天幕立靶探测光幕响应时间一致性测量方法研究

为验证弹丸穿过天幕立靶时6个光幕响应时间是否一致，以提高测试设备测速精度，提出了一种用于检测天幕立靶光幕响应时间一致性的测量方法，设计了一种基于该测量方法的模拟弹丸过幕信号源测试装置。该装置调用存储在ROM中的弹丸轮廓数据，经DA转换控制两路光源间隔亮暗变化一次，用于模拟弹丸依次穿过探测光幕所遮挡的光能量变化。利用信号采集与处理仪同步采集两路输出信号时间间隔，与装置设定时间间隔的差值比较完成测试。测试结果表明:输出两路信号的时间间隔与设定时间间隔间的差值均小于1 μs，满足6个光幕响应时间一致性技术指标要求，该测试装置及测量方法可用于天幕立靶光幕响应时间一致性测量。     

用于CCD立靶的双光幕触发系统研究

针对靶场测试当中CCD立靶测量系统需要稳定可靠触发的需求,提出一种双光幕触发系统。采用镜头式光幕探测器配合高亮度LED慢散射光源组成触发探测光幕,利用2个同样的光幕探测器配合测时装置组成区截测速系统,根据测得的速度值判定飞越探测光幕的目标是否为真实弹丸,并决定是否输出触发信号。根据速度值V和触发光幕至CCD探测光幕的距离计算出弹丸飞越至探测光幕的时间,然后在弹丸飞越将近至探测光幕的时刻输出触发信号。该方案不但可以提高系统的稳定性,避免非真实目标对系统的干扰,还可以为后续CCD图像采集系统在准确时刻提供触发信号。经实验证明,所设计的双光幕触发系统的速度测量误差不大于0.4％,完全满足CCD立靶测量系统需要精确触发的要求。     

大面积三角形探测光幕灵敏度空域分布分析

分体式探测光幕实现室内靶道弹丸初速测试时,探测光幕的灵敏度直接影响初速测量的精度。研究了线光源配接镜头式接收装置组成大面积三角形探测光幕的灵敏度分布,考虑光学镜头离轴效应和线光源随距离衰减现象,将探测光幕内不同位置处光照度等效到线光源处,假设光幕厚度均匀,弹长始终大于幕厚,弹丸遮挡探测光幕所形成的面积与当前区域光幕截面积之比等效为弹径与当前位置处光幕宽度之比。在4.8 m×2.4 m 三角形探测光幕上进行理论仿真与实弹试验验证,仿真分析与实弹试验结果一致,靠近镜头处灵敏度大,远离镜头处灵敏度小,且关键探测区域内模拟电压幅值标准差为0.05 V,均匀性符合测试要求。研究结果可为三角形探测光幕的工程设计提供参考。     

激光反射式光幕探测技术研究

针对现有天幕靶探测灵敏度低、易受天空亮度影响、夜间不能工作等问题,提出了一种基于激光反射的主动式光幕探测方案,该方案采用一字线结构光半导体激光器作为主动光源,采用光学镜头、狭缝光阑、滤光片和光电倍增管组成光路探测系统。当飞行弹丸穿越一字线结构光半导体激光器和光路探测系统共同组成的探测光幕时,弹体表面反射回的部分光线被光路探测系统接收,经光电探测器件光电转换,并经后续信号处理电路对光电探测器件产生的电信号进行处理,输出与飞行弹丸穿越探测光幕面时刻相对应的模拟信号和脉冲信号。对系统光能量进行分析和计算,并通过实弹试验测试,结果表明:系统能够在夜间正常使用,灵敏度达到200倍以上弹径。     

基于原向反射式激光光幕厚度一致性研究

在原向反射式激光光幕测速技术中,针对半导体激光光源产生的激光光束散射角使得出射光幕厚度不一致、原向反射屏产生的反射光幕剩余发散角使反射光幕厚度不一致这两方面导致弹丸穿过光幕不同位置触发光幕响应时间不一致的问题,根据几何光学原理,对半导体激光器弧矢与子午方向建立数学模型,设计了具有不同面型的非球面准直透镜组,将出射光斑尺寸控制在1 mm之内且子午和弧矢方向发散角分别为0.13 mrad、0.46 mrad。出射光束经过Powell透镜一维扩束后,形成厚度为1 mm、均匀度达到85.7%的扇形出射光幕,经过原向反射后,配合狭缝光阑使反射光幕有效厚度控制在1 mm。使用Zemax软件模拟弹丸过靶仿真,弹丸不遮挡系统光幕时探测器接收到原向反射光强1.54 mW,弹丸遮挡系统光幕时探测器接收到原向反射光强为1.03 mW。当弹丸紧贴出射光幕侧面边缘(即1 mm光幕边缘),分别距离光源100 mm、300 mm、500 mm处的弹丸触发探测器接收到的光强大小均为1.54 mW,显然,光强相对于无弹丸遮挡光幕情况下没有产生变化,证明系统有效可探测光幕厚度一致且为1 mm。该结果表明,本研究方案具有可行性。     

