仵 阳,武志超,倪晋平

(西安工业大学 陕西省光电测试与仪器技术重点实验室,陕西 西安 710032)

引言

天幕靶[1]是用来获取飞行物体通过空间特定平面时刻信息、并实时给出相应信号的光学仪器。该仪器采用光电转换原理，实现非接触测量，测量结果不受弹丸材质的影响，与其他原理的同类仪器相比，具有测量精度高、装置轻便、可靠性好等优点[2-4]。目前，天幕靶的应用领域涉及致命与非致命兵器的研制和生产以及防弹器材和航空材料研制等领域[5-6]。天幕靶在使用中易受到人工搬运、炮口冲击波引起震动等外界因素的影响，其光机结构会产生变形和电路参数变化，进而影响仪器的最终测试精度和灵敏度等性能指标。因此，使用的天幕靶需要定期检定。现行的检定方法是依据中国兵器工业总公司于1998年发布的天幕靶检定规程，该检定规程中规定了12条项目详细的检定方法[7]。随着天幕靶使用数量的上升，检定工作也随之面临着基数大、检定周期频繁的难题，尤其是现行的检定方法均需拆卸天幕靶，非制造方的人员拆卸困难较大，为检定带来了极大的不便，同时拆卸中会增加仪器损坏的可能性。本文针对不拆卸天幕靶开展检定的需求，提出了一种不拆卸天幕靶对幕面参数检测的方法。

1 天幕靶幕面参数检测原理

测速天幕靶需检定的幕面位置参数包括天幕面对水平面的垂直度和天幕面对通过水平轴的铅垂面的垂直度，这2个参数均是通过检测天幕面和基准面的偏差度来得到的，如图1中(a)、(b)所示。

图1 天幕靶幕面空间位置检定装置示意图Fig.1 Sky screen spatial location prover

在天花板和侧墙上相距一定距离处安装4个频闪光源，利用经纬仪将4个小光源安装在同一个竖直平面内，并保证此竖直平面与水平面严格垂直，定义该平面为基准面；把小光源所在的垂直于基准面的平面定义为测量平面；测量平面与天幕靶镜头主点的垂直距离为H。

每个光源安装底座上安装有2个直径为1 mm的频闪光源[8-9]，如图中光源A和光源B、光源C和光源D；用经纬仪精密装调，确保天花板与侧墙上的4个光源安装在同一竖直平面内，精确建立基准面，为放置天幕靶设置参考线；计算机控制光源控制装置，驱动频闪小光源按照要求的信号发光，并控制其开启或停止；示波器设置天幕靶输出信号阈值；一维平移台带动天幕靶实现其沿基准面垂直方向的平移；在天幕靶移动过程中，当天幕靶有信号输出时，用游标卡尺读取天幕靶此时相对基准面的移动位移；激光测距仪可测得光源所在平面距天幕靶镜头主点的垂直距离；平移台放置底座可用于调节天幕靶距地面高度。

以检测天幕面对水平面的垂直度为例，放置天幕靶使天幕面位置标志线与基准面重合。天幕面与基准面在测量平面投影时的关系会出现3种不同的情况，如图2所示。图2中A、B为直径1 mm的频闪光源，矩形为天幕面在测量面上投影的光幕条，该光幕条是假想存在的一个区域。当频闪小光源进入天幕靶探测视场时，光通量的改变会引起天幕靶光电转换器件的光电流发生改变，此时，天幕靶有信号输出。通过平移台使天幕靶水平平移，分别记录天幕靶有无输出信号时天幕靶相对基准面的移动距离，就可以判定光幕条在测量面上的投影位置。

图2 天幕面与基准面在测量面的3种投影位置关系Fig.2 Relative position of sky screen and datum plane on measurement plane

一维平移平台带动天幕靶沿基准面垂直方向平移，使得测量面上的光幕条也随之水平平移，当光源A、B进入天幕靶视场时，通过游标卡尺可精确测量出天幕靶有无输出信号时的位置距离，即光源进入和离开天幕靶视场所移动的距离LA1、LA2、LB1、LB2。以第3种幕面位置为例，如图3所示，根据 (1) 式和 (2) 式即可计算出LA和LB。

(1)

(2)

由于天幕靶始终沿A、B投影的中垂线移动，因此O为AB中点，O′为MN中点。天幕面与基准面在测量面上的投影位置关系如图3所示，可得出天幕面与基准面的中心线的偏差OO′。

(3)

天幕面与基准面的空间位置如图4所示，可得出天幕面与水平面的偏差角度

(4)

