室內(nèi)大靶面光電立靶技術(shù)研究

李 玥，王鐵嶺，董 濤

（西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710032）

1 引 言

在衡量彈道武器性能優(yōu)劣時，立靶準(zhǔn)確度、密集度試驗是彈道試驗的基本項目，準(zhǔn)確度、密集度的好壞直接關(guān)系到有效射擊距離上命中概率的高低。測量彈著點坐標(biāo)是進(jìn)行密集度計算的前提，其測量準(zhǔn)確度直接關(guān)系到密集度的準(zhǔn)確度[1]。目前國內(nèi)靶場普遍使用的小靶面光幕靶，彈丸穿過的有效靶面一般不超過700 mm×800 mm，比如XGK-91-I型光幕靶有效面積為330mm×400mm，奧地利的B470和B471光幕靶的有效靶面為600 mm×800 mm，這些靶用于測試12.7 mm口徑以下小口徑彈丸能夠滿足要求，用于測試口徑大于12.7mm的彈丸時，因靶面小，存在安全隱患[2]。

2 系統(tǒng)原理及硬件設(shè)計

2.1 光電大靶面立靶原理

系統(tǒng)采用基于激光陣列的測量方案，如圖1所示。在水平方向上，左邊布置一排10 m長的激光陣列，右邊布置一排10m長的光電接收器件（光電二極管接收陣列），同樣在高低方向也布置一排光源和接收器件。相鄰光電二極管間隔5mm，各激光器發(fā)出的光線相互平行射出，組成一個10m×10m的光幕。當(dāng)彈丸穿過該光幕面時，分別在X和Y方向上擋住了投射在某個或幾個光電二極管上的光線，該光電二極管對應(yīng)的信號放大處理電路，將該光電二極管產(chǎn)生的微弱電信號放大、整形，最后輸出脈沖數(shù)字信號，經(jīng)過后續(xù)信號識別電路，得到被擋住光線的光電二極管的編號，傳送至計算機(jī)，計算得到彈丸穿過該光幕面的X和Y坐標(biāo)。

2.2 光電立靶硬件設(shè)計

信號處理電路，主要設(shè)計完成光電轉(zhuǎn)換、信號放大、比較輸出以及抗干擾等功能。

前置電路設(shè)計選取了經(jīng)典的負(fù)反饋放大電路，具有抗環(huán)境濕度變化、元器件參數(shù)的散布、自動穩(wěn)定工作點和放大倍數(shù)，因此無論是環(huán)境溫度從-20℃～+70℃變化，還是元件參數(shù)隨使用時間增長的變化，都不會改變電路的工作狀態(tài)。采用場效應(yīng)管組成的放大電路，具有高的輸入阻抗。若單級放大，當(dāng)放大倍數(shù)較高時，可能會導(dǎo)致電路自激，要避免自激常用的方法就是壓低放大電路對信號的放大倍數(shù)。因此在系統(tǒng)中用兩個運算放大器進(jìn)行兩級放大。

經(jīng)過放大的信號接入比較電路，電路如圖2，輸入信號為0時，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，LM311的7腳為高，此時LM311的2腳的電位可以由電位器調(diào)節(jié)，一般選為1V，當(dāng)輸入信號由0開始向正方向增加時，在LM311的3腳電位剛大于2腳的電位時，LM311的7腳翻轉(zhuǎn)變位低電平[3]。

圖2 比較電路

為了保證系統(tǒng)的可靠性，還要考慮到如何排除蚊蟲人為等慢速移動物體對系統(tǒng)的干擾。利用蚊蟲飛行的速度和彈丸飛行速度相差甚遠(yuǎn)，不是同一數(shù)量級的特點，采用數(shù)字濾波電路，加以識別和排除。利用單穩(wěn)集成電路，只有當(dāng)飛行物體穿過光幕，整形電路輸出的負(fù)方波觸發(fā)單穩(wěn)后，負(fù)方波在單穩(wěn)電路維持的時間內(nèi)，調(diào)回到0電位時，與門的輸出才為正，否則，一直保持為0。只有彈丸能實現(xiàn)這樣的情況，與門產(chǎn)生輸出，而蚊蟲飛過時，與門不會改變輸出狀態(tài)，一直保持為0電位?？垢蓴_電路如圖3所示。

經(jīng)過放大整形濾波的信號，需要接收并傳輸至計算機(jī)。選用Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片（EP1C6），每片F(xiàn)PGA采集120路信號，通過接口連接至主控FPGA。系統(tǒng)將大靶面光源和光電接收裝置均拆分成1 m長的單元裝置，每個單元安裝兩片F(xiàn)PGA。所有FPGA通過接口接至主控FPGA芯片上，主控FPGA將全部數(shù)據(jù)通過串口傳入計算機(jī)。圖4為系統(tǒng)示意圖，計算機(jī)上位機(jī)程序最主要的功能有兩個：串口接收部分，通過串口接收FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù)；坐標(biāo)計算部分，將串口收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到坐標(biāo)值。上位機(jī)程序界面包括端口選擇、波特率、測試位數(shù)及結(jié)果顯示?？梢燥@示彈序，有幾路信號被中斷，和最后的坐標(biāo)計算結(jié)果。

