CN105675908A - 一种超空泡射弹的水下测速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超空泡射弹的水下测速装置，包括：相互平行且具有设定间距的第一水下靶和第二水下靶、第一信号滤波电路、第二信号滤波电路、第一信号放大电路、第二信号放大电路、基于DSP的测速装置。采用本发明的技术方案，可以适应水下30米以内、速度2000m/s以下的高速弹药的野外或室内测速需求，有较高的测速精度和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及水下弹药测速的技术领域，尤其涉及一种超空泡射弹的水下测速装置，进一步涉及一种基于定距测时原理的接触式水下通靶测速装置。
背景技术
现有弹药测速装置都是用于测量陆上弹药运动速度的，主要有线圈靶、天幕靶、声靶、线阵CCD、高速摄影、测速雷达等几种方法。由于天幕靶、声靶、高速摄影、测速雷达等方法受自然环境等影响不适合于水下弹药测速。由于实验条件的限制，对于水下弹药运动速度的测量方法也已开展过一些研究，但国内目前没有较成熟的测速装置，已往有采用密封防水线圈靶和光幕靶来测量水下弹丸运动速，具体如下：
文献1：狄长安，王昌明.线阵CCD测量水下枪弹速度的方法[[J].南京理工大学学报，200226(3)：1-4。阐述了一种用于水下枪弹技术研究的新型CCD速度测量系统，探讨了CCD布站方式、系统的工作原理及高速数据采集电路设计方法等，分析了该系统的测量误差。CCD测速准确度较差，同时对环境条件要求较高，水下需要安置光照系统，这对水下弹药的野外水下试验一般较难实现操作。
文献2：狄长安，孔德仁，王昌明.单个感应线圈在水下弹丸速度测量中的应用[J].南京理工大学学报，200731(6)：727-730。该论文为解决单个感应线圈测速精度较低的问题，提出了以特征半径代替线圈靶半径进行计算以及优化线圈匝数使感应线圈靶的工作带宽与感应电动势有效带宽相匹配的方法，使单靶测速精度提高到5％。采用感应线圈测量水下弹药速度，线圈缠绕的均匀一致性、弹丸过靶姿态、线圈厚度及由之引起的线圈靶的实际半径和等效半径的不一致等都将影响测量结果的不确定度；线圈靶处在注满水的密封压力容器中不便维修和置换；同时线圈靶测速装置的安装使用和环境要求使其水下测试可靠性差、精度低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种超空泡射弹的水下测速装置，可以适应水下30米以内、速度2000m/s以下的高速弹药的野外或室内测速需求，有较高的测速精度和可靠性。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
一种超空泡射弹的水下测速装置包括：相互平行且具有设定间距的第一水下靶和第二水下靶、第一信号滤波电路、第二信号滤波电路、第一信号放大电路、第二信号放大电路、基于DSP的测速装置；第一水下靶和第二水下靶均具有正负极，第一水下靶、第二水下靶组成接触型区域装置；其中，第一水下靶的正极、第二水下靶的正极分别连接电源的正极，第一水下靶的负极、第二水下靶的负极分别通过第三电阻和第四电阻连接电源的负极，所述第三电阻的一端与第一水下靶的负极连接，所述第三电阻的另一端与第一信号滤波电路的输入端连接，所述第四电阻的一端与第二水下靶的负极连接，所述第四电阻的另一端与第二信号滤波电路的输入端连接；第一信号滤波电路的输出端与第一信号放大电路的同相端连接，第二信号滤波电路的输出端与第二信号放大电路的同相端连接，第一信号放大电路的反相端和第二信号放大电路的反相端分别连接匹配电阻的一端，匹配电阻的另一端接地；第一信号放大电路的输出端、第二信号放大电路的输出端分别与基于DSP的测速装置的输入端连接；
