大面積平行激光光幕靶在鳥(niǎo)撞速度測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

鄧麗華，葉 彪，劉國(guó)祥，孫福強(qiáng)，劉 宇

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展,鳥(niǎo)撞試驗(yàn)越來(lái)越受到航空部門(mén)的重視。在鳥(niǎo)撞試驗(yàn)中,鳥(niǎo)彈的速度是研究部件抗鳥(niǎo)撞特性的關(guān)鍵指標(biāo),試驗(yàn)中必須準(zhǔn)確可靠地測(cè)量出鳥(niǎo)彈的速度。

以前在飛機(jī)部件鳥(niǎo)撞試驗(yàn)中，曾經(jīng)使用多組線激光束來(lái)測(cè)量計(jì)算鳥(niǎo)彈速度，但其存在可靠性差、容易誤觸發(fā)等缺點(diǎn)，常常引起錯(cuò)誤的速度測(cè)量結(jié)果。

目前流行的速度測(cè)量區(qū)截裝置因被測(cè)物、環(huán)境等的差別有天幕靶、線圈靶、網(wǎng)靶和金屬泊靶等普通通、斷靶，且各有特點(diǎn)。激光光幕區(qū)截測(cè)量速度的方法因其高可靠度、非接觸測(cè)量、精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)在鳥(niǎo)撞試驗(yàn)中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

大面積激光光幕速度測(cè)試系統(tǒng)（如圖1所示）采用半導(dǎo)體激光發(fā)生器為光源，用菲涅耳透鏡形成平行激光幕單元，通過(guò)多個(gè)平行激光幕單元的無(wú)縫拼接形成大面積靶面,根據(jù)實(shí)際所需要的光幕靶面的大小選擇平行光幕單元模塊的個(gè)數(shù)。光幕靶的另一邊選用大面積PIN光敏二極管作為光電檢測(cè)器件，以確保在實(shí)現(xiàn)大面積光幕區(qū)的同時(shí)，平行激光的全部接收。當(dāng)高速飛行物體穿越激光光幕時(shí)，光通量的變化通過(guò)信號(hào)處理電路被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行波形顯示及數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)由啟動(dòng)光幕和停止光幕兩套相同的激光光幕靶構(gòu)成一套區(qū)截裝置。當(dāng)高速飛行物體穿越啟動(dòng)光幕靶時(shí)產(chǎn)生一個(gè)測(cè)速的啟動(dòng)信號(hào)，穿越停止光幕靶時(shí)產(chǎn)生一個(gè)測(cè)速的停止信號(hào)。啟動(dòng)光幕和停止光幕之間預(yù)設(shè)一個(gè)靶距，根據(jù)區(qū)截測(cè)速原理可以實(shí)現(xiàn)彈丸過(guò)靶速度的測(cè)試。

2 大面積平行光幕的形成

菲涅爾透鏡 (Fresnel lens)是一種精密的光學(xué)系統(tǒng)，它是根據(jù)對(duì)接收靈敏度和接收角度的要求設(shè)計(jì)制造的，通常由聚乙烯材料注塑成薄紋片，再刻上精細(xì)的鏡面和紋理。其技術(shù)精度要求甚高，優(yōu)質(zhì)透鏡必須紋理清晰、表面光潔、厚度在0.65 mm左右。紅外光的透過(guò)率應(yīng)大于65%。與傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃透鏡相比，菲涅爾透鏡具有重量輕，材料來(lái)源豐富，成本低，制作方便，口徑大，厚度薄等特點(diǎn)。菲涅爾透鏡在成像上有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)——有非球面透鏡的作用，可以消除球差。菲涅耳透鏡是一塊其中一面刻有一系列同心棱形槽的輕薄光學(xué)塑料片，其每個(gè)環(huán)帶都相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的折射面，這些棱形環(huán)帶都能使入射光線會(huì)聚到一個(gè)共同的焦點(diǎn)。在平行光垂直入射的情況下，在其焦面上能得到一個(gè)無(wú)像差的會(huì)聚點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇長(zhǎng)焦距消球差的柱面菲涅耳透鏡(見(jiàn)圖2)。

