天幕靶光錐聚光光電轉(zhuǎn)換方法

董 華,宋慶慶,張志遠(yuǎn)

(中國(guó)兵器裝備研究所,北京 102202)

0 引言

天幕靶是一種在兵器試驗(yàn)場(chǎng)使用頻率很高的對(duì)火炮和輕武器發(fā)射的彈丸飛行速度進(jìn)行測(cè)試的測(cè)速儀器,它是以光電轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ),用以探測(cè)飛行彈丸到達(dá)空間某一預(yù)定位置時(shí)刻的非接觸式的光電傳感器。它是繼網(wǎng)靶、鋼板靶和線圈靶這些傳統(tǒng)區(qū)截裝置之后的一種全新的區(qū)截裝置,它靶面大,精度高,克服了傳統(tǒng)區(qū)截裝置的很多局限[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)天幕靶的研究已經(jīng)有了一定飛躍,但是現(xiàn)在裝備靶場(chǎng)和校驗(yàn)站的天幕靶的視場(chǎng)角只有24°,這決定了它的靶面比較小。靈敏度保持在600倍彈徑,靈敏度比較小,對(duì)于小彈徑的彈丸的測(cè)試和小直徑破片的測(cè)試都存在一定的困難,不能滿足越來(lái)越高的測(cè)試要求。武器研制測(cè)試任務(wù)需要天幕靶具有更大的視場(chǎng)角以及靈敏度。

1 天幕靶傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的原理

天幕靶光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由鏡頭、光闌狹縫、光電轉(zhuǎn)換器件以及鏡頭座組成。如圖1所示為傳統(tǒng)天幕靶的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖。由于光闌狹縫的作用,在光學(xué)鏡頭視場(chǎng)中,僅有一個(gè)扇形且厚度并不均勻的平面區(qū)域內(nèi)的光線可以達(dá)到光電轉(zhuǎn)換器件的敏感面,這個(gè)平面區(qū)域一般稱之為天幕,這個(gè)扇形天幕的扇形角度就是天幕靶的視場(chǎng)角,而這個(gè)視場(chǎng)角是由透鏡、光闌狹縫和光電轉(zhuǎn)換器件的形位決定的。如圖1所示,光線 AN是過(guò)透鏡中心到光電轉(zhuǎn)換器件光敏面極限位置的一條光線,這是一條邊緣光線。它與主光軸的夾角為α,該天幕靶的視場(chǎng)角就是2α,2α和S、f的關(guān)系為:

S是光電轉(zhuǎn)換器件光敏面的極限尺寸,由此可見(jiàn),在鏡頭焦距一定的情況下,天幕靶的視場(chǎng)由光敏面的極限尺寸所決定。所以,天幕靶聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要解決的是大視場(chǎng)光幕與小尺寸光電器件敏感面的矛盾。為了解決這一矛盾,經(jīng)過(guò)研究開發(fā)了采用光學(xué)元件對(duì)進(jìn)入光闌狹縫的光線進(jìn)行傳輸匯聚的方法,曾先后采用了場(chǎng)鏡匯聚、雙平面鏡匯聚以及光纖匯聚的方法,由這些光學(xué)元件組成的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)稱為場(chǎng)鏡聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、雙平面鏡聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及光纖聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

圖1 傳統(tǒng)天幕靶的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖Fig.1 The photoelectric conversion system of tradition sky screen

1.1 場(chǎng)鏡聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

場(chǎng)鏡聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由鏡頭、狹縫光闌、凸透鏡組、光電轉(zhuǎn)換器件以及鏡頭座組成。在狹縫光闌下面安裝透鏡組,透鏡組的作用是將通過(guò)狹縫的光線聚攏到光電轉(zhuǎn)換器件的光敏面上,如圖2所示為場(chǎng)鏡聚光光路系統(tǒng)的示意圖。

場(chǎng)鏡聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)保證了天幕靶有較大的視場(chǎng)角,但是光線在場(chǎng)鏡組中的反射和折射導(dǎo)致光能損失,光能量損失達(dá)到15.34%,這導(dǎo)致天幕靶的靈敏度大大降低。

