舰炮对空脱靶量测量声传感器阵设计

随着现代科学技术和军事装备的发展，军事装备试验与鉴定在国防科研和装备建设 中发挥 着越来越重要 的作用 J、炮武器系统的试验与鉴定是舰炮武器从设计到装备部队使用过程中不可缺少的重要环节，是装备性能和质量的根本保证 、炮 武器系统作 为现代海 战中进攻和防御体系的重要组成部分 ]，其最基本 、最重要 的战术指标是射击精度。有了射击精度结果 ，就可以定量分析计算舰炮武器系统对射击目标的命中概率和毁伤概率，从而可以科学准确地评价舰炮的射击效力及综合性能 。

在射击过程中，系统根据观测设备测得的脱靶量实时对舰炮的射击诸元进行修正，从而达到提高射击精度 的目的。

脱靶量测量对于鉴定和评估攻击性武器的性能起着关键的收稿 日期 ：2012-8作用，是靶场测量任务的核心内容之-4]。脱靶量测量的关键是弹靶遭遇段相对运动轨迹的测量，其实质是空间目标的定位问题[5]、炮对空射击脱靶量测试的目的和用途是为了测量舰炮武器系统的对空射击精度及射击效力(命中概率和毁伤概率)；检测具有测偏功能的雷达和光电跟踪仪的测偏精度；并为试验组织指挥人员现场提供指挥与决策依据。

1 测量方案的选择舰炮武器系统主要任务是打击海面 目标 、空中 目标 、近程反导和对岸火力支援等 ]、炮武器系统炮弹弹丸体积孝飞行速度快 、出膛后不可控制、同时留空的弹丸数量多且密集、要求脱靶量精度高。这些特点造成测量脱靶量极为困难。

虽然从 目前脱靶量测试技术发展和国内外应用来看 ，中国科技核心期刊己口I己年 I己月第]I卷 第 1己期无线电(雷达)和光学脱靶量测量方法发展较早 ，应用较为广泛 。但其测量方法和手段主要适用于导弹 、火箭炮和大 口径炮弹的脱靶量测量 ，而对于汹径高射速火炮 的脱靶量测试并不很适用。针对舰炮武器系统的使命任务和特点，测量方案的选择必须与其相适应，而声传感器技术的发展为建立这样-个测试系统提供 了必要 的条件。声学方案的特点是在舰炮对 空中靶标射击时 (见 图 1)对弹丸进行近距离测量 ，声传感器安装在靶标上 。它对弹丸尺寸无特殊要求，只要求弹丸速度达到超音速。这种方案具有漏测概率孝测量精度 高、研制经费低、实时和适用性强、工程上易实现等优点，不仅能适应汹径高射速舰炮，还能兼顾中、大口径舰炮 ，并且无论是陆上还是海上对空射击试验都能适用。

图 1 对空射 击示 意研 究 与 开 发如图 3所示 ，当弹丸激波扫过检测点时，其空气压力迅速从静态压力P。增到超压P。十P ，并随时间和空间衰减到次压 P。-P ，最后恢复到到 P。m。理想状态下 r -r ≈O， 是弹丸激波时问宽度 。

P Pl图 3 激波信号由理论分析和实验证明，激波的压力幅值和时间宽度与传播距离存在-定关系，这是声学测量原理应用于测量脱靶量领域的基础 ，只要测得激波信息即可得到脱靶量。

为了测量脱靶向量，必须建立空间传感器阵测量多点的激波信号，并采取有效 的时间间隔测量方法 ，保证激波到达各传感器时间差的测试精度 ]，提取所需激波的时间宽度和各激波出现的时间，进行预处理和调制成脉冲调制编码(pulse code modulation，PCM)，传送给地 面接收站。

地面站将接收到的 PCM码解调并作同步处理后输入计算机 。计算机则根据被测物的运动模型，进而对原始数据进行处理 ]，通过坐标转换、数据滤波 ，最后得到 以瞄准中心为坐标原点的脱靶量测量值和炮手坐标系下的脱靶量 角 。

2 声学测量基本原理 3 声传感器阵设计当弹丸以超音速通过大气层时，空气受到扰动而形成疏密变化的压力波。在 弹道上各点，波前波后的轨迹形成- 个，如图 2所示，顶点在弹丸头部和尾部的锥体，波前呈- 锥面 ，锥面的半角 撒于弹丸飞行速度与声音传播速度之比 (sin/- 1/M )，在弹道上每-点 ，弹丸都将产生- 个运动方向与波前垂直并 以声速传播的压力波。图中 d是弹道上 P日点产生的弹丸激波到声传感器之间的距离 。

图 2 激波声传感器阵由外声传感器组成 ，通过传感器阵支架安装在靶标上。预处理器电子盒 、发射机 、电池组等安装在靶体内部，传感器阵和天线装在靶体外部 ，声传感器阵装靶图，如图 4所示 。

传感器阵 电子盒 电池组 靶体 . ]1图 4 声传感器阵装靶3.1 声传感器的选择及设计传感器是系统 中的重要部件，其性能的好坏直接影响整个系统的质量[1。声传感器的任务是检测超音速弹丸产生的激波 ，要求测量出激波的时间宽度 丁F及各激波间的时间差 。这样就要求传感器所再现激波的前后沿上升时间基本-致，这是传感器的设计思想。