当射弹通过触型区域装置时，产生≤12V的电压信号，所述电压信号通过信号滤波电路和信号放大电路进行滤波、放大处理后输出到基于DSP的测速装置，所述DSP的测速装置根据电压突变幅值判断射弹飞入和飞出设定间距的触型区域装置时刻，计算出飞过触型区域装置时间间隔，根据设定间距除以测量的时间间隔计算出射弹飞经触型区域装置的平均速度。
作为优选，所述第一、第二信号滤波电路为二阶有源低通滤波电路，其包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2、运算放大器A、负反馈电阻R3、分压电阻R4；其中，
在第一信号滤波电路中，第一电阻R1的一端连接于第三电阻的另一端，第一电阻R1的另一端连接于第一电容C1和第二电阻R2的一端，第一电容C1的另一端接地，第二电容C2的一端连接于第二电阻R2的另一端，第二电容C2的另一端接地，运算放大器的同向输入端连接于第二电阻R2的另一端和第二电容C2的一端，运算放大器的反向输入端连接于分压电阻R4的一端和负反馈电阻R3的一端，分压电阻R4的另一端接地，负反馈电阻R3的另一端和运算放大器的输出端连接于第一信号放大电路的同相端；
在第二信号滤波电路中，第一电阻R1的一端连接于第四电阻的另一端，第一电阻R1的另一端连接于第一电容C1和第二电阻R2的一端，第一电容C1的另一端接地，第二电容C2的一端连接于第二电阻R2的另一端，第二电容C2的另一端接地，运算放大器的同向输入端连接于第二电阻R2的另一端和第二电容C2的一端，运算放大器的反向输入端连接于分压电阻R4的一端和负反馈电阻R3的一端，分压电阻R4的另一端接地，负反馈电阻R3的另一端和运算放大器的输出端连接于第二信号放大电路的同相端。
作为优选，第三电阻、第四电阻均为8-10Ω，匹配电阻为4-5Ω，第一电阻R1、第二电阻R2均为510Ω，分压电阻R4、负反馈电阻R3均为30KΩ，第一电容C1、第二电容C2为1μF。
本发明测速装置采用定距测时法测速，在水下弹药航行弹道的某一段上预先确定好距离L上安装本装置的测速靶，该测速靶在弹药着靶瞬间接通，靶上电压值阶跃约8伏，采用嵌入式系统测量和记录弹药穿过这段距离上两个测速靶所经历的时间，然后可换算出弹药在这段距离上航行的平均速度。采用本发明的技术方案，可以适应水下30米以内、速度2000m/s以下的高速弹药的野外或室内测速需求，有较高的测速精度和可靠性。
附图说明
图1是本发明水下测速装置的系统组成及工作原理图；
图2是本发明水下测速装置的抗干扰滤波电路示意图；
图3是本发明水下测速装置的水下安装布置示意图；
图4是本发明水下测速装置的实际使用采集数据曲线。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种超空泡射弹的水下测速装置，适用于超空泡射弹弹药，包括：相互平行且具有一定间隔的第一水下靶和第二水下靶、第一信号滤波电路、第二信号滤波电路、第一信号放大电路、第二信号放大电路、基于DSP的测速装置；其中，第一水下靶和第二水下靶分别以可在水下使用、具有金属导通功能的覆铜板作为接触性靶纸，第一水下靶和第二水下靶均具有正负极，第一水下靶、第二水下靶组成接触型区域。
第一水下靶的正极、第二水下靶的正极分别连接电源的正极，第一水下靶的负极、第二水下靶的负极分别通过第三电阻和第四电阻连接电源的负极，所述第三电阻的一端与第一水下靶的负极连接，所述第三电阻的另一端与第一信号滤波电路的输入端连接，所述第四电阻的一端与第二水下靶的负极连接，所述第四电阻的另一端与第二信号滤波电路的输入端连接；第一信号滤波电路的输出端与第一信号放大电路的同相端连接，第二信号滤波电路的输出端与第二信号放大电路的同相端连接，第一信号放大电路的反相端和第二信号放大电路的反相端分别连接匹配电阻的一端，匹配电阻的另一端接地；第一信号放大电路的输出端、第二信号放大电路的输出端分别与基于DSP的测速装置的输入端连接；其中，第三电阻、第四电阻分别为8-10Ω，匹配电阻为4-5Ω。
