的驱动电路，避免相互之间的干扰。检定装置控制仪用来控制光源信号。使之产生频闪光源或者使位置检测机构发出常亮光源，用于获取天幕面垂直度、灵敏度、两个天幕靶对作用信号响应的一致性参数的数据。光源控制信号另一方面输入到双通道示波器，当待检天幕靶由于通光量的改变产生信号变化时，向示波器输入另一个信号，用来校准天幕靶的响应一致性。这些所获得的数据传输到计算机后，计算机中的校准专用软件对收集到的数据进行计算，最终得出结果。

图1 天幕靶现场校准装置框图

天幕靶校准装置分为测量装置与数据处理装置两部分，测量装置主要完成校准天幕面垂直度、灵敏度、两个天幕靶对作用信号响应的一致性参数的数据获取，测量装置主要分为弹丸信号模拟装置、位置检测机构、门型架、精密平移台及底座等部分组成，位置检测机构用于校准天幕面垂直度。其主要使用流程为：计算机发出指令到光源控制装置，光源控制装置用来控制位置检测机构与弹丸信号模拟装置。通过改变天幕靶的通光量，来获取校准参数的数据。其模拟构架如图2 所示。

图2 测量装置组成示意图

天幕靶校准装置的电气控制分系统主要包括光栅尺表头、LED-P1～LED-P5、背景光、单通道信号源、双通道示波器、检定装置控制仪和计算机，其中光栅尺表头用于实时读取天幕靶所在位置的数据，实时进行显示，并可通过数据线传送给计算机；5 个频闪小光源位于支撑架的不同位置，其中LED-P1～LED-P4 用于检测天幕靶光幕面垂直度检测，LED-P5 用于输出特性、恢复时间、灵敏性和响应一致性检测；主光源主要用于灵敏性校准实验中为天幕靶提供背景光照度，模拟自然环境光；信号源按照不同的校准项目设定相应的模式输出脉冲信号；双通道示波器用于测量信号源和天幕靶输出的信号，分析信号特性；检定装置控制仪将信号源输出的信号进行驱动后控制小光源进行闪烁，同时可控制光栅尺、主光源与指示激光器的供电状态。图3 为电气控制分系统连接框图。

图3 电气控制分系统连接框图

2 天幕靶校准装置工作原理

2.1 天幕面垂直度校准工作原理

“天幕面与水平面的垂直度”参数是检测天幕面与某一基准面的垂直度偏差。这两个参数以更严谨的方式应表述成“当天幕物镜光轴处于水平状态时，天幕面对水平面的垂直度”与“天幕物镜光轴处于竖直状态时，天幕面对水平面的垂直度”。

在天幕面上某处(相距镜头一定距离)截取与基准面平行的光幕条(一般为矩形)，检测该光幕条与基准位置的偏差，该偏差结合参数就可以计算出需要检测的两个平面之间的平行度或者垂直度。由于光幕条是无形的，采用位置检测机构在光幕条内搜索性扫描，该机构采用交流信号驱动，从而天幕靶的输出就是相应的频率变化的交流信号。本方法中，设计的位置检测机构主要由光源、底座、光学透镜、小孔等部分组成，将天幕靶的无形光幕变为有形，光源直径可根据实际需要调节大小，采用方法是在光幕条内不移动位置检测机构，而是固定位置检测机构的位置，移动天幕靶，根据天幕靶的输出信号，从而判断光幕条的在测量面处的位置，图4 是天幕面与相关基准面的位置关系图，图中画的是基准平面和天幕面在测量平面的投影，A 和B 是两个位置检测机构，安装在基准位置上，一般基准位置是一条直线，是基准平面在天幕面与测量平面的交线，A 和B 安装在直线的两端。天幕面在测量面的投影一般是光幕条，进入该光幕条的移动物体将被天幕靶探测到，采用位置检测机构A 和B 模拟移动物体。图4（a)是天幕面与基准面成一定的旋转角度α，但天幕面过基准面的中线；图4（b）是天幕面偏离基准面，与基准面的交线有一定的平移距离；图4（c）以上两种情况的综合，天幕面与基准面成一定的角度旋转并有一定的平移距离。

图4 天幕面与基准面交线的三种位置关系

天幕靶放置于操作台上，调节操作台的平面与水平面平行，将天幕靶按工作状态调平，在操作台上沿基准平面的垂直方向移动天幕靶，使天幕靶的视场或天幕面穿过位置探测机构A 和B，记录天幕靶的输出有无，分别记录位置探测机构A 和B 作用在天幕靶上有无信号两个位置的移动距离LA1、LA2 和LB1、LB2；根据式(1)和(2)计算出LA 和LB，根据LA 和LB 确定光幕条与基准线的位置关系。图5、图6 和图7 是三种位置关系测量工作示意图。

当天幕面与基准平面在测量平面上的投影如图5 所示时，天幕面过基准面的中线，且天幕面与基准面成一定的旋转角度α，L=-L。在这种位置关系中，由于天幕面过基准面中线相交，我们认为天幕面与水平面、天幕面与通过水平轴的铅垂面垂直。

图5 天幕面与基准面成一定旋转角度

当天幕面偏离基准面，与基准面的交线有一定的平移距离L，L=L=L，如图6 所示。在这种位置关系中，由平移台所记录的数据可以测得平移距离L0，设天幕面和基准面之间的夹角为β，通过公式(3)，即可求出β 角。