平行光幕是利用經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的“一”字線半導(dǎo)體激光器作為光源，經(jīng)菲涅耳透鏡形成平行光幕單元，然后由若干個(gè)平行光幕單元模塊無(wú)縫拼接形成大面積光幕靶面。該光幕具有良好的平行性。大面積平行光幕靶的原理如圖3所示。

圖1 大面積激光光幕速度測(cè)試系統(tǒng)

圖2 菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)光路圖

圖3 大面積平行光幕

3 高速飛行物速度計(jì)算

用兩套相同的激光光幕靶可構(gòu)成一套區(qū)截裝置。

當(dāng)鳥(niǎo)彈穿過(guò)激光光幕時(shí)，進(jìn)入光電檢測(cè)器的光通量將發(fā)生變化，由光電檢測(cè)器將變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。經(jīng)觸發(fā)整形成為具有一定脈沖寬度的觸發(fā)計(jì)時(shí)信號(hào)。以ti時(shí)刻的鳥(niǎo)彈通過(guò)啟動(dòng)靶的信號(hào)為起始信號(hào)，以ti′時(shí)刻鳥(niǎo)彈通過(guò)停止靶的信號(hào)為結(jié)束信號(hào)，得到鳥(niǎo)彈通過(guò)兩靶間距離Δx上所消耗的時(shí)間為Δti=ti′-ti，同時(shí)已知靶距為Δx，，因此可以根據(jù)V=Δx/Δti，計(jì)算出被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體通過(guò)該段距離的平均速度。激光測(cè)速靶系統(tǒng)工作框圖如圖4所示。

該激光光幕測(cè)速系統(tǒng)的測(cè)速軟件為R3030測(cè)時(shí)儀（如圖5所示）。R3030測(cè)時(shí)儀是新一代的武器試驗(yàn)專用智能測(cè)時(shí)/測(cè)速儀器，它主要負(fù)責(zé)對(duì)各信號(hào)進(jìn)行采集及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。該系列儀器可以在使用很長(zhǎng)的測(cè)試線路和電磁干擾信號(hào)較強(qiáng)的情況下準(zhǔn)確可靠地工作。信號(hào)的輸入端接光幕靶OC門(mén)電路輸出，如圖6白線所示。

圖4 激光測(cè)速靶系統(tǒng)工作框圖

4 光幕靶的靈敏度分析

在光幕靶的實(shí)際使用中，往往會(huì)發(fā)生誤觸發(fā)的情況。如蚊蟲(chóng)干擾，是指在室外使用光幕靶時(shí),由于蚊蟲(chóng)等低速物體穿過(guò)光幕靶的靶面時(shí)引起的誤觸發(fā)現(xiàn)象。光幕靶的有效視場(chǎng)越大,這種干擾出現(xiàn)的幾率也就越高,有時(shí)甚至使得測(cè)試無(wú)法進(jìn)行,給測(cè)試工作帶來(lái)了很大的不便。為了提高該測(cè)速系統(tǒng)的抗干擾能力，可根據(jù)被測(cè)物的大小選擇靈敏度（如圖6所示）。

