靶场立靶密集度自动测量技术

过靶面 的长度 ， 而确 定其 坐标。西安 工业大 学 的李 晋 惠， 从
王铁岭等 制作 了 四光 幕 天幕靶 ， 用于测 试 弹 丸坐标 和 速 度 ，．２ｍ ７ ６ ｍ弹丸 的坐 标测试 精 度不低 于 ３ ５ ｍｌ ． ｉ。但需 要 ｌ 假设弹丸是垂直靶 面入射 的 ， 而且光幕 靶的光 幕是锲 形 的， 在不 同的高度光幕厚 度不一 ， 在抗光 干扰 能力较 差 、 测 存 探 灵敏度较低 、 测试 区域小 ， 误差影响因素大等问题 。
－
４ ．ｒｍ； － ５ ２ ａ 记录连发的数 据 ：０条 ； ２ 适用 口径 ：． ６—３ ｍ ５５ ０ｍ
１４ 激 光 与 光 电管 阵 列 法 ．
图 ３ 对 称 纺锤 体 超 音 速 飞行 图
该 种方法一般采用光 电对射原理 ， 将激 光点光源 拼接成
发 射阵列 ， 收敏感 器件 组装 在一起 拼接 成接 收 阵列 ， 接 发射
阵列 与接收阵列 面对面安装 ， 即在发射阵列 与接收 阵列 之间
２ ）抗光 、 动和 冲击干 扰 的能力 不足 。光 学 系统抗 干 震
过靶形 成的通断信号来测量弹着点坐标 。
圆 弧 柱 面 反 射 镜
Ａ Ｂ
扰性能较差 ， 包括发射时强烈 的震动与 冲击 、 强光 的干扰 、 生 物体 的干扰 以及发射 过程 相关 产物 的干扰 等都使 得光 电系
光 电法测量 弹着 点坐标 和弹丸速度在 响应速度 、 测量 精
１Ｏ １
四 川 兵 工 学 报
ｈｔ：／ ｃｇｊｕｓｒ．ｏ ／ ｔ ／ ｓｂ ．ｏｒｅｖ ｃｒ ｐ ｎ
弹 着 点
两端的时间差来 确定 弹着 点 坐标 。Ａ Ｌ ２ Ｖ ５ ６型与 ＭＳ 的 Ａ Ｉ — Ｃ Ｕ ＴＣ Ｔ Ｒ Ｅ Ｙ Ｅ ５０ 坐 标 靶 是 其 中 的 佼 佼 者 ， Ｏ Ｓ Ｉ Ａ Ｇ Ｔ Ｔ Ｐ ３ Ａ Ｌ２ Ｖ ５ ６主要性 能 指标 为 ： 面尺 寸 ２ ｍ×２ ｍ； 靶 定位 精 度 ：
系统研究 。目前立靶 密集度 自动检 测系 统按照 测量原 理来
多光幕测坐标法如图 １ 所示 。其 中靶 １ 与靶 ４以间距 Ｌ 放置 ， ２与靶 １ Ｏ 靶 成 ／ 度放 置 ， ３与靶 ４成 ：角度 放 角 靶
置 。可 以 由弹 丸 穿 过 不 同 靶 面 时 的 过 靶 时 间 和 速 度 确 定 穿
文献 ［ ］ ３ 中在四光幕靶 的基础上研制 了六光幕靶 ， 实验
数据表明 ， 于 ８ ０ｍ ｓ的飞行 目标 ， 对 ０ ／ 相邻两靶 的间距 为 ５ ０ ０ ｅ ｍ时 ， 六光幕靶 系统 的测试精度约为 －１ ｍ ４ ５ ｍ。 －
收 稿 日期 ：０ ２— ５— ７ ２ １ ０ ２ 作 者 简 介 ： 鹏 （９ ３ ） 男 ， 级 工 程 师 ， 要 从 事 靶 场 试 验 技 术 研 究 。 边 １７ 一 ， 高 主
口径 炮 弹 以 １００ｍ ｓ 右 速 度 飞行 时 产 生 的激 波 波 形 。 ０ ／ 左
图 ２ 反 射 镜 与 共轭 光 学 系统 组 成 测 试 系统
文献 ［ ］ ４ 中利 用 此方 法 设计 了激 光 光幕 靶 ， 能够 形 成 ￣ ０ ｍ 精 度 ０ １ 的圆形靶 。文献 ［ ］ ６ ０ ｍ， ．％ ５ 中在 该靶 的基础上 设计 了基于微 珠玻璃 原 向反射 器 和光纤 光锥 的１５ ０ｍ ０ ｍ×
［］ ７ 分别设计 了基 于平 行 激 光 对 射式 光 电坐 标 靶 ， 面从 靶
点的坐标信息 。激波 到达传感 器 的时延 取决 于传感 器 的阵
列的布置方法 ， 可以通过优化传感 器的布局 阵列 的布置方 法
５ ０ｍ ５ ０ｃ ４２ ０ｍ ０ ｍ× ０ ｍ～ ０ ｍ×４２ ０ｍ 测 量分 辨率 为 ２～ ０ ｍ，
形成一层光 幕。当弹丸通过光幕时 ， 遮挡光幕 会引起接 收阵