声传感器所采集的激波信号是单 次的、瞬态的，成功中国科技核心期刊 - 33 - 与 jill捕获激波信号主要撒于触发的可靠性[1 。对于测量弹丸激波的声传感器，由于其使用环境的特殊性，即微压 、瞬态 、强背景噪声、全方位入射等，应具有高灵敏度 、高频响、宽测量范围及强过载能力和全向性。根据上述几项特殊技术要求及对各种传感器特性 的分析，相对而言，选压电式传感器比较合适 ，其结构 ，如图 5所示。这种类型的传感器具有-定的灵敏度，有较高的固有频率和较强的抗过载能力。因为压电式传感器的感压膜 片可采用不锈钢材料 ，是完全密封形式，因此易做到三防，抗 冲击振动能力强，且后续电路简单可靠 。

1-本体 ；2-感压杯；3-补偿杯 ；4-晶体杯5-导线 ；6-绝缘衬套 ；7-插芯座图 5 压电式声传感 器结 构在制作过程中，采用下列特殊技术措施 ：1)利用感压杯粘贴压电晶体片技术，以解决高灵敏度和高频响互为矛盾的要求。

2)减少感压面积和增设有谐振腔 的鼻锥，以旧能地降低气流强背景噪声的影响和提高全向性 。

4)结构和尺寸：流体弹头外形，其鼻锥 内腔与声传感器敏感面形成谐振腔 ，感受面直径≤1/4 in。要求结构简单可靠，便于安装 ，要能在飞行条件下正成靠工作。

对于声传感器的设计要求：1)频响：为满足 中、小 口径舰炮脱靶量测试 ，要有较高的频率测量精度，并兼顾测量的准确性和实时性[1 ，根据弹丸 口径 ，传感器的固有频率 ≥150 kHz。

2)灵敏度：由于激波的压力峰值范围分布很宽，所 以要求激波灵敏度很高，至少为≥0.01 mV/Pa。

3)测量范 围：要求传感 器测量 范围很宽 ，约 100～2 000 Pa。

4)过载能力 ：传感器在高速飞行 中，有很强 的背景噪音起作用，需传感器有较强的过载能力 ，静态和动态 过载能力要达到 20 000 Pa。

5)全向性 ：在实 际测试 中，弹丸是来 自不 同的方 向的。激波斜入射时的上升时间要大于按激波正入射时计算的上升时间值 ，产生不同入射方向的上升时间有很大差别 ，严重影响测试精度 。为了满足测试要求传感器应具有全 向性 ，或使上升时间在某-个小范围内变化。所 以要34 -2D l己年 I己月第]l卷 第 1己期 ---求前后沿上升斜率差要不大于±1O 。

3.2 传感器阵物理模型设计传感器阵物理模型的设计 1)考虑传感器和阵架对激波传播的影响。为了旧能地减少对激波品质的影响，传感器和阵架尺寸应接近或小于激波的波长 ，而使激波与其相遇时产生衍射 ，同时传感器的位置应置于衍射死 区”以外。2)物模尺寸应旧能小，从 而能够 较易安装在靶标上。3)传感器尺寸和阵架刚度的限制 ，因为在靶飞行条件下必须保证传感器阵尺寸不能变化 ，否则将导致测试精度大幅度下降。

为了兼顾响应时间和测试精度的要求 ，通过大量的计算和实验 ，最终确定了基本物理模型 ，如图 6所示 ：阵架 由中心支杆和传感器支臂组成 ，使 4个声传感器位于正四面体的 4个顶点，第 5个声传感器位于中心支杆顶 点，过正四面体形心且与底面-条中线平行的平行线上。总重(含传感器和电缆)应尽量的轻。

I1)J -]、上 上 l/ 丑自～ r目r----r I I r传感器 螺套 夹头 阵本体图 6 传感器与阵架声传感器阵正四面体结构使 4个传感器首遇激波的机会均等，以保证首遇传感器检测的激波 品质 ；同时结构稳定，飞行时不易左右翻滚 、亿；正四面体几何关系简单 ，便于建立数字模型；而阵边长 的选定则保证了系统 的响应时间和激波绕过架体的品质。

4 试验验证在确立了声学测量方案和成功完成声传感器阵设计的基础上 ，为验证其正确性与可行性 ，进行了空中射击验证试验。

将声传感器阵安装在空中靶标上 ，在 目标飞距 1 000 m时 ，用某型舰炮向靶标连续发射穿甲弹。在靶标被瞬间击毁前，共传回 7组弹丸信号，将接收到的测量数据处理后 ，得到 7发弹丸的脱靶量偏差数据 ，其脱靶量偏差统计值和弹目散布图如图 7所示。

试验后 ，将测得数据与其他设备的测偏数据对照，弹丸脱靶距离和方向基本-致。试验结果表明，对空中运动目标射击时，利用声传感器 阵能够 自动测量脱靶量偏差，并提供正确的脱靶量测试结果 。

中国科技核心期刊己口I己年 I己月第]I卷 第 1己期 研 究 与 开 发y 10m、 、。

散布： ：-3.63 nq 中心： -0.81 m 记录弹数：7图 7 弹 目散布5 结束语本文完成了舰炮对空脱靶量测试方案的选择和声传感器阵的设计 。在传感器的选择上满足 了高灵敏度 、高频响、宽测量范围及强过载能力和全向性的特点。而传感器阵物理模型的设计，则兼顾了响应时间和测试精度的要求，同时减小物模尺寸，以利于在靶标上的安装。从舰炮武器系统试验应用结果来看 ，该设计思路得到了成功验证。