采用双区截光幕测速装置标定靶距的方法
0 引言
在身管**、弹药的研制生产中,初速试验是校验产品性能的必要环节[1-3]。测速光幕靶具有测速精度高、抗干扰能力强、可靠性好、非接触测量等特点[4-5],广泛应用于各种靶场弹丸初速试验中。初速试验一般采用定距测时的区截测速方法[6-7],常规的测速系统中测时误差一定,一般小于0.2 μs。靶距测量误差是影响测速误差的主要因素[8-9],目前针对大于1 m的长靶距光幕靶多采用直接测量方法,如钢直尺或激光测距仪[10],靶距测量误差一般为0.5 mm。根据测速误差传递公式[11],在速度不大于1 000 m/s时,测速相对误差不大于1‰。针对结构紧凑、双光幕靶距固定且小于200 mm的一体化光幕靶,采用上述直接测量方法,靶距相对误差大于2.5‰,测速相对误差必然大于2.5‰,不满足实际测速要求,必须研究一种高精度的靶距标定方法,使靶距测量误差远小于0.2 mm。
针对不同原理的测速装置的靶距标定,文献[12]利用单区截测速装置与被标定光幕靶测量弹道上同一点飞行速度,依据速度测量公式实现靶距标定,靶距标定相对误差为2.7‰。文献[13]利用相机获取线圈靶图像,通过图像处理方法得到线圈靶中心与图像中心的相对位置,从而计算靶距,靶距标定相对误差为1.3‰。文献[14]为解决激光光幕测速系统中因光电响应一致性不同引入的靶距标定误差问题,从光幕侧面对弹丸穿过光幕时刻进行高速成像,计算弹丸与光幕的相对位置,校准测速系统的靶距,靶距标定相对误差为1‰,但标定系统复杂,作为使用级装置成本高。文献[15]提出一种天幕靶测速系统靶距参数标定方法,配合经纬仪、精密光学仪器等实现靶距为3 000 m的标定,靶距标定不确定度为1.4 mm,然而该方法很难用于一体化光幕靶。文献[16]利用螺纹测长原理与光电转换方式相结合的方法,设计了双缝光幕靶专用靶距标定装置,具有较高的标定精度,但该方法仅适用弹底触发模式,对标定装置的设计精度要求较高,且存在较大的靶距读取误差。上述文献采用不同方法实现了不同原理的测速传感器的靶距标定,但针对双光幕或三光幕的短靶距一体化光幕靶,目前还没有可靠有效的解决方法。
针对小于200 mm的短靶距测速光幕靶的靶距测量,利用已知靶距的两套光幕靶测量弹道两点的平均速度,推导被标定光幕靶的靶距标定计算公式,分析标定误差影响规律,实现被标定光幕靶的靶距相对误差在0.5‰~0.9‰之间。
1 靶距标定方法
1.1 单区截光幕测速装置标定方法
单区截光幕测速系统[9]包含两个光幕探测器,光幕探测器主要包括发射装置和接收装置,两者在空间中共同形成一个隐形的探测光幕。弹丸穿过探测光幕时,接收装置中光电探测器因接收的光能量改变,产生微弱变化的光电流信号,经信号处理后输出弹丸过幕信号,该信号能够反映弹丸的形状特征及过幕时间信息。两个探测光幕的间距为
根据运动方程,弹丸在一定距离内的平均速度
在单区截光幕测速装置标定靶距的方法(简称单区截标定方法)中,仍认为弹丸做匀速直线运动。光幕Ⅰ和光幕Ⅱ构成标定用光幕靶,光幕
单区截靶距标定公式为
实际上,飞行弹丸受空气阻力、自身重力等因素影响,弹丸飞行速度不是恒量[19]。当弹丸以非匀速运动,弹丸运动速度随飞行时间增加而减小,点
式中,sh为双曲正弦函数,
针对标定用光幕靶,在靶距较小的水平弹道测速中,不考虑重力对弹丸飞行速度的影响。弹丸测速误差包括靶距测量误差
当测速相对误差限定时,对
在限定测速相对误差下,弹丸飞行速度越大,最小靶距越大,反之越小。
1.2 双区截光幕测速装置标定方法
本文提出采用双区截光幕测速装置实现靶距标定,相比单区截测速装置标定方法,双区截光幕测速装置标定靶距的方法(简称双区截标定方法)采用了两个单区截测速装置,光幕Ⅰ和光幕Ⅱ构成单区截测速装置1,光幕Ⅲ和光幕Ⅳ构成单区截测速装置2。为便于分析,文中将两套单区截测速装置的靶距均取值为
弹丸速度从
弹道上两点的瞬时速度和两点之间的距离确定时,由
以弹丸穿过光幕Ⅰ时刻为起始时刻,弹丸速度从
式中,
将
式中,
靶距
2 标定误差分析
根据误差传递公式,对
式中,
当标定用光幕靶的靶距
2.1 标定用光幕靶的靶距 对标定误差的影响
标定用光幕靶测速中,靶距