1.2 雙平面鏡聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

雙平面鏡聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由鏡頭、狹縫光闌、雙平面鏡、光電轉(zhuǎn)換器件以及鏡頭座等結(jié)構(gòu)組成。為了增大視場(chǎng)而不造成光能量衰減,采用兩個(gè)平面鏡增加視場(chǎng)的方法[2]。如圖3所示,在天幕靶的鏡頭與光電管之間,設(shè)置兩面高反射率的反光鏡,AO之外到BE之間的區(qū)域內(nèi)的光線,都可以通過(guò)平面鏡反射到光電管的光敏面上,天幕靶視場(chǎng)角由2α增加到2β。

圖2 場(chǎng)鏡聚光光路系統(tǒng)示意圖Fig.2 The spotlight and photoelectric conversion system of field lens

圖3 雙平面鏡聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖Fig.3 The spotlight and photoelectric conversion system of double plane mirror

1.3 光纖聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

光纖聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由鏡頭、狹縫光闌、光纖束、光電轉(zhuǎn)換器件以及鏡頭座等機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。把光纖排成整齊的一束,一端排成與狹縫形狀一樣的長(zhǎng)方形固定在光闌狹縫的下面,另一端排成圓形或方形以滿足光電轉(zhuǎn)換器件光敏面的形狀,通過(guò)狹縫的光線經(jīng)光纖傳輸聚攏到光電轉(zhuǎn)換器件光敏面上。如圖4所示為光纖聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖。

圖4 光纖聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖Fig.4 The spotlight and photoelectric conversion system of optical fiber

2 光錐聚光光電轉(zhuǎn)換原理

2.1 光錐聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)獲得大視場(chǎng)角

光錐聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由鏡頭、狹縫光闌、光錐、光電轉(zhuǎn)換器件以及鏡頭座等機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。狹縫光闌對(duì)應(yīng)安裝光錐,光錐的大端正對(duì)安裝在狹縫光闌的下面,光電轉(zhuǎn)換器件安裝在光錐的小端。光線穿過(guò)狹縫光闌折射進(jìn)入光錐大端,在光錐壁上進(jìn)行不斷反射后從光錐小端折射出來(lái),照射到光電轉(zhuǎn)換器件的光敏面上,通過(guò)放大電路輸出彈丸信號(hào)[3-4]。如圖5為光錐聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)光路圖。

圖5 光錐聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)光路圖Fig.5 The beam path graph of the cone of optics spotlight and photoelectric conversion system

如圖6所示,安裝了光錐系統(tǒng)的天幕靶的視場(chǎng)角2α=2arctan如果不采用聚光元件,天幕靶的視場(chǎng)角2α=2arctan視場(chǎng)角提高量為 Δ?=安裝了光錐光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的天幕靶的視場(chǎng)角達(dá)到44°,如果采用雙鏡頭視場(chǎng)拼接,整機(jī)視場(chǎng)角達(dá)到88°。

光學(xué)系統(tǒng)中有三方面的原因造成光能損失:透射面的反射損失,反射面的吸收損失,材料內(nèi)部的吸收損失[6]。光線從空氣進(jìn)入光錐時(shí),從空氣介質(zhì)到玻璃介質(zhì)時(shí),在拋光面處必然伴隨有反射損失,K9玻璃折射率nd=1.516 37,對(duì)應(yīng)的反射損失ρ=0.04。為了減小反射損失,在光錐的大端面鍍上一層增透膜,此時(shí)反射率可以降低到ρ=0.02以下,按照ρ=0.02進(jìn)行計(jì)算,則透射率τ=0.98。直光錐有兩個(gè)鍍?cè)鐾改さ目諝夂筒ＡУ耐干浣缑?透過(guò)率

