紅外炸點(diǎn)探測裝置性能的提高方法研究＊

安 瑩，楊逢春

（西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

引 言

靶場測試技術(shù)中，引信在精確制爆方面起著至關(guān)重要的作用，精確地制爆需要精確的制爆時(shí)間，而精確的制爆時(shí)間則是由精確的測試儀器測出的。為了測量炮彈出膛到炸點(diǎn)爆炸時(shí)刻的時(shí)間，在炮彈出膛時(shí)間已知的情況下，則炮彈爆炸時(shí)刻為探測之重點(diǎn)，文中所提到的紅外炸點(diǎn)探測裝置就是用以精確探測炸點(diǎn)時(shí)刻之用［1］。炸點(diǎn)探測裝置將探測到的炸點(diǎn)時(shí)刻脈沖信號(hào)傳送到計(jì)時(shí)儀，經(jīng)處理后便可得到精確的炮彈飛行時(shí)間，整個(gè)過程如圖1所示。

當(dāng)炮彈爆破后釋放出大量的光和熱，通過采用合適的探測裝置便可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出給后續(xù)設(shè)備，經(jīng)放大、濾波等處理后便得到可被后續(xù)設(shè)備檢測到的時(shí)間脈沖信號(hào)。

對(duì)于用于炸點(diǎn)探測所使用的探測裝置，有文獻(xiàn)［2］提出了一種小視場紅外炸點(diǎn)探測裝置，視場角越小，靈敏度越高。但是，視場角的減小導(dǎo)致了視場范圍的降低，如果炸點(diǎn)稍有偏移可能使探測裝置無法捕捉到炸點(diǎn)信號(hào)。一般的小視場探測裝置大致可分為四個(gè)部分：光學(xué)系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、電路硬件系統(tǒng)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)。通過對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高成像質(zhì)量及透過率，將有限的信號(hào)能量盡可能多地匯聚在光電傳感器光敏面上，將大大提高整個(gè)探測系統(tǒng)的靈敏度［3］，但是如果只從光學(xué)系統(tǒng)去優(yōu)化靈敏度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以本文從探測器件的選擇、電路硬件設(shè)計(jì)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)三方面出發(fā)，以達(dá)到對(duì)炸點(diǎn)探測裝置性能改善的目的。

圖1 炮彈飛行精確時(shí)間參數(shù)獲取流程框圖Fig.1 Block diagram of the process of obtaining the accurate shell flight time parameters

1 炸點(diǎn)探測裝置傳感器的選擇

傳感器是整個(gè)炸點(diǎn)探測裝置的核心，選擇合適的傳感器對(duì)于探測裝置的性能起著至關(guān)重要的作用。紅外探測由于其抗干擾能力強(qiáng)，隱蔽性好等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。在當(dāng)今乃至將來，紅外探測技術(shù)必將成為軍事領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)之一。

探測器的選擇需要根據(jù)炸點(diǎn)火焰的光譜分布來確定，而其光譜分布主要是由炸點(diǎn)火焰的溫度決定，溫度越高，光譜分布的峰值越靠近短波。彈丸所填充的彈藥決定火焰的溫度，從雷汞到苦味酸，溫度在175～310℃之間變化［4］。光譜分布主要集中在可見光和近紅外區(qū)域，如果僅僅利用可見光區(qū)域來選擇探測器的話，存在著外界光干擾的問題，比如白天光強(qiáng)過大導(dǎo)致炸點(diǎn)探測不到或者炸點(diǎn)火光微弱而不能被探測器探測到。

而在近紅外這個(gè)區(qū)域便不存在上述可見光中出現(xiàn)的問題。在這個(gè)波段內(nèi)可供選擇的且普遍使用的傳感器為硫化鉛（PbS）傳感器和紅外光電二極管。硫化鉛探測器一般只對(duì)1～3.5μm的波長范圍較為敏感，而VIGO公司的硫化鉛探測器探測范圍可從1～4.5μm，已經(jīng)進(jìn)入到中紅外區(qū)域，并且不需要制冷模塊，這為制作便攜式中紅外探測裝置提供了可能。而紅外接收二極管可達(dá)780～1100nm，比硫化鉛探測器的光譜范圍要窄很多。更重要的是，這種紅外接收管還嚴(yán)重受到距離的限制，這與其自身光電轉(zhuǎn)換原理密切相關(guān)，根據(jù)輻射源輻射強(qiáng)度不同，最大探測距離從30～150cm不等。但由于這種探測器價(jià)格低廉，在小范圍探測中使用較為普遍，常被用于火災(zāi)現(xiàn)場報(bào)警、火災(zāi)現(xiàn)場檢測機(jī)器人等。

