摘要：后坐位移是火炮設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，它關(guān)系到火炮射擊過程中的穩(wěn)定性、精度以及整體性能。為了準(zhǔn)確測量火炮的后坐位移，本文介紹了一種采用激光測振儀進(jìn)行測量的新方法。該方法基于多普勒效應(yīng)和激光外差干涉原理，通過測量火炮后坐過程中產(chǎn)生的多普勒頻移來計(jì)算位移量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較高的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，為火炮的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有力的支持。
關(guān)鍵詞：火炮；后坐位移；激光測振儀；多普勒效應(yīng)；激光外差干涉
一、引言
火炮后座運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，與炮身、彈丸、炮架等構(gòu)件的綜合響應(yīng)密切相關(guān)。后坐位移作為火炮射擊過程中的重要參數(shù)之一，對于評估火炮的性能和可靠性具有重要意義。通過測量后坐位移，可以了解火炮在射擊過程中后坐機(jī)構(gòu)的工作特性，如后坐機(jī)構(gòu)復(fù)進(jìn)是否平穩(wěn)、各構(gòu)件之間撞擊引起的速度變化是否合理等。這些信息對于火炮的可靠性設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化以及仿真模型的完善都具有重要的指導(dǎo)意義。
目前，火炮后坐位移的測量方法主要包括激光CCD法、高速攝影法和激光測振法等。其中，激光CCD法通過激光束照射在后坐表面形成漫發(fā)射，再通過敏感元件的光斑距離反算得到后坐位移。然而，該方法對于測量環(huán)境的要求較高，且容易受到外界因素的干擾。高速攝影法則是通過快速拍攝射擊過程中的后坐機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，再通過圖像處理獲得其位移和速度等參數(shù)。但這種方法只適用于單發(fā)射擊，對于高速連發(fā)射擊時(shí)的測量誤差較大。相比之下，激光測振法具有非接觸式測量、空間分辨率高、響應(yīng)頻帶寬等優(yōu)勢，更適合于火炮后坐位移的測量。
二、激光測振儀測量原理及系統(tǒng)組成
（一）測量原理
激光測振儀是基于多普勒效應(yīng)和激光外差干涉原理來測量物體速度和位移量的。當(dāng)激光束照射到運(yùn)動(dòng)的物體表面時(shí)，由于物體表面的反射作用，激光束會(huì)發(fā)生多普勒頻移。這一頻移的大小與物體的運(yùn)動(dòng)速度成正比，與激光的頻率、波長以及光與物體之間的夾角等因素有關(guān)。通過測量多普勒頻移的大小，可以計(jì)算出物體的運(yùn)動(dòng)速度。進(jìn)一步地，通過對速度的積分處理，可以得到物體的位移量。
激光測振法的測量原理圖如圖1所示。激光器發(fā)出頻率為f的信號(hào)光束，經(jīng)過分光棱鏡照射到被測物體表面。被測物體產(chǎn)生振動(dòng)后，反射回來的光束會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移Δf。這一頻移信號(hào)與參考光束在光電探測器中發(fā)生干涉，產(chǎn)生包含多普勒頻移的干涉信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過后端的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)后，可以得到物體的運(yùn)動(dòng)速度和位移量。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1 激光測振法測量原理圖
（二）系統(tǒng)組成
激光測振儀測量系統(tǒng)主要由激光器、控制器、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)等組成。具體介紹如下：
激光器：激光器是測量系統(tǒng)的核心部件之一，它負(fù)責(zé)發(fā)出激光束并照射到被測物體表面。本文采用的激光器，其測量波長為1550nm，指示波長為635nm，光斑大小為22um。該激光器具有穩(wěn)定性高、體積小巧、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。
控制器：控制器用于調(diào)節(jié)激光器的光學(xué)參數(shù)并接收光電探測器輸出的信號(hào)?？刂破骶哂兴俣任灰齐p輸出功能，可以將信號(hào)由頻率變化轉(zhuǎn)化為電量變化。同時(shí)，它還含有模擬濾波器，可以設(shè)置高通濾波和低通濾波以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的去噪處理。
數(shù)據(jù)采集儀：數(shù)據(jù)采集儀負(fù)責(zé)捕獲控制器輸出的電壓信號(hào)并進(jìn)行處理。本文采用德維創(chuàng)公司的DEWE-30-8采集儀，其內(nèi)部具有電壓信號(hào)調(diào)理模塊和電路隔離模塊，可以測量（0.01～50）V的電壓范圍，滿足LV-FS01控制器輸出電壓（0～10）V的測量要求。同時(shí)，它還可以設(shè)定濾波器以進(jìn)一步對信號(hào)進(jìn)行降噪處理。
計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)是整個(gè)測量系統(tǒng)的控制和處理中心。它負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集儀傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)，并通過多功能數(shù)據(jù)采集卡將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。同時(shí)，計(jì)算機(jī)還可以對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到火炮的后坐位移和速度等參數(shù)。
此外，為了保證測量的準(zhǔn)確性，測量系統(tǒng)還需要配備三腳架、反光紙等輔助設(shè)備。三腳架用于固定激光器并確保其穩(wěn)定性；反光紙則粘貼在被測物體表面的一半?yún)^(qū)域以增加反射光的強(qiáng)度。
三、實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)分析
（一）實(shí)驗(yàn)方法