如图2所示，所述第一、第二信号滤波电路为二阶有源低通滤波电路，其包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2、运算放大器A、负反馈电阻R3、分压电阻R4。其中，在第一信号滤波电路中，第一电阻R1的一端连接于第三电阻的另一端，第一电阻R1的另一端连接于第一电容C1和第二电阻R2的一端，第一电容C1的另一端接地，第二电容C2的一端连接于第二电阻R2的另一端，第二电容C2的另一端接地，运算放大器的同向输入端连接于第二电阻R2的另一端和第二电容C2的一端，运算放大器的反向输入端连接于分压电阻R4的一端和负反馈电阻R3的一端，分压电阻R4的另一端接地，负反馈电阻R3的另一端和运算放大器的输出端连接于第一信号放大电路的同相端。在第二信号滤波电路中，第一电阻R1的一端连接于第四电阻的另一端，第一电阻R1的另一端连接于第一电容C1和第二电阻R2的一端，第一电容C1的另一端接地，第二电容C2的一端连接于第二电阻R2的另一端，第二电容C2的另一端接地，运算放大器的同向输入端连接于第二电阻R2的另一端和第二电容C2的一端，运算放大器的反向输入端连接于分压电阻R4的一端和负反馈电阻R3的一端，分压电阻R4的另一端接地，负反馈电阻R3的另一端和运算放大器的输出端连接于第二信号放大电路的同相端。R1C1、R2C2为RC低通滤波环节，负反馈电阻R3用于保证集成运算放大器工作在线性区域，分压电阻R4用于提供成运算放大器的反馈电压；信号输入后，经低通滤波环节R1C1、R2C2二阶滤波，滤去信号中的频率较高干扰信号，最后经集成运算放大器处理后输出信号；电路中，第一电阻R1、第二电阻R2均为510Ω，分压电阻R4、负反馈电阻R3均为30KΩ，第一电容C1、第二电容C2为1μF，运算放大器采用LM725。
所述基于DSP的测速装置为基于MSP430F149单片机，进行了电源电路、复位电路、时钟电路、信号调理电路、人机接口电路、通信接口电路等设计，开发了嵌入式系统软件和上位机软件，并采取了相应的硬、软件抗干扰措施，研制了具有信号采集、存储、处理、显示、通信等功能的测速系统。
本发明的超空泡射弹的水下测速装置工作原理如下：所述接触型区域装置产生信号，当射弹通过触型区域装置时，接通电源，产生≤12V的电压信号；该信号先通过信号滤波电路的滤波处理与整形，滤去信号中的频率较高干扰信号，然后经信号放大电路的放大处理后然后输入到基于DSP的测速装置，DSP的测速装置完成信号采集，根据电压突变幅值判断射弹飞入和飞出设定间距的触型区域装置时刻，计算出飞过触型区域装置时间间隔，根据设定距离除以测量的时间间隔计算出射弹飞经触型区域装置的平均速度。
水下靶的接触型区域装置是采用直接的机械作用的方法来导通电路而产生的电脉冲信号的一类装置。该装置在水下可以形成一个实际存在的靶面，并通过该靶面拦截弹丸而直接产生的机械作用。在复原状态下水下靶的靶开关闭处于断开状态，当弹丸穿靶时，弹丸与靶产生机械作用，弹丸的两端与水下靶的正、负极接通，此刻输出端从低电平状态翻转为高电平状态。这样由低电平跳变为高电平状态产生的电信号为正脉冲信号。当弹丸穿靶并使靶接通时电平翻转上升是一个瞬态过程，上升沿基本不抖。
如图3所示，第一水下靶、第二水下靶别为提供启动信号和停止信号的区截装置，两区截装置之间的弹道线长度L通常叫做靶距。在测速中，第一个区截装置启动测时仪开始记时，第二个区截装置终止测时仪时。测量时间T代表了弹丸飞过靶距L经历的时间。测出靶距L和时间T，由此换算弹丸在距离L上的平均速度。
在水下测速试验过程中，将两个水下靶垂直放在露天水池中设定好的区域里，记录靶的坐标位置，并将两个水下靶的信号线接通到基于嵌入式系统的测速装置，通过直流稳压电源给水下靶加上12V的直流电压，测速装置分别采集记录两个靶上电压变化情况。通过计算两个靶上电压突变先后的时间Δt，可计算弹丸穿过两个测速靶所用的时间，由于两靶的水平距离和放置时所成的角度已知，可算出弹丸在水中的航行距离，从而能求出弹丸穿过这段距离的平均速度。如图4所示，试验验证了本发明的水下测速装置中水下靶纸被穿透之后，电压的跳变明显，从而确定了此方案的可行性。
