光幕靶探測(cè)光幕光能及性能研究

李豪杰

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安 710032)

目前，光幕靶靶面已達(dá)到3 m×3 m，但可以投入實(shí)際應(yīng)用的只有2 m×2 m，隨著武器測(cè)試技術(shù)的發(fā)展要求，對(duì)測(cè)試靶面的大小和性能提出了更高的要求，軍方甚至提出了3 m×3 m～10 m×10 m靶面的要求，為此，有必要進(jìn)行更大靶面的光幕性能進(jìn)行分析［1－2］。

1 原理

文中的研究對(duì)象是發(fā)光二極管組成的線光源，研究的主要內(nèi)容是該線光源所形成光幕的光能分布以及該光幕的探測(cè)靈敏度［3－5］。該光幕靶的模型如圖1所示。

該光幕靶模型的左側(cè)為發(fā)光二極管組成的線光源，右側(cè)為光電接收單元，發(fā)光二極管陣列前有一個(gè)狹縫光闌，其作用是限制在垂直光幕面方向上的雜散光，當(dāng)有目標(biāo)穿過(guò)光幕時(shí)，引起光電接收單元上光通量的變化，經(jīng)后續(xù)信號(hào)調(diào)理電路放大這個(gè)微弱信號(hào)，最終輸出一個(gè)脈沖［6－7］。

圖1 光幕靶模型

表征發(fā)光二極管的參數(shù)主要有:法線方向上的光強(qiáng)、發(fā)射角、發(fā)光強(qiáng)度的角分布等，考慮到光幕面光能量是多個(gè)發(fā)光二極管光能疊加的結(jié)果，每個(gè)發(fā)光二極管對(duì)整個(gè)光幕的能量貢獻(xiàn)僅占百分之幾，為簡(jiǎn)化分析，建立模型假設(shè)每個(gè)發(fā)光二極管的發(fā)射角θ為常數(shù)，且在不同角度的光強(qiáng)分布均勻，發(fā)光二極管的排列間距為d［8］。

2 光能分布

設(shè)單個(gè)發(fā)光二極管法線方向上的光強(qiáng)為I0，在距離 x處的光強(qiáng) I為［9］

其中，k為比例系數(shù)。

單個(gè)發(fā)光二極管的發(fā)光模型如圖2所示，在距離為x處的光照區(qū)域?yàn)閙，由幾何關(guān)系可以得出

圖2 單個(gè)發(fā)光二極管發(fā)光模型

由于每個(gè)發(fā)光二極管的發(fā)光情況獨(dú)立，因此整個(gè)光幕面的發(fā)光能量情況是各發(fā)光二極管能量代數(shù)和的疊加［10－14］。

圖3 光能分布示意圖

根據(jù)圖1所示的光幕靶模型，可將整個(gè)有效探測(cè)靶面的光幕靶能量分布分成如圖3所示的3個(gè)區(qū)域。對(duì)于1#區(qū)域，由于收到光源發(fā)散角的限制，不可避免的存在測(cè)量盲區(qū)，當(dāng)目標(biāo)正好從該測(cè)量盲區(qū)通過(guò)時(shí)，我們就不能檢測(cè)到目標(biāo)的過(guò)靶信息。對(duì)于2#區(qū)域，由于既不存在測(cè)量盲區(qū)又能量損失過(guò)大的問(wèn)題，因此比較適合作為探測(cè)區(qū)域。因?yàn)槊總€(gè)發(fā)光二極管都以間距d均勻排列，所以每個(gè)發(fā)光二極管的照射區(qū)域都以間距均勻疊加，則2#區(qū)域的光強(qiáng)。對(duì)于3#區(qū)域，由于光能量在空氣介質(zhì)傳播過(guò)程中存在散射、吸收等能量損失，故而目標(biāo)通過(guò)該區(qū)域時(shí)由于目標(biāo)過(guò)靶時(shí)引起的能量變化過(guò)小，淹沒(méi)在噪聲中，不能被提取出來(lái)，因此該區(qū)域不適合作為探測(cè)區(qū)域。

