天幕靶人工光源的設(shè)計(jì)

趙 亮，王召巴，陳友興

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051)

0 引言

測(cè)定彈丸飛行速度是衡量武器系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的一項(xiàng)重要參數(shù)，在靶場(chǎng)測(cè)試中常常需要測(cè)試彈丸的初速。在靶場(chǎng)測(cè)試領(lǐng)域，天幕靶是一種常用的光電觸發(fā)設(shè)備，兩臺(tái)天幕靶與一臺(tái)測(cè)時(shí)儀配合就可以實(shí)現(xiàn)彈丸飛行速度的測(cè)量，它由鏡頭、探測(cè)器、放大電路以及相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。由于天幕靶采用光電轉(zhuǎn)換非接觸測(cè)試原理，測(cè)試精度高、適用范圍廣，日益受到靶場(chǎng)使用者的歡迎。

由于自然光是天幕靶工作的光源，那么自然光的變化勢(shì)必影響其工作性能，在天空亮度高低2個(gè)極端光照條件下天幕靶的工作性能比較差。光照強(qiáng)度極強(qiáng)時(shí)環(huán)境的背景噪聲很大，將會(huì)產(chǎn)生干擾現(xiàn)象，而在光照強(qiáng)度較低的情況下，雖然背景噪聲很低，但彈丸過靶的信號(hào)也相應(yīng)減弱，也降低天幕靶的探測(cè)靈敏度。

本設(shè)計(jì)提出用LED作為天幕靶的人工光源，來代替自然光。從而解決了天幕靶不能在陰天或室內(nèi)測(cè)試的問題。

1 天幕靶工作原理

天幕靶是以光電轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的探測(cè)儀器。以天空亮度為背景，用光學(xué)成像透鏡和置于透鏡焦平面上的狹縫在天空中形成光幕，進(jìn)入光幕的光能經(jīng)光學(xué)變換匯聚到光電轉(zhuǎn)換器件上，當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)入光幕時(shí)，遮擋部分投射到狹縫中的光能，使光電轉(zhuǎn)換后形成一個(gè)波動(dòng)，通過放大整形電路輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，完成一次測(cè)試功能。

當(dāng)彈丸通過光幕時(shí)，彈丸遮住部分光線引起光通量變化，由此引起探測(cè)器上的光電流變化并輸出電脈沖利用兩套同樣的天幕靶并接入測(cè)時(shí)儀，通過輸出的電脈沖啟動(dòng)測(cè)時(shí)儀和停止測(cè)時(shí)儀可得到彈丸通過兩天幕靶的時(shí)間，測(cè)量兩靶距，即可算出彈丸速度［2］。按下試計(jì)算:

式中:s為起始靶和停止靶間的距離;v為彈丸起始靶和停止靶間的飛行速度(m/s);t為測(cè)時(shí)系統(tǒng)測(cè)得的彈丸在起始靶和停止靶間的飛行時(shí)間［3］。

天幕靶是一種光電靶，其利用太陽光在大氣中散射而形成的自然光為光源。天幕靶對(duì)彈丸材料沒有特殊要求，對(duì)彈丸飛行沒有干擾，具有其它區(qū)截裝置所沒有的特殊優(yōu)點(diǎn)。

圖1為光源所形成的面幕。

圖1 光源所形成的面幕

如圖2，根據(jù)透鏡成像原理，發(fā)光體ab所成的像為a'b'。如在像前裝一個(gè)光闌，則只有光闌上狹縫所允許通過的光才能成像于c'd'。如對(duì)準(zhǔn)c'd'安裝一個(gè)光敏元件，它所接收的只是垂直于紙面方向(與光闌狹縫平行)，寬度為cd的一條光幕的光。當(dāng)彈丸飛過該光幕時(shí)，彈丸的影像將使照射到光敏元件上的光通量發(fā)生變化，使光敏元件產(chǎn)生的電信號(hào)發(fā)生變化，發(fā)出區(qū)截信號(hào)。因此，天幕靶是以天光形成的光幕為區(qū)截面的，故而有此名稱。