单镜头天幕靶配接线阵光源探测灵敏度分析

单镜头天幕靶配接线阵光源构成等腰三角形探测光幕,常用作室内靶道速度测量装置,探测灵敏度直接影响天幕靶测速精度。分析了该类探测光幕的构建及工作原理,考虑天幕靶光学镜头的边缘效应及照度距离衰减,建立了灵敏度计算模型,推导了弹丸穿过光幕时刻遮挡光源引起光通量变化量的计算公式,以弹丸穿过光轴上某处产生的光通量变化量为参考值进行归一化处理,得到探测光幕内灵敏度分布规律并进行实弹射击试验验证,文中的结论可用于指导天幕靶配接线阵光源测速系统的使用和设计。     

用于毫米级弹丸速度测量的光电检测装置

 为了满足二级轻气炮毫米级弹丸的测速需求,研制了一套利用激光光幕测量毫米级弹丸飞行速度的测试系统。采用光阑限光、光谱滤光和低阻滤波等复合抗干扰技术,解决了从强背景光中捕获快速变化的弱光扰动信号的技术问题,获得了较高的信噪比。在二级轻气炮上进行了直径为4 mm的球形金属弹丸测速实验,结果表明该装置的测量结果与线圈测速法实时监测结果的不一致性小于2%,可以满足毫米级弹丸速度测量的要求。     

二级轻气炮遮挡式激光光幕测速系统

 研制了用于测量二级轻气炮毫米级弹丸速度的遮挡式激光测速系统。该系统主要包括测速平台和激光测速仪,采用红光半导体激光器作光源,硅光电二极管为光电探测器。测速平台安装于炮管测速段,具有结构简单紧凑、抗振动、激光光幕易于准直和测量等特点。激光光幕高度为20 mm,避免了弹丸偏离轴线过多时因无法遮断光束导致的测速失败。运用该测速系统进行了一系列二级轻气炮测速实验,成功测量了金属弹丸和非金属弹丸的速度,测速范围为1.58～4.51 km/s。将测量数据与磁测速系统测量数据进行比较,结果表明,该激光测速系统的测量精度高、稳定性好、灵敏度高、抗干扰性强、适用范围广。     

阵列式激光靶影响因素分析

激光光幕靶是弹丸测速的主要设备之一,针对阵列式点状激光靶的测速要求,研究了系统调试和测量过程中的影响因素。根据阵列式点状激光靶的测速原理,通过实验分析了负载电阻、光照距离、光照角度、发射角等因素对单路接收信号(负载电压)的影响;根据弹丸过靶时遮挡激光光束对光强变化情况,建立了相应的数学模型,并以此得到了不同压差下计时的相对误差,分析了光幕均匀性对整个测速系统的影响。理论建模和实验分析为阵列式点状激光靶的结构设计和在测速系统中的应用提供了理论依据和参考。     

原向反射式大面积三角形探测光幕灵敏度分布

分体式大靶面测试系统的探测光幕灵敏度直接影响飞行弹丸速度测量的精度。可在散布不大的情况下,使用反射膜与激光器代替矩形大面积测试系统中的人工光源,简化测试系统。对新建的三角形探测光幕的灵敏度进行了分析,综合考虑激光器在不同传播距离处的光强度衰减、空间的非均匀性分布及反射膜逆反射系数和镜头离轴效应等因素,采用数值仿真和实弹试验的方法,将同一弹径的弹丸穿过光幕不同位置时的灵敏度等效到同一基准点进行归一化分析。结果显示,镜头离轴效应对灵敏度影响最大,激光器空间非均匀性分布影响最小。在3.5 m×2 m(宽×高)的直角三角形探测光幕区域进行实弹试验,其结果与仿真结果一致,距镜头越近,灵敏度越高;反之越低。研究结果可为类似原向反射式大面积探测光幕的工程设计提供参考。