彈丸時間零點獲取方法的現狀和發(fā)展趨勢*

侯建強，韓壯志，王寧可

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

彈丸時間零點獲取方法的現狀和發(fā)展趨勢*

侯建強1，韓壯志1，王寧可2

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

彈丸時間零點即彈丸飛離炮口的時刻，是火炮性能分析、試驗和測試中的關鍵數據。分析了目前幾種常用的彈丸時間零點檢測方法，并根據高射頻火炮彈丸連發(fā)情況下的特點，指出了傳統時間零點檢測方法的不適用性，從理論角度分析了高射頻火炮連發(fā)彈丸的時間獲取方法。最后針對高射頻武器裝備的發(fā)展情況和時間零點檢測方法的現狀進行了展望。

時間零點，方法，改進，高射頻火炮

0 引言

彈丸時間零點即彈丸飛離炮口的時刻。彈丸初速就是根據彈丸時間零點和彈道方程，把彈道上實測的速度值，外推至炮口得到的彈丸虛擬速度［1］。因此，彈丸時間零點數據，在火炮性能分析、試驗和測試中發(fā)揮著重要作用［2］。本文分析了幾種常用的彈丸時間零點檢測方法，并針對高射頻火炮出膛時刻檢測問題，進行了分析和評述。

1 常用的彈丸時間零點檢測方法

目前，國內外用于彈丸時間零點檢測的方法通常有兩類：接觸式檢測方法和非接觸式檢測方法。

1.1 接觸式檢測方法

最常用的接觸式檢測方法是靶絲通斷法，利用彈丸對靶絲沖擊造成斷靶，在回路中產生突變電信號，通過對電信號突變位置的檢測，得到彈丸時間零點。根據采用靶子的不同，常用的靶絲通斷法主要有網靶法［3-4］、電阻網靶法［5］、箔靶法［4］等。這些接觸式的檢測方法都具有成本低廉、結構簡單［4-6］的特點，可以用來測量低速彈丸的膛內運行時間和膛內速度。

其缺點是：接觸式的測量方法會影響彈丸飛行的姿態(tài)、速度、軌跡，會對后續(xù)的外彈道速度測量造成很大誤差。實驗表明，靶絲的通斷是由沖擊波、激波和高速燃氣流造成的，并非彈丸出膛的真實時刻，該方法測量精度不高，測量結果需加以修正［2］。

1.2 非接觸式檢測方法

非接觸式的檢測方法主要包括振動傳感器法、紅外啟動法、激光啟動法、線圈啟動法、高速攝影法等。

1.2.1 振動傳感器法

炮彈在擊發(fā)時會對炮口產生后座力和振動。振動傳感器法主要是通過采集這些振動信號，得到炮彈出炮口的時間信息。常用的火炮炮口振動位移測試有4種；基于光電位移跟隨器的測試、基于電渦流位移傳感器的測試、基于激光CCD位移傳感器的測試、基于加速度計及分段積分法的測試［7］。與振動傳感器方法類似的還有后坐位移法：火炮射擊前，在火炮結構上固定拉桿位移傳感器，火炮射擊時，測量火炮后坐部分位移隨時間變化的曲線，確定彈丸出炮口時間［2］。由于火炮的振動較大，信號便于采集［8］，因此，振動傳感器法易于實現。

其缺點是：在炮口的振動測試中，需要對一些傳感器特別保護，以確保不受破壞［1］。同時，振動傳感器架設固定技術要求高，易受環(huán)境振動的影響。

1.2.2 紅外啟動法

紅外啟動法通過光敏元件感應炮口火光［8］，將產生的電信號作為起點脈沖［9］，獲得時間零點。紅外啟動法結構簡單、測量精度較高，在很多領域得到了應用。

其缺點是：易受環(huán)境光線影響產生誤啟動。另有實驗表明，由于彈丸離開炮口前，漏出的炮口高溫火藥氣體會提前觸發(fā)紅外啟動器［2］，紅外啟動法僅適用于6 000發(fā)/min以下的武器系統。

1.2.3 激光啟動法

激光啟動法也是一種基于光學的時間零點檢測方法，典型的是分離型激光啟動靶［10］。不同于紅外啟動法的是，激光啟動法采用主動發(fā)射和接收的方式進行檢測，具有更強的環(huán)境抗干擾能力，測量精度更高，在很多領域得到應用。