式中：β为天幕面与水平面的垂直度误差；H为测量面距镜头主点的垂直距离。

在对天幕面对通过水平轴的铅垂面的垂直度进行检定时，熄灭A、B光源，开启C、D光源，将天幕靶镜头旋转90°朝向侧墙，使用上述方法即可检测。

图3 天幕面与基准面在测量平面上的投影Fig.3 Sky screen and datum plane projected on measurement plane

图4 天幕面与基准面空间位置示意图Fig.4 Spatial location of sky screen and datum plane

2 精度分析

根据误差传递公式，对天幕面偏差角度测量公式(4)全微分，可得到天幕面偏差角度测量误差与各观测值误差间的关系

(5)

式中：ΔH和ΔL分别为A、B光源所在水平面与天幕靶镜头主点之间的垂直距离测量误差和天幕靶移动距离的测量误差[10-11]。

1) 光源所在水平面与天幕靶镜头主点之间的垂直距离测量误差

光源与天幕靶的垂直距离指的是基准面内2个光源所在水平面与天幕靶镜头主点之间的距离，测量采用高精度的激光测距仪。由激光测距仪自身精度可知，3 m距离测距所带来的误差在1 mm以内，加上人员误差0.5 mm，ΔH=1.5 mm。

2) 天幕靶移动距离的测量误差

通过一维平移台带动天幕靶沿基准面垂直方向平移，并保证天幕靶始终沿光源A、B地面投影中垂线移动。引起天幕靶移动距离测量误差ΔL的主要原因可归纳为以下几点：

a) 基准面建立所带来的误差

基准面是指确定的光源A、B、C、D所在平面，并且为了提高精度，通过使用经纬仪的30X望远镜进行标定，使得基准面与水平面严格垂直。经纬仪自身精度2″，带入距离误差ΔL1=2 219×tan(±2″)=±0.215 mm；

b) 一维高精度平移台重复定位精度ΔL2=±0.003 mm；

c) 平移台移动距离误差

由测量面上的天幕面宽度可知，平移台移动距离在L=100 mm以内，误差ΔL3=0.02 mm；平移台水平方向的x和y轴夹角误差各为4″，垂直基准面移动方向的夹角误差为4″，换算成距离的误差为100-100×cos4″=1.88×10-7mm，可以忽略；

d) 根据《通用卡尺检定规程》JJG30-2002[12]，游标卡尺精度为0.02 mm，从而游标卡尺测量带来的误差为ΔL4=±0.02 mm；

e) 旋转一维平移台手柄移动天幕靶时，人为反应延滞时间所带来的距离误差ΔL5=±0.25 mm(一维平移台螺杆导程为5 mm)；

综上所述，天幕靶移动距离的测量误差ΔL为

(6)

3) 精度计算

A、B光源所在水平面与天幕靶镜头主点之间的垂直距离H=2 219 mm，一维平移台行程为L=0～400 mm，ΔH与ΔL已知。取天幕靶移动的极值，结合公式(6)可得天幕面与基准面偏移角度Δα。

若L=400 mm时，H=2 219 mm，ΔH=1.5 mm，ΔL=0.508 mm，Δβ=0.000 107 rad=0.368′<1′；

若L=0时，H=2 219 mm，ΔH=1.5 mm，ΔL=0.508 mm，Δβ=0.000 228 rad=0.784′<1′。

3 试验结果及分析

采用幕面空间参数检定方案进行试验验证，将实际测量数据与理论分析结果进行比对，最终确定天幕靶幕面位置检定装置的测量精度。调平天幕靶，使天幕靶幕面标志线与基准面重合，此时光幕面所在位置定为基准位置0′。α为天幕靶壳体倾斜角度；β0为天幕面位于基准位置(α=0′)时天幕面与基准面间的偏移角度；β为天幕靶从基准位置倾斜α时所测得的天幕面与基准面间的偏移角度；β0-α为当天幕靶壳体倾斜α角时天幕面与基准面间的理论偏移角度。

A和B光源所在平面距天幕靶镜头主点的距离为H0=2 219 mm，C和D光源所在平面距天幕靶镜头主点的距离为H1=1 998 mm。让天幕面从基准位置0′处倾斜2′、-2′、-5′，每种情况下，记录天幕靶缓慢移动通过光源A和B时，有信号输出位置的移动距离。如此每组反复测量4次，取平均值，得到LA1、LA2、LB1、LB2。根据 (1) 式和(2)式，计算出LA与LB，进而得到其所对应天幕面对水平面的垂直度的偏差角度，如表1所示。同理，可得到天幕面对通过水平轴的铅锤面的垂直度的偏差角度，如表2所示。

