靶后炸点距离测试仪前放装置的研制

摘 要：本文介绍了一种靶后炸点距离测试仪前放装置的设计，该装置通过采集弹丸从发射到爆炸过程所产生的各种光信号，运用光纤编码的原理分析得到的光信号，从而确定炸点的距离。该装置设计新颖、精度高，配合后置的瞬态记录仪可进行实时测量和纪录。

关键词：炸点；光信号；光纤编码；瞬态记录仪

光电测试技术是光学技术与电子学技术相结合而产生的一门新兴的测试技术。它利用电子技术对光学信息进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示等。由于光电测试技术是一种非接触式的测试方法，而且测试速度快、测试精度高；能自动、连续地进行测试；可以进行遥测；便于自动纪录；可以与电子计算机相结合进行处理；可采用微处理机做成智能仪器等，从而使光电测试技术在各个领域得到广泛的应用。本文讨论的靶后炸点测试仪就是光电测试技术的具体应用，而作为此测试系统的关键部分——前放装置，实际上就是一个光电传感器。

靶后炸点距离测试仪的工作原理

为了增加弹丸的爆炸威力和爆炸的精确性，一些弹丸的爆炸点必须严格地控制在某一范围内。这里的爆炸点也称炸点，它是某些弹丸的重要参数，也是弹丸制造质量的重要参考指标。因此，在弹丸制造出来之后，对弹丸的炸点的测试也就显得尤为重要。
本测试系统采用光电测试方法对靶后炸点进行测试，其基本的测试原理是采用光纤编码技术来设计光电探头，对弹丸在靶后实时飞行而产生的所有光（与铝板的碰光、弹尾的曳光、引信开始起爆的起爆光以及弹丸被引信完全起爆的爆炸光）进行实时采集处理，得出多路光电信号，通过瞬态记录仪记录分析这多路信号，再根据特殊的光纤编码排列方法，得出具体是哪一根光纤对应的弹丸飞行平面的位置上起爆的，从而完成我们对炸点位置的测试。
整个系统的两个核心部件——前放装置和瞬态纪录仪是完成此测试系统的关键。而系统的光电传感器更是设计的关键所在，它设计的优劣直接影响后面的转化处理电路和整个系统的测试精度。因此，我们首先要解决好前放装置的设计。

数学模型的建立

在弹丸炸点测试方面，高速的同步摄影和面阵的CCD是当前比较流行的测试方法。高速摄影技术是通过实时捕捉弹丸的影像，从而确定炸点的位置。这种技术在精度上虽然有保障，但也存在问题，如弹丸飞行时间过长，需要采集的图像也变得无穷大，而且弹丸弹道也不是标准的直线，高速摄影的同步性很难保证，还有，如弹丸出膛后，速度特别快，命中目标到完全爆炸只是一瞬间的事情，高速摄影技术也很难满足测试要求；面阵的CCD也是通过成像的技术实时地捕捉弹丸的影像，这就需要很高的响应速度和信号处理电路，当前的CCD摄像器件无法满足这种要求。因此，我们在此课题中采用的光电测试技术来完成此项测试，无论在精度方面，还是在实时性方面都得到了很大的提高，而且相对于同步摄影和面阵CCD技术，它是一种既经济又实用测试技术。按照提出的设计要求和测试精度，我们建立了如下数学模型。



其中，弹丸在预定的直线弹道上飞行，由于在纵向偏离弹道的位移非常小，所以在这里我们主要考虑弹丸在水平方向的位置。在弹丸穿过靶面后，会在弹丸飞行的平面内爆炸，那么在这个长方形内，我们需要测试出炸点到靶面的水平距离。

前放装置的设计

如图1所示，弹丸飞过的平面（高1米，宽2米）通过光学系统的光学镜头清晰的成像于像面，像面用若干根光纤成矩形排列（如图2所示），每一根光纤将进入光纤的光传输到一个光电管，该光纤对应弹丸飞过平面中≤2×2厘米2的面积（即该系统的分辨率）。当弹丸在靶后飞行产生的各种光使飞行平面的光通量发生变化时，所对应的光纤、光电管和处理电路就对光通量有变化的面积上的光变化量进行光电信号转化处理。考虑到该系统的测试精度，在像面上必须排列上千根光纤，每一根光纤对应一个光电管和一套放大、整形、输出电路，因此，在实际应用中，安装上千套电路和光电管是不可能的。为此，就必须对光纤进行分层、编组，进行光纤编码。经过初步计算，要将弹丸飞过的平面（2×1㎡）分成2×2㎝2的小份，共5000份，因此，也就需要5000根光纤（50层，每层100根）与之对应。