為了驗(yàn)證激光測振儀在火炮后坐位移測量中的可行性和準(zhǔn)確性，本文進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)對象為某型火炮，在水平射擊條件下進(jìn)行后坐位移的測量。實(shí)驗(yàn)步驟如下：
將激光器固定在三腳架上，并通過可調(diào)節(jié)云臺(tái)控制激光光斑上下左右移動(dòng)，確保激光光束垂直入射到被測物體表面。
將反光紙粘貼在火炮后坐表面的一半?yún)^(qū)域以增加反射光的強(qiáng)度。
連接激光器、控制器、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)等設(shè)備，確保系統(tǒng)正常工作。
進(jìn)行射擊實(shí)驗(yàn)，并記錄火炮的后坐位移數(shù)據(jù)。
對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到火炮的后坐位移和速度等參數(shù)。
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（二）數(shù)據(jù)分析
采用上述實(shí)驗(yàn)方法，對某型火炮在水平射擊條件下的后坐位移進(jìn)行了測量。同一射擊狀態(tài)進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)，得到的測量結(jié)果如圖2所示。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2 火炮后坐位移變化曲線
從圖中可以看出，三次實(shí)驗(yàn)得到的后坐位移曲線形態(tài)一致，具有較好的重復(fù)性。射擊開始時(shí)，火炮產(chǎn)生較大的后坐位移量，隨后隨著彈丸能量的消退，后坐機(jī)構(gòu)開始復(fù)位。由于后坐機(jī)構(gòu)在復(fù)位過程中存在一定的慣性作用，因此會(huì)產(chǎn)生一定的過沖現(xiàn)象。之后，后坐機(jī)構(gòu)再次向前運(yùn)動(dòng)至某個(gè)位置后停止運(yùn)動(dòng)并回到初始位置零點(diǎn)。
對三次實(shí)驗(yàn)得到的后坐位移數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，可以得到以下結(jié)論：
三次實(shí)驗(yàn)得到的最大后坐位移量分別為-29.9mm、-30.23mm和-29.47mm，相差較小且在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。這表明激光測振儀在火炮后坐位移測量中具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
后坐機(jī)構(gòu)在復(fù)位過程中存在一定的過沖現(xiàn)象和往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這是由于后坐機(jī)構(gòu)在射擊過程中受到較大的沖擊力作用而產(chǎn)生一定的彈性變形和慣性作用所致。因此，在火炮的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中需要充分考慮后坐機(jī)構(gòu)的剛度和阻尼等參數(shù)以提高其穩(wěn)定性和可靠性。
通過對比三次實(shí)驗(yàn)得到的后坐位移曲線可以看出其具有較好的重復(fù)性。這表明激光測振儀在火炮后坐位移測量中具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，可以為火炮的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有力的支持。
此外，還對三次實(shí)驗(yàn)得到的后坐位移數(shù)據(jù)進(jìn)行了微分處理，得到了火炮后坐速度的變化曲線如圖3所示。
圖3 火炮后坐速度變化曲線
從圖中可以看出，在射擊開始時(shí)火炮的后坐速度迅速增大至最大值，隨后逐漸減小至零并反向增大至某個(gè)值后再逐漸減小至零。這是由于火炮在射擊過程中受到較大的沖擊力作用而產(chǎn)生較大的后坐速度，隨后隨著彈丸能量的消退和后坐機(jī)構(gòu)的復(fù)位作用而逐漸減小至零并反向運(yùn)動(dòng)。通過對比三次實(shí)驗(yàn)得到的后坐速度曲線可以看出其也具有較好的重復(fù)性。
四、結(jié)論與展望
本文通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了激光測振儀在火炮后坐位移測量中的可行性和準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有較高的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，可以為火炮的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有力的支持。與傳統(tǒng)測量方法相比，激光測振法具有非接觸式測量、空間分辨率高、響應(yīng)頻帶寬等優(yōu)勢更適合于火炮后坐位移的測量。
然而，在實(shí)際應(yīng)用中還需要注意以下幾個(gè)方面的問題：一是測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度需要進(jìn)一步提高以滿足更高精度測量的需求；二是需要充分考慮測量環(huán)境對測量結(jié)果的影響并采取有效的措施進(jìn)行補(bǔ)償和修正；三是需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的分析和處理以提取更多有用的信息為火炮的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供更有力的支持。
展望未來，隨著激光技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，激光測振儀在火炮后坐位移測量中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛和深入。同時(shí)，也可以將其應(yīng)用于其他武器裝備的微小位移測試中展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景。因此，有必要繼續(xù)加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用推廣工作以推動(dòng)其在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
《激光測振儀在火炮后坐位移測試中的應(yīng)用》?周 琦 陳前昆 李盼菲( 中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所)