列 收到的光通量的变化 ， 在对 应的位置上 的接 收阵列将 会给 出弹丸 过靶 的通断信号来定位弹丸 的坐标 。 将激光 光源进行合理的拼接可 以得 到不 同尺寸 的靶 面 ， 不过大靶 面的制作 需要 大量的激光发射 和接受器 件 ， 而且 体 积越来越大 ， 调试与运输 困难 ， 整体重量 和成本难 以控制 ， 因 声靶法测量 弹着点坐 标和 弹丸速 度 的原理是 通过测 量 弹丸在空气 中超 音速 运 动时 所激 发 的弹 丸激 波 实现 定位 。
第３ ３卷
第 ８期
四 川 兵 工 学 报
２１ ０ ２年 ８月
【 光学工程与电子技术】
靶场 立靶 密 集 度 自动 测量 技 术
边 鹏 李艳娟 狄长安 ， ，
１１０ ；． 京理工大学 机械 工程 学院 ， ６ ０ ６２ 南 南京 ２ ０９ ） １０ ４ （． １ 北方华安工业集 团有限公司 ， 黑龙江 齐齐哈尔
的需 求 。
关键 词 ： 立靶密集度 ； 电测量法ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ； 光 光电坐标靶
中 图 分 类 号 ：Ｎ ４ Ｔ ２７ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０６—０ｏ （ ０２ ０ １０ ７ ７ ２ １ ）８—００ ０ １ ８— ４
立靶 密集度是 评价直 射式武 器 系统性能 的一个 重要 指
弹丸的立靶精度测量 。基于线 阵 Ｃ Ｄ 的测量 方法具备 较高 Ｃ 的灵敏度 ， 实时性强 ， 但在使用过程 中受 限于气象 、 光源和采
标。 目前靶场 实用 的方 法有 草席靶 法 、 薄木 板法等人 工测 量
方法 ， 该类方法 的共 同特征是在射击前在指 定位置架设好 靶 板， 射击后通过人工测量 弹着点 的坐标 后计算立靶精 度。该 方法存在一定的局 限性 ， 法分 辨连续 射击 时的弹 序 ； 要 无 需
摘要 ： 立靶密集度是评 价地面直射武器以及高射武 器系统性 能的一个 重要指标 。针对 靶场测试需求 ， 综述 了国内外 立靶 密集度 自动测量方法研究及使 用 的现状 ， 重点分 析 了光 电法 与声定 位方 法各 自的适用 条件 、 测量 精度及 优缺
点 。提 出可适 当放宽测量精度要求 ， 采用 地面面阵式声定 位方 法测量大 靶面 的立靶 密集度 可 以满足 当前靶场 测量
缝隙 ， 在着某些 探测 盲区 。以上原 因 ， 得采 用激 光与 光 存 使 电管阵列法制作 的光 幕靶 的有效测试面积收到 限制 。
作用于声音传感器产生 电信号 ， 过获取 的各传 感器 的信 号 通
计算 激波到达各测量点 的时差 ， 采用 相应 的模 型解算 出弹着
英 国 ＭＳ Ｉ公 司 的 生 产 的 此 类 坐 标 靶 ， 有 效 范 围 其 ２００ ｍ ２０ ０ｍ 测速精度 ３—５ｍｍ。文 献 ［ ］ ０ ｍ× ０ ｍ， ６ 与文献
弹 丸 进行 检 测 的 过 程 称 之 为 被 动 式 测 量 法 。 面 阵 式 Ｃ Ｄ 测 Ｃ
量系统组成和操作较为复杂 ， 在使用过 程 中对相机性 能和 图 像的解算算法要求较高 ， 很难用 于较大靶面 。 Ｃ Ｄ线阵交汇测量 一般 将两 台 Ｃ Ｄ相机 交叉 放置 ， Ｃ Ｃ 光 轴相交点为靶心成 ９ 。２台相 机视场 交汇 区为测 试可 用靶 ０， 区 ， 丸过靶 时会在 线阵 Ｃ Ｄ相机 中留下阴影 ， 阴影转换 弹 Ｃ 将
集 图像 的处理算法 ， 对于大靶 面 、 高速物体的测量 时 ， Ｃ Ｃ Ｄ很
难 实 施 精 确 测试 。 １２ 多 光 幕 法 ．
人工观测报靶 ， 存在一定 的安全 隐患 ； 受气 象条件 、 设方式 架 以及架设人员影响较大 ， 测量精度低 ； 工作效率 低 ， 费人工 耗 物力 。基于此 ， 科研工作者纷纷展开 了立靶密集度 自动检测
边
１ ３ 圆 弧 柱 面 反 射 镜 和 共 轭 光 学 法 ．