图6 天幕面与基准面成一定平移距离

当天幕面与基准平面在测量平面上的投影如图7 所示时，天幕面与基准面成一定的角度旋转并有一定的平移距离，LA ＞LB，或LA ＜LB。在这种情况下，建立公式(4)：(LA，LB，AB 均可测)。求得角α 度后，将光幕条旋转α 角，使天幕面在测量面的投影与基准面平行，即转换为第二种情况。设天幕面和基准面之间的夹角为β，由公式(5)，可求得β(O1O2 为天幕面在测量面上的投影旋转α 角后与基准面的平行距离)。

图7 天幕面与基准面成一定旋转角度和一定平移距离

根据以上原理与计算，可实现“天幕物镜光轴处于竖直状态时，天幕面对水平面的垂直度”的校准。

同理可得“天幕物镜光轴处于水平状态时，天幕面对水平面的垂直度”的校准。

2.2 天幕靶灵敏度校准工作原理

采用一定亮度的光源放置于天幕靶光轴上，距离天幕靶镜头一定距离，光源用一定频率交变信号驱动，观察天幕靶模拟输出的信号幅值大小，该幅值大小与天幕靶的灵敏度成正比。用标准天幕靶标定该幅值。图8 是工作原理图。

图8 天幕面灵敏度检测原理

2.3 天幕靶响应一致性校准工作原理

将光源放置在待检测天幕靶的探测视场的中心轴线内，采用信号发生器输出负脉冲方波信号，控制光源在预定时刻熄灭，其中方波信号幅值依据光源的工作电压决定，宽度为100μs。天幕靶接收到变化的光信号后，经光电探测器件和信号处理电路输出模拟信号和方波信号。由于触发后续测时系统的信号为方波信号，因此确定方波信号为前沿对应天幕靶输出信号的时刻。利用示波器测量信号发生器输出信号与天幕靶输出信号的对应边沿的时间间隔，即为天幕靶的响应时间。分别测量组成一套测速系统的两台天幕靶的响应时间，计算其差值。当差值小于2μs 时，即可判定两台天幕靶的响应一致性合格。当天幕靶输出方波信号的对应弹尖触发信号时，需测量信号发生器输出信号的前沿与弹尖触发信号的时间间隔；当天幕靶输出方波信号的对应弹底触发信号时，需测量信号发生器输出信号的后沿与弹底触发信号的时间间隔。图9 为天幕靶响应一致性测量方法示意图，图10 为天幕靶响应时间示意图。

图9 天幕靶响应一致性测量方法示意图

图10 天幕靶响应时间示意图

3 天幕靶校准装置工作过程

开始前，把待校准的天幕靶置放在天幕靶承载台上，调整天幕靶至水平，同时，天幕靶镜头中心刻线与基准面指示激光线重合，连接好所有电源线与数据线，设置天幕靶镜头光圈与焦距为某一固定值(该数值经实验标定给出)，进入天幕靶参数的校准实验。

3.1 天幕面与水平面的垂直度参数校准过程

首先令一个位置检测机构单独发光，控制载有天幕靶的精密平移台进行平移，计算机与光栅尺液晶屏会实时显示天幕靶移动的位置数据信息，观察示波器上天幕靶输出信号的强弱变化，人工判定天幕靶输出信号达到最大值时，表明位置检测机构处于天幕靶幕面中心位置，计算机记录该位置信息。同理，分别打开其它位置检测机构的光源，完成以上步骤的操作与位置信息记录，通过计算机软件会显示天幕靶校准的关键参数，确定被校天幕靶天幕面与水平面的垂直度是否符合要求。

3.2 灵敏度的校准过程

使弹丸信号模拟装置发光，把照度计装置套装在天幕靶镜头上，调节弹丸信号模拟装置中背景光与主光源的亮度，当主光源熄灭时，产生的光通量变化量达到事先标定值。撤去照度计装置后，利用示波器观测天幕靶在主光源熄灭时输出信号的幅值，根据标定好的天幕靶灵敏度与示波器电压幅值关系表，确定被校天幕靶灵敏度是否符合要求。

天幕靶灵敏度与示波器电压幅值关系表的建立方法：根据对灵敏性的要求：天空对地面照度为3000～4000lx时(避免太阳直射)，天幕靶探测距离不小于300 倍被测弹丸弹径(被测弹丸弹径不小于4.5mm)时，天幕靶应能正常启动。因此，首先在标准环境下通过气枪弹实弹射击建立倍弹径、光通量变化量与电压幅值的关系，然后，再采用天幕靶校准装置模拟建立光通量的变化量与电压幅值的关系，从而建立天幕靶灵敏度与示波器电压幅值关系表。

3.3 两个天幕靶对作用信号响应时间校准过程

开启信号发生器，使其输出负脉冲方波信号控制弹丸信号模拟装置的光源在预定时刻亮灭，观察示波器测量信号发生器输出信号与天幕靶输出信号的对应边沿的时间间隔，即为天幕靶的响应时间。分别测量组成一套测速系统的两台天幕靶的响应时间，计算其差值，确定两台被校天幕靶的响应一致性是否符合要求。

4 结论

本方法针对使用中的天幕靶现场校准的需求，研制一种现场校准装置，无需拆卸天幕靶，直接操作校准装置，配合校准操作程序和方法，完成对天幕靶的现场校准工作。天幕靶需要校准的技术指标较多，每一项都需要不同的校准设备进行，本方法使用的天幕靶校准装置将校准所需的多台设备进行分类整理，最终集成一套完整的校准装置，实现天幕靶所有项目的校准，确保了天幕靶量值准确可靠。