圖6 光錐系統(tǒng)視場(chǎng)角示意圖Fig.6 The cone of optics system field range angle

2.2 利用光錐提高天幕靶的靈敏度

靈敏度是表征天幕靶探測(cè)距離能力高低的一個(gè)參數(shù)。天幕靶能探測(cè)到彈丸的最大距離(彈道與鏡頭的距離)與彈徑成正比關(guān)系,所以天幕靶的靈敏度使用最大探測(cè)距離與彈徑之比值(倍彈徑)來(lái)表示。靈敏度的高低直接關(guān)系到天幕靶所能探測(cè)到的彈道高度的能力。由于武器研制的需要,要求天幕靶具有較高的靈敏度。要實(shí)現(xiàn)微弱光信號(hào)的探測(cè),就是從噪聲中如何提取信號(hào)的問(wèn)題,這也是當(dāng)今信息探測(cè)器理論研究的中心課題之一[5]。

制約天幕靶靈敏度的因素很多,如長(zhǎng)焦距鏡頭和短焦距鏡頭的選擇,信噪比因素,還有光信號(hào)損耗的因素。光線進(jìn)入光闌以后,要經(jīng)過(guò)透鏡組,在透鏡組中會(huì)造成光能損失,光能的損失影響了彈丸信號(hào),這是制約天幕靶靈敏度的一個(gè)重要原因。

使用光錐主要是減小光能量在傳輸過(guò)程中的損失,從而提高天幕靶的靈敏度。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 光錐光能損失計(jì)算和比較

光線進(jìn)入光錐以后,發(fā)生多個(gè)全反射,由于全反射面拋光良好,認(rèn)為反射率ρ=1。光學(xué)材料中心厚度為5 cm,透明率

則整個(gè)光錐中的通過(guò)系數(shù)為:

即通過(guò)的光通量為89.03%,損失10.97%。場(chǎng)鏡組通過(guò)的光通量為84.66%,損失了15.34%。光錐和場(chǎng)鏡相比較而言,光錐通過(guò)的光通量比場(chǎng)鏡組少損失4.37%。

3.2 實(shí)彈試驗(yàn)及結(jié)果分析

把安裝有場(chǎng)鏡聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和安裝有光錐聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的兩臺(tái)天幕靶,平行布置在同一靶道上進(jìn)行實(shí)彈實(shí)驗(yàn),兩套光電系統(tǒng)鏡頭規(guī)格相同,放大電路板相同。如表1所示是一組16發(fā)實(shí)彈實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù),電壓值單位為V,彈道高度單位為m。

實(shí)驗(yàn)條件:彈種:4.5 mm氣槍彈;鏡頭焦距:85 mm;光圈數(shù):2.8。

表1 氣槍彈實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The test date of projectile fire

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:安裝了光錐聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的天幕靶測(cè)得的彈丸信號(hào),比安裝了場(chǎng)鏡聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的天幕靶提高了9.85%,噪聲信號(hào)降低了6.84%;安裝了場(chǎng)鏡聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的天幕靶測(cè)得的彈丸信號(hào)平均信噪比(SNR)o=4.280 6,安裝了光錐聚光光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的天幕靶測(cè)得的彈丸信號(hào)平均信噪比(SNR)o=5.027 5,平均信噪比提高率為17.45%。

由于光錐光能損耗較其它器件低,能獲得更好的信號(hào),所以提高了靈敏度。通過(guò)本項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用,不但可以提高我國(guó)靶場(chǎng)測(cè)試技術(shù)的水平,而且減少了對(duì)國(guó)外天幕靶儀器設(shè)備的依賴,大幅節(jié)約成本,有利于具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。

4 結(jié)論

本文針對(duì)天幕靶存在視場(chǎng)角小和靈敏度不高的問(wèn)題,提出了這種新的光錐聚光光電轉(zhuǎn)換方法,在采用同樣的光學(xué)鏡頭和光電轉(zhuǎn)換器件的情況下,利用光錐對(duì)進(jìn)入光闌狹縫的光線進(jìn)行傳輸匯聚,使天幕靶視場(chǎng)角由 24°提高到 44°,平均信噪比提高了17%,靈敏度大大提高。

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