鹏 ， ： 场 立靶 密集度 自动测 量技 术 等 靶
１９ ０
度等方 面存在 巨大的优势 ， 同时测量原 理简单 、 直观 ， 易于被
接受 ， 但是在使用及推广过程 中也存在着一些不 足 ： １ ）大靶面 的扩展导致 系统难 度增大 。靶 面的扩展 对机 械 系统及光学 系统的加 工精 度 ， 接收器 件 的灵 敏度 ， 料 的 材
性能 ， 安装 及 携 带 的 方 便 性 都 提 出 了严 重 的挑 战 。
圆弧柱面反射镜 和 共轭 光学 测量 法 的系 统构成 如 图 ２
所示 ， Ｍ点 的激光器垂 直 于反射 镜母 线发 射激 光束 ， 线经 光
过反射镜 反射后被位于 Ｎ点 的该 系统 的光敏二极管接收 ， 其
中 Ｍ、 Ｎ点 位 于 共 轭 位 置 。 当 弹 丸 过 靶 时 引 起 光 通 量 的 变 化 ， 敏 二 极 管 检 测 到 该 变 化 后 送 后 续 电 路 处 理 ， 成 弹 丸 光 形
图 ４ 小 口径 炮 弹 丸 激 波 波 形
事先在某些位置安装激波测量用声 音传感器 ， 当弹丸在 空气
中高速运动时 ， 会引起 其周 围的空气 发生 扰动 ， 形成 疏密 变 化的压力波 向周 围扩散 ， 该压 力波 即为 弹丸激 波 ， 压力 波 该
此不利 于大靶 面的扩 展。另外 激光 器 的拼接会 存 在较 大的
分主要有被动声定位坐标靶和光 电坐标靶 ２种。
１ 光 电法
１１ Ｃ Ｄ光 电测 量 法 ． Ｃ
Ｃ Ｄ光 电测量 法 包 括 面阵 式 和线 阵式 ２种。面 阵 式 Ｃ
Ｃ Ｄ光 电测量方法 主要是通过 高速面阵 Ｃ Ｄ相 机拍摄 弹丸 Ｃ Ｃ
过靶 的图像 ， 后 通过 获取 的 图像 解算 弹丸 过靶 的 位置 信 然 息。Ｃ Ｄ面 阵测量法又可分为 主动式测量和被 动式测量法 。 Ｃ 利用 自然 光辅 助面阵 Ｃ Ｄ相机捕捉弹 丸过靶信 号的测量 过 Ｃ 程称为主动式测量。利用人造光源 辅助高速 Ｃ Ｄ相机拍 摄 Ｃ
图 １ 四 天幕 靶 测 量 弹 着点 坐标 与速 度 原 理 图
为灰度并进行二值化 处理后 可 以根 据 阴影 的位 置信 息求 出
弹丸过靶坐标 。文献 ［ ］ １ 中利用 Ｃ Ｄ交 汇法测量 弹丸坐标 ， Ｃ 靶面为 ３ ５ｍ×３５ｍ， ． ． 最大测量误差 １ｍｍ。Ａ Ｌ公 司 １９ Ｖ ９０ 年研制的交汇式线阵 Ｃ Ｄ， 面为 ２ ｍ×２ｍ， Ｃ 靶 可用 于大 口径
３ｍ 文献［ ］ ｍ， ８ 中用 ６ ４对激 光管 和光 电探测 器件 研制 了分 辨率为 １． ｌ 的光幕靶 。 ２ ５ｆ ｉ ｍ
１５ 光 电 法存 在 的 问题 ．
及数学模 型来提高弹丸 的坐标 的定位 精度。 目前 ， 常用 的声
定位方法主要有金属杆式声定位法与点 阵式声定位法 ２种 。 ２ １ 金属杆式声坐标靶 ． 金属杆式声坐标 靶是 利用 弹丸 激波 扫过 预先 布置 的 Ｌ 形金属杆引起 的震动 ， 通过分别 测量震 动波到达 Ｌ形金属杆
统面临极大 的挑 战。
２ 声 靶 法
假设超音速飞行 的弹 丸为一对称 的纺锤体 ， 纺锤体前 面 的激波为头激 波 ， 部 的激波 为尾激 波 ， 图 ３所示 。当其 尾 如
Ｃ Ｄ
经过空气 中某点时 ， 引起 的激 波压力 变化 曲线 如 图 ４所示 。 由于其形似英文字母 Ｎ， 故常被称之位 Ｎ波。图 ４为某 型小
１５ ０ｍｍ 面的光幕靶 ， ０ 靶 同时改进 了激 光器 件 、 学器 件 和 光
探测器 ， 强了系统抗光干扰的能力 。 增
圆弧柱面反射镜 和共 轭光 学法测 量 系统 的关键部 件 光 学部件设计较为繁琐 ， 制造加 工 比较 困难 ； 大靶 面 的扩 展需 要更大功率 的激光器件 ， 因此用该方法进 行大靶 面的扩展难 度 较大 。需要注意 的是 ， 使用 该 方法测 量时 ， 易受到 自然 容 光和曳光弹 的干扰 ， 引起 多余 的干扰信号 。