侯建強(qiáng)，韓壯志，王寧可

（1.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003；2.武漢軍代局駐三三○三廠軍代室，武漢 430200）

彈丸時(shí)間零點(diǎn)獲取方法的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)*

侯建強(qiáng)1，韓壯志1，王寧可2

（1.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003；2.武漢軍代局駐三三○三廠軍代室，武漢 430200）

彈丸時(shí)間零點(diǎn)即彈丸飛離炮口的時(shí)刻，是火炮性能分析、試驗(yàn)和測(cè)試中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。分析了目前幾種常用的彈丸時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)方法，并根據(jù)高射頻火炮彈丸連發(fā)情況下的特點(diǎn)，指出了傳統(tǒng)時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)方法的不適用性，從理論角度分析了高射頻火炮連發(fā)彈丸的時(shí)間獲取方法。最后針對(duì)高射頻武器裝備的發(fā)展情況和時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)方法的現(xiàn)狀進(jìn)行了展望。

時(shí)間零點(diǎn)，方法，改進(jìn)，高射頻火炮

0 引言

彈丸時(shí)間零點(diǎn)即彈丸飛離炮口的時(shí)刻。彈丸初速就是根據(jù)彈丸時(shí)間零點(diǎn)和彈道方程，把彈道上實(shí)測(cè)的速度值，外推至炮口得到的彈丸虛擬速度［1］。因此，彈丸時(shí)間零點(diǎn)數(shù)據(jù)，在火炮性能分析、試驗(yàn)和測(cè)試中發(fā)揮著重要作用［2］。本文分析了幾種常用的彈丸時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)方法，并針對(duì)高射頻火炮出膛時(shí)刻檢測(cè)問(wèn)題，進(jìn)行了分析和評(píng)述。

1 常用的彈丸時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)方法

目前，國(guó)內(nèi)外用于彈丸時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)的方法通常有兩類：接觸式檢測(cè)方法和非接觸式檢測(cè)方法。

1.1 接觸式檢測(cè)方法

最常用的接觸式檢測(cè)方法是靶絲通斷法，利用彈丸對(duì)靶絲沖擊造成斷靶，在回路中產(chǎn)生突變電信號(hào)，通過(guò)對(duì)電信號(hào)突變位置的檢測(cè)，得到彈丸時(shí)間零點(diǎn)。根據(jù)采用靶子的不同，常用的靶絲通斷法主要有網(wǎng)靶法［3-4］、電阻網(wǎng)靶法［5］、箔靶法［4］等。這些接觸式的檢測(cè)方法都具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單［4-6］的特點(diǎn)，可以用來(lái)測(cè)量低速?gòu)椡璧奶艃?nèi)運(yùn)行時(shí)間和膛內(nèi)速度。

其缺點(diǎn)是：接觸式的測(cè)量方法會(huì)影響彈丸飛行的姿態(tài)、速度、軌跡，會(huì)對(duì)后續(xù)的外彈道速度測(cè)量造成很大誤差。實(shí)驗(yàn)表明，靶絲的通斷是由沖擊波、激波和高速燃?xì)饬髟斐傻?，并非彈丸出膛的真?shí)時(shí)刻，該方法測(cè)量精度不高，測(cè)量結(jié)果需加以修正［2］。

1.2 非接觸式檢測(cè)方法

非接觸式的檢測(cè)方法主要包括振動(dòng)傳感器法、紅外啟動(dòng)法、激光啟動(dòng)法、線圈啟動(dòng)法、高速攝影法等。

1.2.1 振動(dòng)傳感器法

炮彈在擊發(fā)時(shí)會(huì)對(duì)炮口產(chǎn)生后座力和振動(dòng)。振動(dòng)傳感器法主要是通過(guò)采集這些振動(dòng)信號(hào)，得到炮彈出炮口的時(shí)間信息。常用的火炮炮口振動(dòng)位移測(cè)試有4種；基于光電位移跟隨器的測(cè)試、基于電渦流位移傳感器的測(cè)試、基于激光CCD位移傳感器的測(cè)試、基于加速度計(jì)及分段積分法的測(cè)試［7］。與振動(dòng)傳感器方法類似的還有后坐位移法：火炮射擊前，在火炮結(jié)構(gòu)上固定拉桿位移傳感器，火炮射擊時(shí)，測(cè)量火炮后坐部分位移隨時(shí)間變化的曲線，確定彈丸出炮口時(shí)間［2］。由于火炮的振動(dòng)較大，信號(hào)便于采集［8］，因此，振動(dòng)傳感器法易于實(shí)現(xiàn)。

