靶后炸点距离测试仪前放装置的研制 光电传感器, 电子技术, 测试仪, 记录仪, 测量

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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，通过采集弹丸从发射到爆炸过程所产生的各种光信号，并运用光纤编码的原理进行分析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。
光电测试技术是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，在许多领域得到了广泛的应用。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。

图1 弹丸靶后飞行情况示意图

图2 光纤编码排列方法示意图

图3 各区光能量变化图

测试仪的工作原理
本测试系统采用光电测试方法对靶后炸点进行测试，其基本原理是采用光纤编码技术设计光电探头，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该多路信号，再根据特殊的光纤编码排列方法，得出具体对应的弹丸飞行平面的位置，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，其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，我们重点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，而且弹道也不是标准的直线，从而同步性很难保证。此外，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。但是，在我们的课题中无论精度方面，还是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，既经济又实用，其数学模型如图1所示。
由于弹丸在预定的直线弹道上飞行时，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(假设高1米，宽2米)通过光学系统的光学镜头清晰的成像于像面，像面用若干根光纤排成矩形，每一根光纤将进入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该光变化量进行光电信号转化处理。在实际设计中我们对光纤进行了分层、编组，编码。经过初步计算，要将弹丸飞过的平面(2×1m2)分成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2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等份，从左到右每份的编号为A1，A2，A3，A4；在B层里，光纤被分成20等份，每份编号从左到右为B1，B2，...，B20；在C层里，光纤被分为100等份，从左到右每份编号为C1，C2，C3，...，C100。由于全为等份，A1与B1~B5相对应，A2与B6~B10相对应，...，A4与B16~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，...，B层共需5个光电器件；C1，C6，C11，...，C96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连接方法与上面一样，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，那么我们就可根据瞬态记录仪记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3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方法，与A3区对应的是B11~B15，根据连接此区光电处理电路测得的信号记录曲线，可进一步得出是在哪一具体位置；再根据此编号对应的C层哪一位置，进一步确定在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，从而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。
结语
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，既经济又实用，测试精度也较高，产品试样已初步通过实验。