摘要：后坐位移是火炮設計中的一個重要參數，它關系到火炮射擊過程中的穩定性、精度以及整體性能。為了準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行測量的新方法。該方法基于多普勒效應和激光外差干涉原理，通過測量火炮后坐過程中產生的多普勒頻移來計算位移量。實驗結果表明，該方法具有較高的實用性和準確性，為火炮的設計和優化提供了有力的支持。
關鍵詞：火炮；后坐位移；激光測振儀；多普勒效應；激光外差干涉
一、引言
火炮后座運動是一個復雜的物理過程，與炮身、彈丸、炮架等構件的綜合響應密切相關。后坐位移作為火炮射擊過程中的重要參數之一，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的工作特性，如后坐機構復進是否平穩、各構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計、性能優化以及仿真模型的完善都具有重要的指導意義。
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運動狀態，再通過圖像處理獲得其位移和速度等參數。但這種方法只適用于單發射擊，對于高速連發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、響應頻帶寬等優勢，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組成
（一）測量原理
激光測振儀是基于多普勒效應和激光外差干涉原理來測量物體速度和位移量的。當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。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。激光器發出頻率為f的信號光束，經過分光棱鏡照射到被測物體表面。被測物體產生振動后，反射回來的光束會產生多普勒頻移Δf。這一頻移信號與參考光束在光電探測器中發生干涉，產生包含多普勒頻移的干涉信號。該信號經過后端的數據采集和處理系統后，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）系統組成
激光測振儀測量系統主要由激光器、控制器、數據采集儀和計算機等組成。具體介紹如下：
激光器：激光器是測量系統的核心部件之一，它負責發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。該激光器具有穩定性高、體積小巧、便于攜帶等優點。
控制器：控制器用于調節激光器的光學參數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化為電量變化。同時，它還含有模擬濾波器，可以設置高通濾波和低通濾波以實現信號的去噪處理。
數據采集儀：數據采集儀負責捕獲控制器輸出的電壓信號并進行處理。本文采用德維創公司的DEWE-30-8采集儀，其內部具有電壓信號調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，它還可以設定濾波器以進一步對信號進行降噪處理。
計算機：計算機是整個測量系統的控制和處理中心。它負責接收數據采集儀傳輸的電壓信號，并通過多功能數據采集卡將其轉換為數字信號進行存儲和分析。同時，計算機還可以對測量數據進行處理和分析，得到火炮的后坐位移和速度等參數。
此外，為了保證測量的準確性，測量系統還需要配備三腳架、反光紙等輔助設備。三腳架用于固定激光器并確保其穩定性；反光紙則粘貼在被測物體表面的一半區域以增加反射光的強度。
三、實驗方法與數據分析
（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確性，本文進行了相關實驗。實驗對象為某型火炮，在水平射擊條件下進行后坐位移的測量。實驗步驟如下：
將激光器固定在三腳架上，并通過可調節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區域以增加反射光的強度。
連接激光器、控制器、數據采集儀和計算機等設備，確保系統正常工作。
進行射擊實驗，并記錄火炮的后坐位移數據。
對測量數據進行處理和分析，得到火炮的后坐位移和速度等參數。
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（二）數據分析
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行了測量。同一射擊狀態進行了三次實驗，得到的測量結果如圖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一致，具有較好的重復性。射擊開始時，火炮產生較大的后坐位移量，隨后隨著彈丸能量的消退，后坐機構開始復位。由于后坐機構在復位過程中存在一定的慣性作用，因此會產生一定的過沖現象。之后，后坐機構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據進行統計和分析，可以得到以下結論：
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確性和穩定性。
后坐機構在復位過程中存在一定的過沖現象和往復運動。這是由于后坐機構在射擊過程中受到較大的沖擊力作用而產生一定的彈性變形和慣性作用所致。因此，在火炮的設計和優化過程中需要充分考慮后坐機構的剛度和阻尼等參數以提高其穩定性和可靠性。
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定性，可以為火炮的設計和優化提供有力的支持。
此外，還對三次實驗得到的后坐位移數據進行了微分處理，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生較大的后坐速度，隨后隨著彈丸能量的消退和后坐機構的復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性。
四、結論與展望
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確性。實驗結果表明該方法具有較高的實用性和準確性，可以為火炮的設計和優化提供有力的支持。與傳統測量方法相比，激光測振法具有非接觸式測量、空間分辨率高、響應頻帶寬等優勢更適合于火炮后坐位移的測量。
然而，在實際應用中還需要注意以下幾個方面的問題：一是測量系統的穩定性和精度需要進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境對測量結果的影響并采取有效的措施進行補償和修正；三是需要對測量數據進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計和優化提供更有力的支持。
展望未來，隨著激光技術和數據處理技術的不斷發展，激光測振儀在火炮后坐位移測量中的應用將會更加廣泛和深入。同時，也可以將其應用于其他武器裝備的微小位移測試中展現出更廣闊的應用前景。因此，有必要繼續加強相關技術的研發和應用推廣工作以推動其在軍事領域的廣泛應用和發展。
參考文獻：
《激光測振儀在火炮后坐位移測試中的應用》?周 琦 陳前昆 李盼菲( 中國船舶集團有限公司第七一三研究所)