当弹丸飞行速度为150 m/s,布放间距
弹丸速度和布放间距
2.2 标定用光幕靶的布放间距 对标定误差的影响
若标定用光幕靶测速误差不大于1‰,标定用光幕靶的靶距
弹丸速度和标定用光幕靶的靶距
根据上述分析,标定用光幕靶测速误差确定时,对同一类型弹丸,增大布放间距
3 试验与结果分析
采用未知靶距的三光幕靶进行标定试验,相比双光幕靶,三光幕靶多一个光幕K,靶距标定原理相同,靶距设计值为75 mm。光幕Ⅰ与光幕Ⅱ构成第一套标定用光幕靶,光幕Ⅲ和光幕Ⅳ构成第二套标定用光幕靶,靶距均为1 237 mm,光幕Ⅱ和光幕Ⅲ间距为1 996 mm,三光幕靶为被标定装置,放置在光幕Ⅱ和光幕Ⅲ之间任意位置处,所有光幕相互平行且垂直于弹道线。以弹丸穿过光幕Ⅰ的时刻为起始时刻,数据采集仪①和②分别采集弹丸穿过标定用光幕靶和三光幕靶的波形信号,获取弹丸过幕时间序列,
3.1 单区截标定试验
在单区截标定试验中,利用投线仪调整标定用光幕靶和三光幕靶的水平和铅垂基准,并将三光幕靶放置在光幕Ⅱ和光幕Ⅲ中间位置处(三光幕靶中心刻线与光幕Ⅱ、Ⅲ的距离中点近似重合)。以光幕Ⅱ和光幕Ⅲ测得的速度
表 1. 单区截标定结果
Table 1. Results of calibration by single zone-block device
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采用单区截标定方法获取的靶距平均值
根据
表 2. 单区截标定方法测速结果
Table 2. Results of velocity measurement used single zone-block calibration method
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采用单区截标定方法得到的靶距进行测速,弹丸速度偏差均值为0.22 m/s,测速相对误差均值大于1‰,不满足测速误差要求。
3.2 双区截标定试验
采用双区截标定方法时,重新进行一组试验,数据采集仪①和②获取弹丸穿过标定用光幕靶和三光幕靶的时间序列,时间结果如
表 3. 弹丸过幕时间序列
Table 3. Times value sequence of projectile pass through screen
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将
表 4. 双区截标定结果
Table 4. Results of calibration by dual zone-block device
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相比单区截标定方法得到的靶距值,采用双区截标定方法获取的靶距平均值
根据
表 5. 双区截标定方法测速结果
Table 5. Results of velocity measurement used dual zone-block calibration method
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4 结论
为提高靶距小于200 mm的短靶距光幕靶的靶距标定精度,提出一种采用双区截测速装置标定靶距的方法,该方法对被标定光幕靶的布放位置无严格要求。根据弹道方程,研究了以平均速度代替靶距中点瞬时速度产生的测速误差,推导了两套标定用光幕靶测速点间任意时刻的瞬时速度计算公式,给出了采用双区截测速装置的靶距标定方法原理及靶距标定公式,分析了标定用光幕靶的靶距和布放间距对标定误差的影响规律。理论分析与试验结果表明:1)在标定用光幕靶测速相对误差和弹丸飞行速度确定下,标定误差随标定用光幕靶的靶距
本文提出的双区截光幕测速装置标定靶距的方法,比现有单区截光幕测速装置标定靶距的方法的标定精度高,同时不要求被标定光幕靶精确布放,为一体化短靶距光幕靶的靶距标定提供了一种标定手段,可以用来标定各种测速原理的使用级的区截测速用传感器的靶距。
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