其缺點(diǎn)是：在炮口的振動(dòng)測(cè)試中，需要對(duì)一些傳感器特別保護(hù)，以確保不受破壞［1］。同時(shí)，振動(dòng)傳感器架設(shè)固定技術(shù)要求高，易受環(huán)境振動(dòng)的影響。

1.2.2 紅外啟動(dòng)法

紅外啟動(dòng)法通過(guò)光敏元件感應(yīng)炮口火光［8］，將產(chǎn)生的電信號(hào)作為起點(diǎn)脈沖［9］，獲得時(shí)間零點(diǎn)。紅外啟動(dòng)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度較高，在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

其缺點(diǎn)是：易受環(huán)境光線影響產(chǎn)生誤啟動(dòng)。另有實(shí)驗(yàn)表明，由于彈丸離開(kāi)炮口前，漏出的炮口高溫火藥氣體會(huì)提前觸發(fā)紅外啟動(dòng)器［2］，紅外啟動(dòng)法僅適用于6 000發(fā)/min以下的武器系統(tǒng)。

1.2.3 激光啟動(dòng)法

激光啟動(dòng)法也是一種基于光學(xué)的時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)方法，典型的是分離型激光啟動(dòng)靶［10］。不同于紅外啟動(dòng)法的是，激光啟動(dòng)法采用主動(dòng)發(fā)射和接收的方式進(jìn)行檢測(cè)，具有更強(qiáng)的環(huán)境抗干擾能力，測(cè)量精度更高，在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

其缺點(diǎn)是：由于炮管的振動(dòng)，激光啟動(dòng)法對(duì)啟動(dòng)器的架設(shè)要求高。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣等影響，使得系統(tǒng)防護(hù)困難［5］。

1.2.4 線圈啟動(dòng)法

線圈啟動(dòng)法利用火炮射擊時(shí)，彈丸被磁化部分穿過(guò)線圈的瞬間，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原理［8，11-12］，獲得時(shí)間零點(diǎn)。該方法技術(shù)性能穩(wěn)定，測(cè)量成本較低，效率高［6］，連發(fā)性能好，精度高［8］，可以做到隨炮測(cè)量，應(yīng)用廣泛。

其缺點(diǎn)是：這種方法對(duì)線圈的架設(shè)和固定要求較高、線圈易受損、測(cè)量時(shí)每發(fā)彈丸需磁化［8］，使用不方便。

1.2.5 高速攝影法

高速攝影法是基于高速攝影機(jī)取景和圖像識(shí)別得到彈丸時(shí)間零點(diǎn)信息的，如：狹縫攝影法［4，13，21-22］、激光高速攝影法［5］、X光高速射影法［5，14-15］、高速數(shù)字?jǐn)z影法［2］等。高速攝影有很高的時(shí)間分辨能力，能跟蹤快速變化過(guò)程的發(fā)生和發(fā)展，特別適用于超高速運(yùn)動(dòng)物體［9］，具有很大的應(yīng)用前景。

其缺點(diǎn)是：高速攝影法需要良好的觸發(fā)信號(hào)源［9］，對(duì)于連發(fā)彈丸或多目標(biāo)而言，炮口有強(qiáng)光干擾，目標(biāo)識(shí)別比較困難。

2 高射頻武器連發(fā)彈丸時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)方法

2.1 高射頻火炮彈丸連發(fā)的特點(diǎn)

高射頻火炮是指利用高射頻彈丸在空中形成彈幕，增強(qiáng)作戰(zhàn)中近程防空能力的一種武器系統(tǒng)。由于戰(zhàn)術(shù)防空的重要性，高射頻火炮的發(fā)展得到各國(guó)的高度重視，其射頻從每分鐘幾千發(fā)到每分鐘上萬(wàn)發(fā)不止。目前，36管的“金屬風(fēng)暴”試驗(yàn)系統(tǒng)就已經(jīng)超過(guò)了每分鐘100萬(wàn)發(fā)［15-16］。

與常規(guī)武器相比，高射頻武器具有更強(qiáng)的沖擊波、炮口焰、炮口煙和更加劇烈的炮管振動(dòng)。同時(shí)，由于高射頻的原因，每發(fā)彈丸之間的時(shí)間間隔很短，因此，會(huì)導(dǎo)致這些干擾的持續(xù)性，使得傳統(tǒng)的時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)方法不再適用。

2.2 高射頻火炮連發(fā)彈丸的時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)

實(shí)現(xiàn)高射頻火炮連發(fā)彈丸時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)的關(guān)鍵在于，在有持續(xù)的炮口焰、炮口煙干擾的情況下，準(zhǔn)確獲取彈丸出膛信號(hào)。針對(duì)這一點(diǎn)，主要有以下兩種方法：

