靶后炸點距離測試儀前放裝置的研制

圖1 彈丸靶后飛行情況示意圖

圖2 光纖編碼排列方法示意圖

圖3 各區光能量變化圖

測試儀的工作原理
本測試系統采用光電測試方法對靶后炸點進行測試，其基本原理是采用光纖編碼技術設計光電探頭，對彈丸在靶后實時飛行而產生的所有光(與鋁板的碰光、彈尾的曳光、引信開始起爆的起爆光以及彈丸被引信完全起爆的爆炸光)進行實時采集處理，得出多路光電信號，通過瞬態記錄儀記錄分析該多路信號，再根據特殊的光纖編碼排列方法，得出具體對應的彈丸飛行平面的位置，從而完成我們對炸點位置的測試。
整個系統的兩個核心部件——前放裝置和瞬態紀錄儀是完成此測試系統的關鍵。而系統的光電傳感器更是設計的關鍵所在，其優劣直接影響后面的轉化處理電路和整個系統的測試精度。因此，我們重點要解決好前放裝置的設計。

數學模型的建立
在彈丸炸點測試方面，高速的同步攝影和面陣的CCD是當前比較流行的測試方法。高速攝影技術是通過實時捕捉彈丸的影像，從而確定炸點的位置。這種技術在精度上雖然有保障，但也存在問題，如彈丸飛行時間過長，需要采集的圖像也變得無窮大，而且彈道也不是標準的直線，從而同步性很難保證。此外，彈丸出膛后，速度特別快，命中目標到完全爆炸只是一瞬間的事情，高速攝影技術也很難滿足測試要求。面陣的CCD也是通過成像的技術實時捕捉彈丸的影像，這就需要很高的響應速度和信號處理電路，當前的CCD攝像器件無法滿足這種要求。但是，在我們的課題中無論精度方面，還是實時性方面都得到了很大的提高，而且相對于同步攝影和面陣CCD技術，既經濟又實用，其數學模型如圖1所示。
由于彈丸在預定的直線彈道上飛行時，在縱向偏離彈道的位移非常小，所以在這里我們主要考慮彈丸在水平方向的位置。在彈丸穿過靶面后，會在彈丸飛行的平面內爆炸，那么在這個長方形內，我們需要測試出炸點到靶面的水平距離。

前放裝置的設計
如圖1所示，彈丸飛過的平面(假設高1米，寬2米)通過光學系統的光學鏡頭清晰的成像于像面，像面用若干根光纖排成矩形，每一根光纖將進入光傳輸到一個光電管，該光纖對應彈丸飛過平面中≤2×2厘米的面積(即該系統的分辨率)。當彈丸在靶后飛行產生的各種光使飛行平面的光通量發生變化時，所對應的光纖、光電管和處理電路就對該光變化量進行光電信號轉化處理。在實際設計中我們對光纖進行了分層、編組，編碼。經過初步計算，要將彈丸飛過的平面(2×1m2)分成2×2的小份，共5000份，因此，也就需要5000根光纖(50層，每層100根)與之對應。
如圖2所示，每層光纖又將分為A層、B層和C層。在A層里，光纖被分為4等份，從左到右每份的編號為A1，A2，A3，A4；在B層里，光纖被分成20等份，每份編號從左到右為B1，B2，...，B20；在C層里，光纖被分為100等份，從左到右每份編號為C1，C2，C3，...，C100。由于全為等份，A1與B1~B5相對應，A2與B6~B10相對應，...，A4與B16~B20相對應。B1與C1~C5相對應，B2與C6~C10相對應，...，B20與C96~C100相對應。
A1到A6每份連接一個光電器件，A層共需要六個光電器件；B1，B6，...，B16連接到一個光電器件上，B2，B7，...，B17連接到一個光電器件上，...，B層共需5個光電器件；C1，C6，C11，...，C96連接到一個光電器件上，...，C層共需5個光電器件。
以上論證只是一層光纖的編碼排列，而覆蓋彈丸飛行的平面則需50層光纖，每層光纖的排列方法和連接方法與上面一樣，這樣光電器件和處理電路都沒有增加，僅僅增加了光纖根數。通過光纖編碼排列方法，我們僅僅需要4+5+5=14路光電轉換電路就可以完成測試任務。如果知道了哪一區的光纖光通量發生了變化，我們就能知道炸點距靶面的水平位置。

數據的處理與分析
假設彈丸是通過A1、A2區，在A3區里起爆的，那么我們就可根據瞬態記錄儀記錄的數據曲線來分析，A1區、A2區和A3區各區的光能量的變化反映在瞬態記錄儀上的波形如圖3所示。
根據此曲線可以分析出各個時間(時刻)的光強度變化，從而分析出引信彈丸的起爆時間。如：0~T1是彈丸與鋁板的碰光、T1~T2是彈丸飛過A1區時間彈尾的曳光、T2~T3是彈丸飛過A2區時間彈尾的曳光、T3~T4是彈丸飛過A3區彈尾的曳光、T4~T5是引信開始起爆的起爆光、T5~T6是彈丸被引信完全起爆的爆炸光。當然，這只是初步的定出彈丸是在A3區起爆的，根據以上的光纖編碼排列方法，與A3區對應的是B11~B15，根據連接此區光電處理電路測得的信號記錄曲線，可進一步得出是在哪一具體位置；再根據此編號對應的C層哪一位置，進一步確定在C層的編號。通過A層、B層和C層的產生的三個信號，我們就可以確定，是像面上C層哪一根的光纖對應的飛行平面上的位置上起爆的，從而就可以測出具體的起爆點位置。當然，從彈丸剛穿過靶后開始計時，我們也可以測出起爆點的時間。

結語
本文提出的光纖編碼技術應用于炸點測試是一種新穎的測試方法，既經濟又實用，測試精度也較高，產品試樣已初步通過實驗。■

參考文獻
1 錢浚霞，鄭堅立編著.光電檢測技術[M].北京：機械工業出版社，1993
2 王鐵嶺，安瑩.一種新型立靶精度測試系統[J].西安工業學院學報，1997，17(1)
3 施浣芳，王鐵嶺.立靶精度測試系統的光纖標定和誤差分析[J].西安工業學院學報，1999，19(2)