学位论文—基于激光探测技术的小型化弹丸测速系统.doc

清华大学2010届毕业设计说明书第页共NUMPAGES36页1绪论弹丸速度是弹丸运动特性的一个重要参数，是衡量武器性能的基本参数，也是为射表编制和内弹道研究必须提供的数据。区截装置测速法是现代靶场中弹丸测速的普遍方法。1．1弹丸测速技术研究的意义在武器系统的研制、定型、生产质量控制、产品检验以及弹道学理论的研究中，都需要测定弹丸的飞行速度。弹丸飞行速度是弹道特性的一个重要参数之一，也是枪炮，火药生产研制的一个重要技术指标。弹丸速度的大小与弹丸发射条件及过程有关，也与弹丸本身的物理参数、气动参数和气象参数有关，它是衡量枪炮特性和弹道特性的一项重要指标。利用这项指标，可以描述作用在弹丸上的力和力矩随马赫数的变化以及射击时伴随枪炮及弹药的一些物理现象，可以确定武器弹药系统的弹道特性、选择装药和普遍地检验枪炮、火药和弹药工厂的产品。因此，在武器系统的研制、定性、生产质量控制、产品验收，以及整个弹道学理论和其他一些理论的研究中都需要测量弹丸的飞行速度[1]。虽然目前弹丸测速技术已经比较成熟了，但是随着目前国防对各种类型高速射击武器的不断需求以及武器研制和生产水平的不断进步，各类射击武器的研制和产厂家越来越突出其出射弹丸的高速性能，因此在对各类射击武器的定型和生产中对弹丸速度的高精度测量也提出了越来越高的要求。可见对于弹丸测速技术的进一步研究和改进，把目前一些新方法和新技术运用到弹丸测速技术之中，提高弹丸测速的精度和稳定性仍然有着重要的意义。1．2弹丸测速技术国内外的发展与现状自1742年，英国实验弹道学家罗宾斯发明弹道摆，第一次提供弹丸速度的测量方法以来，人们对弹丸飞行速度的测量进行了大量的研究，发明了许多较为成功的方法，19世纪中期，由于火炮发射技术的进步，弹丸速度的不断增加，对弹丸速度测定精度要求也愈来愈高。这样，客观上促进了弹丸速度测量技术的发展，电械测时仪、布朗节测速仪是这一期间应用较为广泛的两种测速方法，特别是，布朗节测速仪大大提高了弹丸测速精度，使人们对空气阻力有了更深刻的认识，可以说是弹丸速度测量方法的一次重大革新，这种测速方法在我国普遍采用，直到60年代才开始被新的测速方法取代[2]。20世纪初期，伴随着电子技术的广泛兴起以及计算机技术的蓬勃发展，弹丸测速技术也得到迅猛发展，螺线管、测时仪和快速记录示波器等先进的测速技术应运而生，使弹丸速度测量精度得到较大的提高。目前，国内外采用的弹丸测速方法主要有两种：一种方法是区截装置测速法。这种方法是测量弹丸飞过一段已知距离的时间，然后用距离除以时间求出的已知距离的弹丸平均飞行速度；另一种弹丸速度的测量方法是应用多普勒雷达技术。其基本原理是向运动目标发出一束无线电波，从目标上反射回到测速仪上来。测速仪输出一个交变电流信号，其频率是发射波频率和接受机频率之差。如果目标相对测速仪是静止的，发射和接受的频率相等，则频差为零；如果目标相对测速仪之间相对运动时，则反射信号将产生一个频率偏移，这个频差(也叫多普勒频移)直接与测速仪到目标的距离的变化率成正比即与径向速度成正比，因此可以得到目标的运动速度。由于区截装置测速法的性价比高，所以国内目前普遍采用的弹丸测速方法以区截装置测速法为主[3]。区截装置测速法主要是用测时仪和区截靶测出弹丸在两靶间的平均速度。其中用区截靶敏感弹丸到达弹道的位置，用测时仪计算出弹丸飞过两靶间的时间和速度。区截装置根据所测弹丸的不同种类而选用。目前使用的区截装置主要有通断靶(靶网、铝箔靶等)、电磁感应的线圈靶以及近年来出现的光电靶(包括光幕靶、天幕靶等)。其中光电靶由于它能沿弹道测量弹丸飞行的时间，而没有通常接触靶对弹丸的干扰，无需对弹丸磁化、无需对靶网接线、劳动强度低等。因而深受用户的青睐，使用也越来越普遍。光电靶的工作原理是当弹丸通过光幕上方时就改变了落在光电管上的光线，因而产生一个电信号启动测时仪[4]。1．3测时仪的发展概况测时仪的种类较多，但在弹丸速度测量中，由于弹丸速度高，测速靶距较小，靶场环境复杂，容易受到电磁和电源波动的干扰，与普通环境下的计时相比，用于弹丸测速的测时仪对响应、精度、分辨率和抗干扰的要求都更高，因此，目前国内、外普遍采用电子测时仪，随着科学技术的不断发展，电子测时仪经历了几次更新换代，最早期的测时仪为电子管测时仪，这种测时仪功耗高、体积大、使用不方便，工作不可靠；二代电子测时仪是分立元件的晶体管测时仪，其体积大大减小、功耗较小、使用时不需要预热，工作可靠性相对较高，但电路设计、调试比较烦琐，计时分辨率较低；代电子测时仪在结构上采用集成电路，体积进一步减小，并实现多路同时测量的功能，工作可靠性大大提高，但同样存在电路设计，调试比较烦琐等不利因素；第四代电子测时仪引入计算机技术，使得测时与数据处理集为一体，实现了自动