（1）X光高速攝像法：X光能夠順利穿透高射頻連發(fā)彈丸的持續(xù)性炮口煙、炮口焰和高速燃?xì)饬?，因此，可用于高射頻武器系統(tǒng)的時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)。國(guó)外已有采用X射線攝影測(cè)量彈丸初速的文獻(xiàn)，且精度較高［14］，同樣，X光高速攝影也可用于時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)。缺點(diǎn)是：X光具有輻射性，不適宜長(zhǎng)期使用，對(duì)測(cè)試人員需要增加保護(hù)措施。

（2）雷達(dá)測(cè)量法：利用測(cè)速雷達(dá)，得到彈丸初速［8］。考慮到雷達(dá)在測(cè)速中的應(yīng)用，采用連續(xù)波雷達(dá)［18-19］進(jìn)行時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)也是一種可行性選擇。這種方法利用接收機(jī)的信道，檢測(cè)彈丸出炮口時(shí)產(chǎn)生的回波信號(hào)，從而檢測(cè)出彈丸時(shí)間零點(diǎn)，不用考慮回波信號(hào)頻率和幅度的變化情況［8］，抗干擾能力強(qiáng)。但在實(shí)際使用中，采用連續(xù)波雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，還面臨信號(hào)處理精度不高，檢測(cè)性能穩(wěn)定性不好的問(wèn)題。

3 高射頻連發(fā)彈丸時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)方法的改進(jìn)

事實(shí)上，高射頻武器連發(fā)彈丸時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)方法所面臨的主要問(wèn)題是：隨著彈丸之間時(shí)間間隔的縮短，背景干擾信號(hào)呈現(xiàn)出高強(qiáng)度、連續(xù)出現(xiàn)的情況，嚴(yán)重影響了傳感器的感應(yīng)效果。為此，提高高射頻連發(fā)彈丸的出膛時(shí)刻檢測(cè)質(zhì)量的關(guān)鍵，是解決強(qiáng)干擾條件下的弱信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題。上述問(wèn)題可以從以下幾個(gè)方面解決：

3.1 對(duì)高射頻火炮彈丸連發(fā)產(chǎn)生的振動(dòng)建模

根據(jù)單發(fā)彈丸射擊時(shí)的炮口振動(dòng)衰減曲線和高射頻火炮射速、射頻和連發(fā)彈丸時(shí)間間隔，建立炮口振動(dòng)模型，將建好的模型用于信號(hào)檢測(cè)，可以得到精度更高的時(shí)間零點(diǎn)。但是，由于干擾［20］的存在，還未有相關(guān)文獻(xiàn)提出較為實(shí)用的模型。

3.2 發(fā)展炮口消焰技術(shù)、大功率激光技術(shù)、背景濾光技術(shù)

針對(duì)基于光學(xué)的高射頻火炮連發(fā)彈丸時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)背景干擾強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性差的特點(diǎn)，可以從炮口消焰器、光電傳感器、背景濾光技術(shù)的角度，解決問(wèn)題。同時(shí)，大功率激光技術(shù)的發(fā)展可以提高激光啟動(dòng)器的穿透能力，也可以用于對(duì)高射頻火炮連發(fā)彈丸的時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)。

3.3 發(fā)展X光高速攝影的輻射防護(hù)技術(shù)

X光具有很強(qiáng)的穿透能力，但X射線具有輻射性，改善設(shè)備的輻射滲透和對(duì)人員的保護(hù)，也可以使X光高速攝影廣泛用于時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)高射頻火炮連發(fā)彈丸時(shí)間零點(diǎn)檢測(cè)的難題，結(jié)合相關(guān)研究和具體實(shí)踐，分析了一些可行性方法，并針對(duì)其中某些方法的局限性提出了改進(jìn)措施，有助于相關(guān)工作的研究。

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Status and Development Trend of Bullet Zero-time Pot Acquiring Methods

HOU Jian-qiang1，HAN Zhuang-zhi1，WANG Ning-ke2
（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；
2.Military Representative Office of Wuhan Bureau at No.3303 Factory，Wuhan 430200，China）

Bullet zero-time pot is the time when bullet flying out of muzzle.It is a key data of artillery performance analyzing，experimenting and testing.Common acquiring methods of bullet zerotome pot are analyzed in this paper.Methods are analyzed from the view of theory，basing on the characteristic of artillery running firing in this paper.The reason is pointed out that why traditional methods cannot be used on high-requency artillery.Improved ways and study direction are also touched upon in this paper.

zero-time pot，method，improved，high-frequency artillery

TJ306

A

1002-0640（2015）07-0001-03

2014-06-05

2014-07-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51107147）

侯建強(qiáng)（1990- ），男，河北衡水人，碩士研究生。研究方向：信號(hào)處理。