3 影響立靶靈敏度及精度測量的因素

3.1 系統(tǒng)靈敏度

由于該室內(nèi)用立靶靶面最大為10m×10m，即光源距離接收裝置的距離最遠(yuǎn)為10m，所以系統(tǒng)靈敏度的高低是系統(tǒng)能否成功的基礎(chǔ)。該設(shè)計選用激光作為光源，由于激光具有很小的發(fā)散角，一般為0.01毫弧度～0.1毫弧度，隨著距離的變遠(yuǎn)，其能量損失很??；接收器件選用高靈敏度的光電二極管，其感光面為圓形，尺寸從2～5mm不等。選用功率為50mW、出瞳直徑為50mm的激光平行光管，直徑為2mm的光電二極管，進(jìn)行了靈敏度實驗，光源和接收裝置相距10 m，分別在1 m、3 m、5 m和9 m處用氣槍彈射擊，信號均高于7 V，而噪聲均小于1 V，此信噪比水平的模擬信號再處理為脈沖信號是非常穩(wěn)定可靠的，因此，此方案的靈敏度完全滿足要求。

圖3 抗干擾電路

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

提高靈敏度措施，激光器光斑直徑為50mm，由于激光器外形直徑為56mm，所以如果將激光器挨個排布，則兩個激光器光束之間會存在6 mm的漏區(qū)，如圖5所示。

圖5 激光器排列

所以系統(tǒng)準(zhǔn)備采用如圖5所示的排布方法，將相鄰兩個激光器錯位排列，則無論彈丸從哪個位置穿過都會遮擋住部分激光光束。按照該排布方法會帶來一定的問題，即兩排激光不在同一個平面內(nèi)，要解決該問題可以采取以下方法：如圖6所示，將光電二極管排成兩排，兩排二極管之間的距離和兩排激光器之間的距離相等，將兩排光電二極管中，編號相同的使用同一放大電路，這樣兩個編號相同的光電二極管必定有一個被激光照射，當(dāng)彈丸穿越兩排激光形成的光幕時，至少有其中的一排光電二極管上的光被擋住，無論是哪一排，都可以測得彈丸穿越光幕時的坐標(biāo)。

3.2 測量準(zhǔn)確度

圖6 光電二極管排列示意圖

由系統(tǒng)測量原理可知，該系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度主要取決于兩點，第一，各激光器發(fā)出的光相互平行，這就需要每一束激光自身為平行光，具有較小的發(fā)散角，而且各激光束相互平行；第二，光電探測器件排列的密集程度，市面上的光電探測器件感光面最小有直徑為2 mm，可以滿足10 m×10 m靶面的測量要求。所以從以上分析可以得出結(jié)論，采用平行激光管為發(fā)光器件，光電二極管為光電接受器件，坐標(biāo)測量精度完全可以滿足10m×10m靶面的測量要求。

4實 驗

實驗樣機(jī)由500 mm高激光光源和500 mm高光電接收裝置組成，激光光源與光電接收裝置相距10m，在10m范圍內(nèi)，在光電靶面后面放一紙靶，光電靶靶面與紙靶靶面平行。氣槍垂直靶面射擊，先穿過光電靶靶面，再穿過紙靶，光電靶自動記錄下彈丸的高低位置，而紙靶下留下彈孔，將彈孔高低位置與光電靶所測彈丸高低位置比較，以驗證樣機(jī)的高低坐標(biāo)測試精度，同時驗證系統(tǒng)靈敏度。

為了證明10m寬靶面的一致性，紙靶放在距離激光光源1m，5m，9m三個不同位置，每個位置分別射擊10發(fā)，可得到3組實驗數(shù)據(jù)。激光光源與光電接收裝置相距10 m，要求誤差應(yīng)在1 cm以內(nèi)，由表1，表2和表3可見，三組數(shù)據(jù)誤差均在10mm以內(nèi)，滿足精度要求。

表1 第1組實驗數(shù)據(jù)（紙靶距離光源1m）

表2 第2組實驗數(shù)據(jù)（紙靶距離光源5m）

表3 第3組實驗數(shù)據(jù)（紙靶距離光源9 m）

5 結(jié)束語

為了滿足測量高射頻、大彈徑的要求，采用平行點激光光束形成10 m×10 m的大靶面光柵光幕立靶，以FPGA構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過計算機(jī)上位機(jī)坐標(biāo)識別軟件，得到彈著點坐標(biāo)，并提出了提高大靶面系統(tǒng)靈敏度和精度的措施。室內(nèi)靶場實彈測量實驗結(jié)果表明，利用大靶面光幕靶來測立靶精度是可行的，并且位置坐標(biāo)測量精度高，能夠達(dá)到立靶精度的測試要求。

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