如图3所示，每层光纤又将分为A层、B层和C层。在Ａ层里，光纤被分为4等分，从左到右每份的编号为Ａ₁， Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄；在Ｂ层里，光纤被分成了20等分，每份编号从左到右为Ｂ₁，Ｂ₂，…，Ｂ₂₀；在C层里，光纤被分为100等分，从左到右每份编号为C₁,C₂,C₃,…,C₁₀₀.
由于全为等分，Ａ₁与Ｂ₁～Ｂ₅相对应，Ａ₂与Ｂ₆～Ｂ₁₀相对应，…，Ａ₄与Ｂ～Ｂ₂₀相对应。Ｂ₁与Ｃ₁～Ｃ₅相对应，Ｂ₂与Ｃ₆～Ｃ₁₀相对应，…，Ｂ₂₀与Ｃ₉₆～Ｃ₁₀₀相对应。
Ａ₁到Ａ₆每份连接一个光电器件，Ａ层共需要六个光电器件；Ｂ₁，Ｂ₆，…，Ｂ₁₆连接到一个光电器件上，Ｂ₂，Ｂ₇，…，Ｂ₁₇连接到一个光电器件上，…，Ｂ₅，Ｂ₁₀，…，Ｂ₂₀连接到一个光电器件上,Ｂ层共需5个光电器件；Ｃ₁，Ｃ₆，Ｃ₁₁，…，Ｃ₉₆连接到一个光电器件上，Ｃ₂，Ｃ₇，Ｃ₁₂，…，Ｃ₉₈连接到一个光电器件上，…， Ｃ₅，Ｃ₁₀，Ｃ₁₅，…，Ｃ₁₀₀连接到一个光电器件上，Ｃ层共需5个光电器件。

以上论证只是一层光纤的编码排列，而覆盖弹丸飞行的平面则需50层光纤，每层光纤的排列方法和上面一样，每一层的Ａ₁区都连接到同一个光电器件上，Ａ₂,Ａ₃,Ａ₄同理；每一层的Ｂ₁,Ｂ₆,…,Ｂ₁₆连接到同一个光电器件上，其它同理；每一层的Ｃ₁,Ｃ₆,Ｃ₁₁,…,Ｃ₉₆连接到同一个光电器件上，其它同理。这样光电器件和处理电路都没有增加，仅仅增加了光纤根数。通过光纤编码排列方法，我们仅仅需要4+5+5=14路光电转换电路就可以完成测试任务。如果知道了哪一区的光纤光通量发生了变化，我们就能知道炸点距靶面的水平位置。

数据的处理与分析

假设弹丸是通过A₁、A₂区，在A₃区里起爆的，那么我们是怎样知道子弹到底是在那一具体位置起爆的，我们从瞬态纪录仪纪录的数据曲线来分析，A₁区、A₂区和A₃区各区的光能量的变化反映在瞬态记录仪上的波形如图4所示。


根据此曲线可以分析出各个时间（时刻）的光强度变化，从而分析出引信弹丸的起爆时间。如：0～T₁是弹丸与铝板的碰光、T₁～T₂是弹丸飞过A₁区时间弹尾的曳光、T₂～T₃是弹丸飞过A₂区时间弹尾的曳光、T₃～T₄是弹丸飞过A₃区弹尾的曳光、T₄～T₅是引信开始起爆的起爆光、T₅～T₆是弹丸被引信完全起爆的爆炸光。

当然，这只是初步的定出弹丸是在A₃区起爆的，根据以上的光纤编码排列的方法，与A₃区对应的是B₁₁～B₁₅,再根据连接此区光电处理电路测得的信号纪录的曲线，进一步得出是在哪一具体位置；再根据此编号对应的C层编号，进一步确定是在C层的编号。通过A层、B层和C层的产生的三个信号，我们就可以确定，是像面上C层哪一根的光纤对应的飞行平面上的位置上起爆的，我们就可以测出具体的起爆点位置。当然，从弹丸刚穿过靶后开始计时，我们也可以测出起爆点的时间。

结论

本文提出的光纤编码技术应用于炸点测试是一种新颖的测试方法，相比较高速摄影技术既经济又实用，测试精度也比较高，具体的产品试样已初步通过实验。由于使用的光线根数较多，在具体的排列工艺上也是有一定的技巧的。