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高能物体测速方案
编辑上传:丁仪   文章来源:本站源创   发布日期:2014-10-08   点击次数:1714 次   
       在人类发展过程中,形成对人体直接伤害的武器经历了冷兵器、热兵器、热核武器及高动能武器等四个阶段。
从产生毁伤的原理来看,冷兵器是利用刀剑的利刃或棒锤等的动能来造成目标的物理伤害;热兵器或化学能武器是利用火药、炸药的化学反应来加速子弹或弹片(破片),或者直接通过爆炸来造成目标的物理伤害;热核武器利用原子裂变或聚变产生的核辐射、冲击波等形成杀伤;号称第四代武器的电磁武器,是利用电磁能将物体加速到超越传统热武器弹丸的速度来达到毁伤目的(一般热武器的弹丸速度在1KM/s内,电磁武器的弹丸速度可达数KM/s甚至数十KM/s)。
从上面简单的介绍可以看到,利用高能物体来形成杀伤,是目前相当一部分武器的原理。
根据物体动能的计算方程:
       E = 1/2 MV2
可知物体的动能是由其速度决定的,所以在武器的研发、对武器毁伤效果的评估等研究过程中,对高动能物体速度的测量是非常重要的一个研究课题。
目前,对高能物体测速主要采用两种方法:一种是测量高动能物体飞过一段已知距离(S)的时间(t),由公式V=S/t可求得已知距离的平均速度V,其主要测试仪器有网靶、线圈靶、天幕靶和光幕靶等;另一种速度测量方法是应用多普勒雷达技术。
 采用多普勒雷达有其技术上的先进性,但是由于无法测量高动能物体出口速度,且成本较高,维修不便,国内较少采用,而天幕靶和光幕靶以其精度较高,使用方便,成本低廉等优势,在高动能物体测速市场还占据较大份额。
由于天幕靶以天空背景光作为光源工作,在对亚音速物体测量时,声音超前高动能物体到达光幕面,声音压缩空气引起空气折射率改变,使进入天幕靶镜头的光能量改变,容易造成天幕靶误触发,从而引起测量误差的增大。
光幕靶是一种用于测试高动能物体速度的区截装置,主要用在低伸弹道的弹丸初速测试中。它既可以用于测试金属高动能物体,又可以用于测试非金属高动能物体。 由于采用了人工光源,不受自然条件的限制,再加上灵敏度和测试精度高,操作简单等优点,在国内大部分靶场得到了广泛的应用。
光幕靶在实际使用中,对下述情况会产生误触发。一种是“蚊虫”干扰,是指在野外使用光幕靶时,由于蚊虫等低速物体穿过光幕靶的靶面时引起的误触发现象,光幕靶的有效视场越大,这种干扰出现的几率也就越高,有时甚至使得测试无法进行,给测试工作带来了很大的不便。
另外一种是冲击波干扰,是由于高动能物体发射时形成的冲击波所致。对于超音速高动能物体来说,并不会对测试结果产生影响,冲击波以声速传播,高动能物体先于波阵面之前到达靶面产生触发信号。但对于低音速和近音速高动能物体来说,高动能物体的速度低于冲击波的传播速度,冲击波的波阵面先于高动能物体到达靶面产生触发信号,如果将第一个触发信号作为测试的最终触发信号,就会给测试带来很大的误差。 在高精度的测试中需要解决这些干扰对测试产生的影响,以提高测试的准确性和精度。
在分析现有光幕靶测量速度的基础上,我们开发了性能优越的激光光幕靶测速系统,系统的特点可概括为:
1、采用激光光源组成独特的光幕墙;
2、运用数字处理电路有效的解决了信号干扰问题;
3、采用高速阵列光电转换器件,构成直角坐标,可以测量大数量的高动能物体群(飞行破片群)的每一个物体的速度、飞行角度和靶上坐标(即分布);
4、采用特殊设计的计时电路,保证计时的精度,既能测单发的速度,也能测连发的速度。
系统技术指标
1、 适用弹种:  各种材质弹丸
2、 适用弹径:  φ5——φ200 mm(特殊要求可定制)
3、 最大射频 : < 3000发/分钟
4、 光幕靶有效视场: 1000 × 1000 mm2
5、 测速范围:   10m/s——2500m/s
6、 环境条件: -10℃ —— 65℃
                      相对湿度≤75%,风速≤ 6 m/s
7、 速度测量误差: <1 %
8、 测试模式:破片、单发、连发、
9、  软件环境:   WIN XP、WIN7
测试原理
系统有前、后两个靶框,每个靶框水平方向、垂直方向均有光束,平行的激光光束构成光幕墙。
本系统运用数字处理电路有效的解决了信号干扰问题;采用特殊设计的计时电路,保证计时的精度。
采用激光发射模块将光束调制成间距不大于5mm的平行光束阵列(垂直、水平方向交叉安装,形成光束网),用响应时间极短的光敏二极管(响应时间≤30 ns)接收光束信号。当高能物体穿越光幕靶时,遮挡激光光束阵列,从而在光敏管处产生脉冲信号。
每个靶组成有效光幕测试视场,每根激光光束对应一个整形电路,用FPGA大规模逻辑器件阵列记录下每根状态,汇集前、后两靶光束状态,获得弹丸穿越两光幕靶之间距离的时间t,V= S / t得到弹丸速度,系统软件将每个光束的状态还原为坐标网格形式,可清晰看到破片数量和穿越每个网靶的弹着点。
 


靶框结构示意图

 

测试原理示意


 激光光幕靶由激光光束发射模块(光源)、光电接收阵列、光电信号预处理电路、FPGA逻辑纪录阵列构成。
系统分析软件
系统软件安装在上位控制机,同步采集控制,光束水平——垂直状态定位、排序,显示便于人工分析的测试结果,方便的数据管理及分析手段。实现数据分析、回放、速度自动计算、存储、弹着点分布等实验报告输出等功能。

 

阵列式激光光幕靶优势比较1 



阵列式激光破片测试系统优势比较2