摘要：后坐位移是火炮設(shè)計中的一個重要參數(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算位移量。實驗結(jié)果表明，該方法具有較高的實用性和準(zhǔn)確性，為火炮的設(shè)計和優(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
火炮后座運動是一個復(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構(gòu)的工作特性，如后坐機構(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、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構(gòu)運動狀態(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)激光束照射到運動的物體表面時，由于物體表面的反射作用，激光束會發(fā)生多普勒頻移。這一頻移的大小與物體的運動速度成正比，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，可以計算出物體的運動速度。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)生振動后，反射回來的光束會產(chǎn)生多普勒頻移Δf。這一頻移信號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。該信號經(jīng)過后端的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)后，可以得到物體的運動速度和位移量。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 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)采集儀和計算機等組成。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。
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。控制器具有速度位移雙輸出功能，可以將信號由頻率變化轉(zhuǎn)化為電量變化。同時，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現(xiàn)信號的去噪處理。
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，它還可以設(shè)定濾波器以進(jìn)一步對信號進(jìn)行降噪處理。
計算機：計算機是整個測量系統(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)碾妷盒盘枺⑼ㄟ^多功能數(shù)據(jù)采集卡將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行存儲和分析。同時，計算機還可以對測量數(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度。
三、實驗方法與數(shù)據(jù)分析
（一）實驗方法
為了驗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)實驗。實驗對象為某型火炮，在水平射擊條件下進(jìn)行后坐位移的測量。實驗步驟如下：
將激光器固定在三腳架上，并通過可調(diào)節(jié)云臺控制激光光斑上下左右移動，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度。
連接激光器、控制器、數(shù)據(jù)采集儀和計算機等設(shè)備，確保系統(tǒng)正常工作。
進(jìn)行射擊實驗，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
采用上述實驗方法，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)行了三次實驗，得到的測量結(jié)果如圖2所示。
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從圖中可以看出，三次實驗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，火炮產(chǎn)生較大的后坐位移量，隨后隨著彈丸能量的消退，后坐機構(gòu)開始復(fù)位。由于后坐機構(gòu)在復(fù)位過程中存在一定的慣性作用，因此會產(chǎn)生一定的過沖現(xiàn)象。之后，后坐機構(gòu)再次向前運動至某個位置后停止運動并回到初始位置零點。
對三次實驗得到的后坐位移數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，可以得到以下結(jié)論：
三次實驗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。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。
后坐機構(gòu)在復(fù)位過程中存在一定的過沖現(xiàn)象和往復(fù)運動。這是由于后坐機構(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)計和優(yōu)化過程中需要充分考慮后坐機構(gòu)的剛度和阻尼等參數(shù)以提高其穩(wěn)定性和可靠性。
通過對比三次實驗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)計和優(yōu)化提供有力的支持。
此外，還對三次實驗得到的后坐位移數(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構(gòu)的復(fù)位作用而逐漸減小至零并反向運動。通過對比三次實驗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
本文通過實驗驗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。實驗結(jié)果表明該方法具有較高的實用性和準(zhǔn)確性，可以為火炮的設(shè)計和優(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，在實際應(yīng)用中還需要注意以下幾個方面的問題：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)用將會更加廣泛和深入。同時，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)加強相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用推廣工作以推動其在軍事領(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)