本发明与现有技术相比，解决了水下弹药测速存在干扰因素多、环境压力变化大、测速靶难于完全密封等问题，其显著优点是：
1、测速精度高，测速精度可达1％。
2、可靠性高，采用接触式测速方式，测速装置的触发可靠，受干扰小。
3、采用覆铜板作为水下靶纸，可适应水下难于密封的特点，安装使用方便。
4、该测速装置具有可重复使用的特点，试验中无须每发弹试验更换靶纸，使用方便、成本低。
5、通过测量记录水下靶的安装位置，通过记录弹丸着靶的位置和姿态，该装置也可初步测量弹丸水下航行坐标和航行姿态。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种超空泡射弹的水下测速装置，其特征在于，包括：相互平行且具有设定间距的第一水下靶和第二水下靶、第一信号滤波电路、第二信号滤波电路、第一信号放大电路、第二信号放大电路、基于DSP的测速装置；第一水下靶和第二水下靶均具有正负极，第一水下靶、第二水下靶组成接触型区域装置；其中，第一水下靶的正极、第二水下靶的正极分别连接电源的正极，第一水下靶的负极、第二水下靶的负极分别通过第三电阻和第四电阻连接电源的负极，所述第三电阻的一端与第一水下靶的负极连接，所述第三电阻的另一端与第一信号滤波电路的输入端连接，所述第四电阻的一端与第二水下靶的负极连接，所述第四电阻的另一端与第二信号滤波电路的输入端连接；第一信号滤波电路的输出端与第一信号放大电路的同相端连接，第二信号滤波电路的输出端与第二信号放大电路的同相端连接，第一信号放大电路的反相端和第二信号放大电路的反相端分别连接匹配电阻的一端，匹配电阻的另一端接地；第一信号放大电路的输出端、第二信号放大电路的输出端分别与基于DSP的测速装置的输入端连接；
当射弹通过触型区域装置时，产生≤12V的电压信号，所述电压信号通过信号滤波电路和信号放大电路进行滤波、放大处理后输出到基于DSP的测速装置，所述DSP的测速装置根据电压突变幅值判断射弹飞入和飞出设定间距的触型区域装置时刻，计算出飞过触型区域装置时间间隔，根据设定间距除以测量的时间间隔计算出射弹飞经触型区域装置的平均速度。
2.如权利要求1所述的超空泡射弹的水下测速装置，其特征在于，所述第一、第二信号滤波电路为二阶有源低通滤波电路，其包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2、运算放大器A、负反馈电阻R3、分压电阻R4；其中，
在第一信号滤波电路中，第一电阻R1的一端连接于第三电阻的另一端，第一电阻R1的另一端连接于第一电容C1和第二电阻R2的一端，第一电容C1的另一端接地，第二电容C2的一端连接于第二电阻R2的另一端，第二电容C2的另一端接地，运算放大器的同向输入端连接于第二电阻R2的另一端和第二电容C2的一端，运算放大器的反向输入端连接于分压电阻R4的一端和负反馈电阻R3的一端，分压电阻R4的另一端接地，负反馈电阻R3的另一端和运算放大器的输出端连接于第一信号放大电路的同相端；
在第二信号滤波电路中，第一电阻R1的一端连接于第四电阻的另一端，第一电阻R1的另一端连接于第一电容C1和第二电阻R2的一端，第一电容C1的另一端接地，第二电容C2的一端连接于第二电阻R2的另一端，第二电容C2的另一端接地，运算放大器的同向输入端连接于第二电阻R2的另一端和第二电容C2的一端，运算放大器的反向输入端连接于分压电阻R4的一端和负反馈电阻R3的一端，分压电阻R4的另一端接地，负反馈电阻R3的另一端和运算放大器的输出端连接于第二信号放大电路的同相端。
3.如权利要求1或2所述的超空泡射弹的水下测速装置，其特征在于，第三电阻、第四电阻均为8-10Ω，匹配电阻为4-5Ω，第一电阻R1、第二电阻R2均为510Ω，分压电阻R4、负反馈电阻R3均为30KΩ，第一电容C1、第二电容C2为1μF。
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