其缺點是：由于炮管的振動，激光啟動法對啟動器的架設要求高。同時，由于實驗現場環(huán)境惡劣等影響，使得系統防護困難［5］。

1.2.4 線圈啟動法

線圈啟動法利用火炮射擊時，彈丸被磁化部分穿過線圈的瞬間，在線圈中產生感應電動勢的原理［8，11-12］，獲得時間零點。該方法技術性能穩(wěn)定，測量成本較低，效率高［6］，連發(fā)性能好，精度高［8］，可以做到隨炮測量，應用廣泛。

其缺點是：這種方法對線圈的架設和固定要求較高、線圈易受損、測量時每發(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取景和圖像識別得到彈丸時間零點信息的，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］、高速數字攝影法［2］等。高速攝影有很高的時間分辨能力，能跟蹤快速變化過程的發(fā)生和發(fā)展，特別適用于超高速運動物體［9］，具有很大的應用前景。

其缺點是：高速攝影法需要良好的觸發(fā)信號源［9］，對于連發(fā)彈丸或多目標而言，炮口有強光干擾，目標識別比較困難。

2 高射頻武器連發(fā)彈丸時間零點檢測方法

2.1 高射頻火炮彈丸連發(fā)的特點

高射頻火炮是指利用高射頻彈丸在空中形成彈幕，增強作戰(zhàn)中近程防空能力的一種武器系統。由于戰(zhàn)術防空的重要性，高射頻火炮的發(fā)展得到各國的高度重視，其射頻從每分鐘幾千發(fā)到每分鐘上萬發(fā)不止。目前，36管的“金屬風暴”試驗系統就已經超過了每分鐘100萬發(fā)［15-16］。

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

2.2 高射頻火炮連發(fā)彈丸的時間零點檢測

實現高射頻火炮連發(fā)彈丸時間零點檢測的關鍵在于，在有持續(xù)的炮口焰、炮口煙干擾的情況下，準確獲取彈丸出膛信號。針對這一點，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、炮口焰和高速燃氣流，因此，可用于高射頻武器系統的時間零點檢測。國外已有采用X射線攝影測量彈丸初速的文獻，且精度較高［14］，同樣，X光高速攝影也可用于時間零點檢測。缺點是：X光具有輻射性，不適宜長期使用，對測試人員需要增加保護措施。

（2）雷達測量法：利用測速雷達，得到彈丸初速［8］?？紤]到雷達在測速中的應用，采用連續(xù)波雷達［18-19］進行時間零點檢測也是一種可行性選擇。這種方法利用接收機的信道，檢測彈丸出炮口時產生的回波信號，從而檢測出彈丸時間零點，不用考慮回波信號頻率和幅度的變化情況［8］，抗干擾能力強。但在實際使用中，采用連續(xù)波雷達進行檢測，還面臨信號處理精度不高，檢測性能穩(wěn)定性不好的問題。

3 高射頻連發(fā)彈丸時間零點檢測方法的改進

事實上，高射頻武器連發(fā)彈丸時間零點檢測方法所面臨的主要問題是：隨著彈丸之間時間間隔的縮短，背景干擾信號呈現出高強度、連續(xù)出現的情況，嚴重影響了傳感器的感應效果。為此，提高高射頻連發(fā)彈丸的出膛時刻檢測質量的關鍵，是解決強干擾條件下的弱信號檢測問題。上述問題可以從以下幾個方面解決：

3.1 對高射頻火炮彈丸連發(fā)產生的振動建模

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

3.2 發(fā)展炮口消焰技術、大功率激光技術、背景濾光技術

針對基于光學的高射頻火炮連發(fā)彈丸時間零點檢測技術背景干擾強、環(huán)境適應性差的特點，可以從炮口消焰器、光電傳感器、背景濾光技術的角度，解決問題。同時，大功率激光技術的發(fā)展可以提高激光啟動器的穿透能力，也可以用于對高射頻火炮連發(fā)彈丸的時間零點檢測。

3.3 發(fā)展X光高速攝影的輻射防護技術

X光具有很強的穿透能力，但X射線具有輻射性，改善設備的輻射滲透和對人員的保護，也可以使X光高速攝影廣泛用于時間零點檢測。

4 結束語

本文針對高射頻火炮連發(fā)彈丸時間零點檢測的難題，結合相關研究和具體實踐，分析了一些可行性方法，并針對其中某些方法的局限性提出了改進措施，有助于相關工作的研究。

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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

國家自然科學基金資助項目（51107147）

侯建強（1990- ），男，河北衡水人，碩士研究生。研究方向：信號處理。