從性能、成本、便于攜帶等多方面因素綜合考慮，選擇美國Judson公司光導(dǎo)型硫化鉛（PbS）探測器，型號(hào)為J13TE2。由于能夠?qū)崿F(xiàn)在常溫下工作，這意味著整個(gè)系統(tǒng)無需制冷模塊便可正常工作，所以整個(gè)系統(tǒng)具有便于攜帶的特點(diǎn)，該探測器具體參數(shù)見表1。

2 炸點(diǎn)探測裝置的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

從表1中可以看出，硫化鉛光電導(dǎo)探測器的電阻經(jīng)紅外光線照射后，其值在0.1～0.3MΩ之間變化，所以炸點(diǎn)探測電路必須考慮與硫化鉛光電導(dǎo)探測器的阻抗匹配問題才能使后續(xù)電路達(dá)到優(yōu)越的性能。

炸點(diǎn)探測裝置的電路包括探測器偏置電路及前置放大電路、主放大電路和信號(hào)濾波電路幾部分，偏置電路為傳感器提供偏置電壓。對(duì)于光電導(dǎo)探測器，如果沒有偏置電路為其提供偏置電壓，光電導(dǎo)傳感器是無法將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的。本設(shè)計(jì)采用恒流偏置，為系統(tǒng)提供了良好的信噪比［5］。由于硫化鉛光電導(dǎo)探測器具有很高的輸入阻抗，暗電阻在2MΩ左右，為了實(shí)現(xiàn)與硫化鉛探測器的輸入阻抗匹配，簡單采用高輸入阻抗運(yùn)算放大電路是不能夠滿足使用需求的。本設(shè)計(jì)采用結(jié)型場效應(yīng)管Q1與Q2構(gòu)成跟隨電路，大大提高了輸入阻抗，再與Q4一同構(gòu)成整個(gè)前置放大電路的跨導(dǎo)放大電路，提供了1000倍左右的電流增益，最后通過高阻抗運(yùn)放OP37對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行小幅度放大，電壓增益為6。整個(gè)偏置及前置放大電路如圖2所示。

表1 J13TE2硫化鉛探測器基本參數(shù)Tab.1 The parameters of J13TE2PbS detector

圖2 探測器偏置電路及前置放大電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of detector bias circuit and preamplifier circuit

對(duì)于主放大電路而言，能否實(shí)現(xiàn)信號(hào)的探測很大程度上取決于主放大電路的放大及抑噪能力。通過三級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)將微弱的電壓信號(hào)放大6000倍的目的。首先通過第一級(jí)運(yùn)放OP27對(duì)信號(hào)進(jìn)行6倍的電壓放大，第二級(jí)運(yùn)放OP27對(duì)信號(hào)進(jìn)行10倍的電壓放大，第三級(jí)儀表運(yùn)放INA103，采用芯片廠家提供的技術(shù)手冊(cè)中的典型100倍電壓增益放大電路［6－11］；再通過合理地放置電容和電阻，對(duì)電路帶寬以外的噪聲進(jìn)行濾除，整個(gè)探測電路原理圖如圖3所示。

圖3 探測裝置放大電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of amplifying circuit detection device

加之前置放大電路的6倍電壓增益，整個(gè)探測電路總的電壓增益為36000，能夠?qū)O微弱的信號(hào)進(jìn)行探測，很好地滿足了使用需要。

電源正負(fù)極的電容，有效地濾除了電源引入的高頻和低頻雜波，三級(jí)運(yùn)放之間均有去耦電容，使前級(jí)與后級(jí)之間無相互串?dāng)_。

3 炸點(diǎn)探測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

與前兩者相比較，探測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性同樣不可忽視，如果結(jié)構(gòu)精度不能滿足使用需求，將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精度及使用性能。探測裝置的結(jié)構(gòu)主要包括：箱體、支架以及底座。整個(gè)裝置具有調(diào)節(jié)水平、對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)、保護(hù)箱體內(nèi)部電路等作用。

對(duì)于底座的設(shè)計(jì)，采用三軸可調(diào)水平底座設(shè)計(jì)，通過對(duì)三個(gè)支撐座的調(diào)節(jié)和調(diào)平水泡配合使用，完成整個(gè)探測器的水平調(diào)節(jié)，圖4為支撐座剖視圖。圖5為底座俯視圖，通過俯視圖可以看到，三個(gè)支撐座均勻分布，使底座具有良好的穩(wěn)定性，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。