圖5 R3030測(cè)時(shí)儀

圖6 光幕靶接收端的控制面板

光幕靶信號(hào)處理電路的工作原理如下:當(dāng)鳥(niǎo)彈穿過(guò)光幕靶時(shí),光電傳感器響應(yīng)光通量的變化,信號(hào)處理電路將這個(gè)變化信號(hào)經(jīng)過(guò)交流放大后進(jìn)入電壓比較器,當(dāng)幅值高于預(yù)定設(shè)置的比較電壓時(shí),比較器就翻轉(zhuǎn),產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。因此,無(wú)論什么因素,只要能使光幕靶的光通量產(chǎn)生足夠大的變化,測(cè)試系統(tǒng)就會(huì)有相應(yīng)的輸出。根據(jù)彈形不同,可分別采用彈底觸發(fā)和彈尖觸發(fā)。脈沖信號(hào)的前沿為彈尖觸發(fā)時(shí)刻,脈沖信號(hào)的后沿為彈底觸發(fā)時(shí)刻。該光幕靶的靈敏度是根據(jù)光通量變化的大小來(lái)分辨的。靈敏度調(diào)的越低，使光幕靶觸發(fā)所需的光通量變化就要越大。飛行小物體（如蚊蟲(chóng)）穿過(guò)激光光幕時(shí)，由于其擋光面積小，產(chǎn)生的光通量的變化也小，當(dāng)靈敏度調(diào)節(jié)到低檔時(shí)，小物體穿過(guò)激光光幕時(shí)所產(chǎn)生的光通量不足以將光幕靶觸發(fā)。所以在鳥(niǎo)撞試驗(yàn)測(cè)速中，靈敏度應(yīng)該盡可能調(diào)到低檔，以防止由于蚊蟲(chóng)、微塵所引起的誤觸發(fā)。靈敏度與被測(cè)物要求關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 靈敏度與被測(cè)物要求

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)證明光幕靶的靈敏度調(diào)到低檔時(shí)，小物體穿過(guò)激光光幕時(shí)不會(huì)引起誤觸發(fā)，極大提高了試驗(yàn)的可靠性。

試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置好R3030測(cè)時(shí)儀的各項(xiàng)參數(shù)，如靶距、通道等，準(zhǔn)備計(jì)時(shí)。當(dāng)彈丸穿過(guò)啟動(dòng)靶時(shí)，計(jì)時(shí)開(kāi)始；當(dāng)彈丸穿過(guò)停止靶時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束。顯示器顯示整個(gè)測(cè)速過(guò)程的時(shí)間（如圖7）所示。為了驗(yàn)證計(jì)時(shí)儀的準(zhǔn)確性，用瞬態(tài)波形記錄儀采集到鳥(niǎo)彈穿越啟動(dòng)靶與停止靶的波形，如圖8所示。采集到的波形經(jīng)放大，可精確地顯示出鳥(niǎo)彈穿過(guò)靶區(qū)的脈沖波形，穿過(guò)啟動(dòng)靶時(shí)的脈沖波形如圖9所示，穿過(guò)停止靶的脈沖波形如圖10所示。根據(jù)兩波形下降沿的時(shí)間間隔，可以讀出整個(gè)測(cè)速過(guò)程的時(shí)間。

圖7 計(jì)時(shí)儀采集到的時(shí)間

圖8 彈丸穿過(guò)兩靶區(qū)的波形

圖9 彈丸穿過(guò)啟動(dòng)靶的脈沖波形

圖10 彈丸穿過(guò)停止靶的脈沖波形

為驗(yàn)證測(cè)速誤差，我們通過(guò)10次試驗(yàn)比較了兩套設(shè)備的所測(cè)時(shí)間，驗(yàn)證了時(shí)間的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)中計(jì)時(shí)儀與瞬態(tài)記錄儀所測(cè)時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表2。試驗(yàn)證明，用瞬態(tài)波形記錄儀采集到的時(shí)間和計(jì)時(shí)儀采集到的時(shí)間誤差≤0.2‰。

表2 試驗(yàn)中計(jì)時(shí)儀與瞬態(tài)記錄儀所測(cè)時(shí)間對(duì)比

6 結(jié)論

試驗(yàn)證明該激光光幕測(cè)速系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、精度高、工作可靠、光幕區(qū)面積大、靈敏度高、非接觸等特點(diǎn)。為飛機(jī)鳥(niǎo)撞試驗(yàn)提供了一種更可靠更先進(jìn)的鳥(niǎo)彈速度測(cè)試方法。

[1]鄧均.大面積平行光幕著點(diǎn)系統(tǒng).光電工程,2010,3.

[2]康建毅.激光測(cè)量子彈速度研究,激光與紅外,2002,2.