薛树鹏，刘海艳，佐峰宇，杨秀敏，刘洋洋 赵宇
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摘要：高射速火炮连发时的初速测量一直是高射速火炮实验测试的重点和难点，随着世界军事装备及防空武器的发展，小口径高射速火炮已经成为现代防空反导的主要武器。火炮在使用过程中，初速的变化对射击精度有直接的影响，所以要求在不同的环境和射击条件下能准确提供弹丸初速的准确值，以便能够自动修正射击参数。
关键词：高射速火炮连发初速；测量技术；
前言：弹丸超高速连续发射时,由于炮口附近强烈的火焰噪声严重影响弹丸回波的特性。因此,测速雷达系统并不在弹丸出膛瞬间对初速进行直接测量,而是首先通过一部弹丸出膛时刻测定雷达,确定出弹丸出膛的时刻,为测速雷达系统提供时间零点,然后,通过另一部速度测量雷达测量弹丸飞行后效期结束后,弹道上若干点的速度,最后,进行数据外推处理得到弹丸初速。
一、高射速火炮连发初速测量需要解决的问题
1. 1 计算试射诸元需要使用精确的初速值，初速误差是舰炮射击误差的主要因素之一。初速修正的前提是测速雷达测量了已发射弹的初速值，对后续射弹进行修正。但是，目前试射时计算射击诸元所用初速值为火控台人工装定的初速估计值，由于弹丸初速影响因素复杂，估计初速有误差使试射精度低。所以，计算试射诸元需要使用精确的初速以提高试射精度。
1. 2 初速修正和射击校正对预估初速误差进行了重复修正。初速修正是指火控根据估计初速值( 有误差) 、气象条件和目标位置坐标等信息，计算射击诸元，发射后测速雷达测量弹丸初速，火控根据实测初速值预测下一发初速用于诸元计算，由于预测初速值的精度高于估计初速值，所以，火控自动对预估初速误差进行了修正。射击校正是指人员利用弹着点相对目标或提前点偏差，对后续弹射击诸元进行校正。弹着点相对目标或提前点偏差反应了火炮射击的综合误差，即包括预估初速误差，也包括其他误差。可见，射击校正和初速修正对预估初速误差均进行了修正，即进行了重复修正，不利于射击精度的提高。
1. 3 当射击距离变化时需要火控提供合理的距离校正量。虽然对海射击时跟踪雷达能够测量弹着偏差，但是，射击距离的改变会引起弹着偏差的改变。当射击距离变化时，不能简单地根据已测弹着偏差确定对后续弹的射击校正量。对海上运动目标射击，射击距离不断变化，需要火控提供合理的距离校正量以提高校射精度。
1. 4 火控需要使用测速雷达实测数据计算冷膛修正量。火炮发射第一发弹炮膛为冷膛，冷膛对弹丸初速有较大影响，最终影响弹着落点。过去常采用经验做法确定第一发弹的冷膛修正量，确定的冷膛修正量不准确，由此带来两个问题: 其一为首发弹射击精度低;其二为根据试射弹着偏差确定校正量时难以剔除首发冷膛的影响，使校射精度低。冷膛的影响反映在初速上，火控需要使用测速雷达实测数据确定冷膛修正量。
二、高射速火炮连发初速测量技术
1.群目标分辨能力。由于高射速火炮连发时，射速在万发／min以上，因此对测速准备的群目标分辨能力要求更高。区域装置法测速精度不够，无法区分多个目标，显然无法满足高射速火炮初速测量需求。测速雷达虽然技术上从原来的时域分析转变为频域分析，根据测量需求的不断改进，发展到采用时频分布方法来进行联合分析，群目标分辨能力不断提高，但仍然无法满足高射速弹丸连发时的群目标分辨能力。测速雷达采用时频分析方法，根据前后两个目标在不同时间上的速度下降量的不同，引起目标多普勒频率不同，来区分多目标信息。
，时频分析法对800发／min射频的这5连发弹丸达到了很好的区分效果，但在高射速条件下，极短时间间隔内，弹丸的速度下降量是有限的；而对应的采样时间相同时，雷达分辨率是固定的。此外由于装药量误差、身管受热弯曲、药室容积变化等因素，连发状态下各弹丸速度存在一定散布。仅从速度下降量来区分各弹丸目标容易发生模糊。如出炮口速度散布为1％，引起的各发弹丸速度散布在12 m／s；各弹丸速度忽快忽慢，容易发生速度上的模糊，采用时频分辨方法无法实现有效分辨。，由于不同机枪之间的速度散布较大，且射频较高时，前后弹丸目标在时频图中可能出现重叠现象，很难分辨。