圖4 支撐座剖視圖Fig.4 Sectional view of turning

圖5 底座俯視圖Fig.5 Top view of the base

對(duì)于探測器架體的設(shè)計(jì)，目的主要有兩個(gè)，一個(gè)是實(shí)現(xiàn)對(duì)探測器主體部分的支撐，第二個(gè)就是完成對(duì)箱體部分一定角度的俯仰，與激光器配合實(shí)現(xiàn)探測器與炸點(diǎn)位置的對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)槍或者炮瞄準(zhǔn)靶心時(shí)，探測裝置調(diào)水平，配合俯仰和360°旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)將探測器鏡頭用激光器對(duì)準(zhǔn)靶心，當(dāng)彈丸在靶面爆炸后，炸點(diǎn)位置應(yīng)在探測器視場中心附近。有了對(duì)準(zhǔn)裝置，被探測器接收到的炸點(diǎn)處的紅外輻射能與無對(duì)準(zhǔn)裝置相比將大幅度提高。探測器鏡頭軸線方向和激光器激光束方向垂直距離一定。當(dāng)整個(gè)裝置調(diào)節(jié)水平后，調(diào)節(jié)底座360°旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，和俯仰機(jī)構(gòu)，通過激光器對(duì)準(zhǔn)，完成整個(gè)對(duì)準(zhǔn)過程。圖6為整個(gè)探測裝置結(jié)構(gòu)主視圖。

圖6 探測裝置主視圖Fig.6 Main view of the detection device

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)上述理論進(jìn)行論證。采用硫化鉛探測器和紅外接收二極管分別進(jìn)行給定距離的探測，用直徑為5cm的炮竹代替炮彈炸點(diǎn)。通過激光瞄準(zhǔn)器將探測器與被測點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。

在戶外強(qiáng)光下（2000lx）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用紅外光電二極管作為傳感器的探測裝置會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)探測裝置上的電位器將靈敏度調(diào)低直至不發(fā)生誤報(bào)后進(jìn)行測試，從表2所示，紅外光電二極管探測裝置輸出均在0.0007V左右跳動(dòng)，且不隨探測距離發(fā)生任何變化，結(jié)果說明該裝置已經(jīng)不具備探測能力。硫化鉛探測器輸出幅值隨著探測距離的增加而減小，在25～30m處淹沒在噪聲之中，背景噪聲平均值為0.0010V，由數(shù)據(jù)可知，在30m處時(shí)，信號(hào)已完全淹沒在背景噪聲之中。

在其他條件不變的情況下進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，第一組具有激光瞄準(zhǔn)器而第二組無激光瞄準(zhǔn)器，探測器均選用硫化鉛探測器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 兩種探測器輸出電壓值對(duì)比Tab.2 The contrast of two kinds of detector output voltage value

表3 有無激光瞄準(zhǔn)器輸出值對(duì)比Tab.3 The contrast of laser sight output

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，以第一組值作為參照標(biāo)準(zhǔn)，第二組輸出電壓值在除5m處略高于第一組外，其余點(diǎn)均低于第一組，這說明探測器沒有完全接收到炸點(diǎn)處的能量，這是由于在沒有激光瞄準(zhǔn)裝置又無法精確定位的情況下，探測器與炸點(diǎn)中心位置沒有在一條直線上，造成了炸點(diǎn)能量信號(hào)的損失。在25m處，第二組輸出值已完全探測不到，淹沒在背景噪聲之中。

5 結(jié) 論

對(duì)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以分析，不難發(fā)現(xiàn)，以硫化鉛探測器為傳感器的紅外炸點(diǎn)探測電路與傳統(tǒng)紅外光電二極管探測器相比具有受光照影響小的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)更強(qiáng)的光照環(huán)境。采用低噪聲前置放大電路與高增益放大電路組成的紅外炸點(diǎn)探測電路，不僅做到了很好的阻抗匹配，而且設(shè)計(jì)了合適的電路帶寬有效地抑制了噪聲，同時(shí)主放大電路選用集成運(yùn)放，實(shí)現(xiàn)了電路的簡潔化，大大提高了電路的可靠性及穩(wěn)定性。最后，合理地設(shè)計(jì)了探測裝置系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅保護(hù)了在靶場惡略環(huán)境下工作的探測器及電路，同時(shí)提高了探測的精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)的目的。

本文對(duì)小視場紅外炸點(diǎn)探測裝置的傳感器、電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)證明，通過以上三方面優(yōu)化的探測裝置較以往的探測器具有更優(yōu)良的性能，探測性能大幅度提高，能夠滿足靶場測試實(shí)際需求。

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