圖2 天幕靶的工作原理

2 人工光源的設(shè)計(jì)

2.1 人工光源的選擇

當(dāng)在室外天空亮度高低2個(gè)極端光照條件下，選擇適當(dāng)人工光源代替自然光。尋找一合適可控光源，能夠在計(jì)算機(jī)的控制下產(chǎn)生可調(diào)光，照射天幕靶，如尋找合適陣列光源代替天幕，以便天幕靶在天氣不好或夜晚也可正常工作。反射式光源為首選，如不成功可選擇透射式光源。

圖3 反射式、透射式人工光源

2.2 發(fā)光器件的選擇

發(fā)光器件是天幕靶用室內(nèi)光源設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的部分，首先它要滿足足夠的亮度，又要具有使用壽命長，耗電量低和體積小的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過比較，高亮度的發(fā)光二極管能滿足要求，且發(fā)光二極管的制造工藝已相當(dāng)成熟，天幕靶的光敏器件接收的是可見光，因此選擇白色發(fā)光二極管，其外形有多種形式，比較適合應(yīng)用在天幕靶光源上的有2種外形:子彈頭形和平頭圓柱形。這2種形式的發(fā)光二極管所具有的共同性能是亮度高，消耗功率低，高可靠性和高穩(wěn)定性，能提高光學(xué)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)的靈活性。它們的區(qū)別在于平頭形沒有聚焦透鏡，而子彈頭形是在頭部加入了聚焦透鏡，因而兩者發(fā)出的光束有所不同。子彈頭形的半功率角2θ1/2=8°，平頭圓柱形的半功率角2θ1/2=23°［4-5］。在此設(shè)計(jì)的光源中采用的是平頭圓柱形發(fā)光二極管，因?yàn)楣馐容^寬，在滿足測(cè)速精度的條件下可以使2個(gè)發(fā)光二極管之間的間距大一些，以減小安裝難度。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)天幕靶的工作原理"要求光源發(fā)出的光強(qiáng)必須穩(wěn)定"因此采用恒壓恒流源來驅(qū)動(dòng)。經(jīng)過試驗(yàn)比較，由集成穩(wěn)壓塊和精密電阻構(gòu)成的恒壓源效果最好。

3 整體結(jié)構(gòu)

天幕靶的視場(chǎng)是一個(gè)扇形區(qū)域，為了充分利用光源所發(fā)出的光線，光源應(yīng)該是一個(gè)弧形的線光源。把光源做成一個(gè)整體的弧形在加工和裝配上比較困難，為此，采用了由許多很短的直線光源拼成長弧形光源的方法，該光源可以通過安裝孔固定在天花板、墻壁或者根據(jù)特定需要制作的架子上，如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)天空亮度低于120Lux時(shí)，用天幕靶和設(shè)計(jì)的弧形線狀LED光源組成的測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖5為沒有使用人工光源與使用人工光源的天幕靶輸出信號(hào)對(duì)比圖。

圖4 人工光源照明過程

圖5 天幕靶輸出信號(hào)對(duì)比

5 結(jié)論

通過理論分析和實(shí)際測(cè)試證明了該光源的可用性。在陰天或室內(nèi)時(shí)，為天幕靶配備使用弧形線狀LED光源，可以增加天幕靶的靈敏度、提高天幕靶的分辨力。擴(kuò)展了天幕靶的測(cè)試范圍，克服了天氣狀況對(duì)天幕靶使用的限制，方便了天幕靶的全天候測(cè)量以及在室內(nèi)的測(cè)量。

［1］邵澤波.無損檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003:1－5.

［2］王鐵嶺.天幕靶精度分析［J］.兵工學(xué)報(bào)彈箭分冊(cè)，1987(2):39.

［3］李翰山.高洪堯.天幕靶精度測(cè)量系統(tǒng)改進(jìn)研究［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，17(1):30.

［4］《無線電》編輯部.無線電元器件精匯［M］.北京:人民郵電出版社，2002:152－153.

［5］金友.高亮度發(fā)光二極管開辟新的照明市場(chǎng)［J］.光機(jī)電信息，2004(5):25－26.