2．2 高速启动技术。高速启动技术是启动器的关键技术，启动器的主
要任务是给出弹丸出炮口时的时间零点，该指标对于雷达的指标精度具有非常重要的影响。由于高射速火炮弹丸射频高、连发时炮口持续火焰等难题，传统的出膛时刻检测法。如振动传感器法及磁性物体线圈感应法已失效。多普勒信号检测法¨1仅针对低射速火炮的设计，对于高射速火炮需要进一步改进。目前在测速雷达中，提取弹丸出膛时刻的方法多采用红外启动器。红外启动器由光敏电阻传感器感知炮口火焰，其本身阻值会发生变化，通过外接电路形成电压的变化，从而达到使光信号转变成电信号，将该信号适量放大，再经过沿积分电路和单稳触发电路，形成数字脉冲信号。该信号通过差分放大后传输至系统使用。在高射速武器射击时，炮口火焰是连续的，火焰能量随每发弹的射出有规律的变化着，由于火焰的连续性即第一发炮弹产生的火光还没有散尽，第二发炮弹又射出，在炮口形成一团持续的火焰，这对检测出每发炮弹的时间零点带来了一定的难度，这种情况造成光敏元件转变出的交变电压值叠加在一个直流电压分量上，而且幅值大大减小，再加上火焰光谱比较丰富，光谱能量大小的随机性，容易造成误判或漏判，传统的红外启动方式使用简单，但是不容易区分超高射速连发的火光。
3.3 高射速火炮的初速测量总体方案设计。针对高射速火炮弹丸连发时初速测量时群目标分辨能力和高速启动技术难题，对其初速测量体制进行研究，确定高射速武器初速测量总体方案。针对超高射速火炮的弹丸初速测量需求，采用连续波雷达进行弹丸初速测量。弹丸超高射速连续发射时，由于炮口附近强烈的火焰噪声、强烈的炮管抖动、会严重影响回波的特性，首先通过微波启动雷达及相关信号处理技术，实现微波高速启动出发，确定出弹丸出膛的时刻，为初速测量数据处理系统提供时间零点；在弹丸飞行后效期结束后，通过测速雷达及相关群目标分离技术，测量弹道上若干点的速度，然后，通过数据处理系统进行数据外推处理得到弹丸初速。基于上述分析，超高射速火炮弹丸初速测量系统的原理。采用基于距离分辨的时间一距离一频率分辨的方法来区分多目标。时间一距离一频率分辨方法是指收发天线都采用单波束形式，发射连续波调制信号，通过目标距离分离，将波束有效距离划分成多个距离区间，以达到多目标空间区分的目的。合理控制单个距离门内目标的数量，可提高分辨能力。考虑到弹丸为前后依次顺序出膛，各弹丸弹芯(底托、卡瓣与弹芯速度相差较大，可采用时频分辨方法分辨)在雷达波束内成顺序排列。在不同时间，不同距离上，存在着不同速度(多普勒频率)的目标，坐标为距离、纵坐标为时间、中间为目标的多普勒频率。上一个时间段均有所下降；直到后续出现目标三、目标四等情况。适当选取时间、距离分辨率，即可在初始段实现目标分辨。这里拟采用红外触发方式结合微波触发方式。波触发方式主要由微波信号发生器、信号分析设备组成。微波信号发生器照射炮口，当炮弹出膛后，天线会接收到产生的多普勒突变回波信号，信号分析设备对该信号进行分析后，获得弹丸的出膛时刻。
结束语：文中对高射速火炮连发初速测量作了详细研究，提出了针对高射速火炮连发初速测量问题的解决方案，为以后高射速火炮的初速测量提供了理论基础和工程参考。
参考文献：
[1]吴三灵,温波,于永强.火炮动力实验[M].北京:国防工业出版社,2019:64-118.
[2]王宝元,钞红晓,邵小军,等.弹丸出炮口时间测试方法研究[J].兵工学报,2019,33 (6):736-740.
[3]刘海林.获取测速雷达时间零点的几种方法[J].无线电工程,2020,38 (3):61-64.