表1 天幕面对水平面的垂直度

表2 天幕面对通过水平轴的铅锤面的垂直度

4 结论

本文提出了一种不拆卸天幕靶对其幕面空间位置参数进行检测的方法。在基准面内安装特制频闪小光源，采用设定天幕靶输出阈值的方式，根据小光源作用在天幕靶上有信号输出时天幕靶相对基准面移动距离的测量，实现天幕靶幕面空间位置参数的检测。该检定方法弥补了以往天幕靶检测时需拆卸天幕靶的不足，确保天幕靶设备完整性与稳定性，节省了检测时间，试验结果表明该检测方法精度优于±1′。

[1] 倪晋平,魏建凯.天幕靶技术研究进展[J].西安工业学院学报,2011,31(7):589-596.

NI Jin-ping, WEI Jian-kai. Progress of sky screen technology research[J]. Journal of Xi′an Institute of Technology,2011,31(7):589-596.( in Chinese with an English abstract)

[2] 王铁岭. 天幕靶精度分析[J].兵工学报弹箭分册,1987(2):39-45.

WANG Tie-ling. The sky screen accuracy analysis[J]. Journal of Acta Armamentarii:Shoots the arrowfascicle,1987(2):39-45. (in Chinese with an English abstract )

[3] 董涛，倪晋平. 基于天幕靶的六光幕立靶测量原理[J].应用光学,2011,32(5):913-916.

DONG Tao,NI Jin-ping. Measurement principle of six-light-screen vertical target based on sky screen [J].Journal of Applied Optics,2011,32(5):913-916. ( in Chinese with an English abstract)

[4] 吴祥海, 徐诚, 周克栋.枪弹弹速测量的现状问题与发展[J]. 测试技术学报, 1994, 8(1):38-46.

WU Xiang-hai, XU Cheng, ZHOU Ke-dong. Present status of bullet velocity measurement its problems and development[J] .Journal of Test and Measurement Technology, 1994,8(1):38-46. ( in Chinese with an English abstract)

[5] 刘世平.弹丸速度测量与数据处理[M]. 北京: 兵器工业出版社, 1994.

LIU Shi-ping. Measurement of bullet velocity and data processing [ M ]. Beijing: Weapon Industry Press, 1994. (in Chinese)

[6] 王铁岭,倪晋平. 两种弹丸速度测试技术发展简述[J]. 西安工业学院学报,1997, 17(1): 29-30.

WANG Tie-ling, NI Jin-ping. Progress in two kinds of bullet velocity measurement[J]. Journal of Xi′an Institute of Technology, 1997,17(1): 29-30. ( in Chinese with an English abstract)

[7] 施浣芳，王铁岭，安莹，等.WJ2504-1998.天幕靶检定规程[S].北京：中国兵器工业总公司，1998.

SHI Huan-fang, WANG Tie-ling, AN Ying, et al. WJ2504-1998. verification regulation of sky screen target[S]. Beijing: Chinese Ordnance Industry Corporation,1998.(in Chinese)

[8] 冯斌,杨敏,杨翠萍.天幕靶光源的设计[J]. 弹道学报,2005,17(4):12-15.

FENG Bin, YANG Min, YANG Cui-ping. The design of the light source used with sky screen target[J].Journal of Ballistics,2005,17(4):12-15. ( in Chinese with an English abstract)

[9] 倪晋平,冯斌,田会,等.天幕靶用光源:中国，CN2004

20086340.2 [P]. 2006-02-22.

Ni Jin-ping ,FENG Bin ,TIAN Hui, et al. The light

source used with sky screen target: China, CN20042

0086340.2 [P]. 2006-02-22.(in Chinese)

[10]刘群华,施浣芳,闫秉先,等.红外光幕靶测速系统和精度分析[J]. 光子学报,2004,33(11):1409-1411.

LIU Qun-hua,SHI Huan-fang,YAN Bing-xian,et al. The infrared light screen system and and accuracy analysis[J]. Journal of Acta photonica sinica,2004,33(11):1409-1411. ( in Chinese with an English abstract)

[11]安莹,王铁岭.广角天幕靶精度分析[J].西安工业学院学报,1997,17(1):46-49.

AN Ying ,WANG Tie-ling. The wide angle sky screen accuracy analysis[J]. Journal of Xi’an Institute of Technology, 1997,17(1):46-49. ( in Chinese with an English abstract)

[12]全国几何量工程参量计量技术委员会. JJG30-2002通用卡尺检定规程[S].北京：中国计量出版社，2002.

The geometrical parameter measurement engineering technical committe. JJG30-2002. verification regulation of universal vernier caliper [S]. Beijing: China Metrology Press,2002.(in Chinese)