把式(1)和式(2)代入式(3)，可得

3 光幕性能

在光幕靶測(cè)量系統(tǒng)中，狹縫是形成光幕的必要條件，狹縫的寬度決定了光幕的寬度并且影響探測(cè)器件接收光能的多少，因此整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)中狹縫光闌起到了重要作用。受到探測(cè)器接收角度的影響，一般設(shè)計(jì)狹縫的寬度與探測(cè)器件的感光面寬度一致即可。光幕的厚度L和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的長(zhǎng)度l，必然存在3種關(guān)系，光幕厚度大于、小于或者等于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的長(zhǎng)度，如圖4所示。在這3種情況下光幕靶的探測(cè)靈敏度和捕獲率不同，需要具體分析［15－17］。

圖4 光幕厚度與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)長(zhǎng)度關(guān)系

光幕靶的工作原理是當(dāng)彈丸通過(guò)光幕時(shí)，對(duì)光路進(jìn)行遮擋，進(jìn)而光電轉(zhuǎn)換器件上的光能量將發(fā)生變化，引起光電轉(zhuǎn)換器件上的電流發(fā)生變化。由此可知光幕靶的靈敏度是指能探測(cè)到的最小光通量變化，它可表示為

其中，δ為光幕靶的靈敏度;φmin為能探測(cè)到的最小光通量變化;φ為光電轉(zhuǎn)換器件敏感面接收到的總能量。從光幕靶的靈敏度的定義可以看出，在信號(hào)放大調(diào)理電路確定的情況下，光幕靶的靈敏度與被遮擋的最小光能量有關(guān)，它是一個(gè)常量，如果光電器件接收到的總的光能量越多，它所占的比重越小，靈敏度就越高，捕獲率也相應(yīng)提高［18－19］。

假設(shè)目標(biāo)在與光幕垂直平面上投影寬度為h，如果φmin為系統(tǒng)有信號(hào)輸出的最小光通量，對(duì)應(yīng)的探測(cè)距離為x'，那么在光幕厚度與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)長(zhǎng)度3種關(guān)系下的最小變化光通量φmin為

從式(4)可以看出，在光幕能量均勻的情況下，當(dāng)光幕厚度小于等于目標(biāo)長(zhǎng)度時(shí)，φmin與目標(biāo)的投影面積相關(guān);當(dāng)光幕厚度大于目標(biāo)長(zhǎng)度時(shí)，φmin與目標(biāo)的投影寬度和幕厚有關(guān)。

在光幕靶探測(cè)系統(tǒng)中，根據(jù)目標(biāo)穿越光幕的過(guò)程，目標(biāo)在探測(cè)器件上產(chǎn)生的目標(biāo)信號(hào)值可以表示為

其中，A為光電器件的平均響應(yīng)度;Δk為光電探測(cè)器的邊長(zhǎng);v為目標(biāo)的飛行速度。

背景噪聲產(chǎn)生的信號(hào)值IB可表示為

其中，I1為背景噪聲值;有I1=AE0(Δk)2t;(Δk)2為光電探測(cè)器的感光面積;t為目標(biāo)作用于光幕的時(shí)間;A為光電器件的平均響應(yīng)度;I2為光電器件的暗電流。

為能夠檢測(cè)出目標(biāo)信息，目標(biāo)信號(hào)與背景噪聲必須滿足一定的條件

其中，Imin為光電器件所能表示的最低信號(hào)值;Imax為光電器件飽和輸出的信號(hào)值。

假設(shè)目標(biāo)穿越光幕時(shí)遮擋的光通量Δφ所引起的光電轉(zhuǎn)換輸出的信號(hào)幅值為V，有

其中，β為放大倍數(shù);κ為光電探測(cè)器的靈敏度;R為電流電壓轉(zhuǎn)換的等效電阻。從式(10)可以看出，探測(cè)電路輸出的信號(hào)幅值與目標(biāo)所遮擋的光通量Δφ成正比，目標(biāo)所遮擋的光通量Δφ又與目標(biāo)穿越光幕的區(qū)間有關(guān)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

探測(cè)電路如圖5所示，為了提高光電轉(zhuǎn)換效率D1采用PIN。

圖5 光電探測(cè)電路

光電二極管陣列，Rf為反饋電阻，完成電流/電壓轉(zhuǎn)換，Cf可以抑制白噪聲;C3、C4、C5和 R2組成一個(gè)低通濾波電路，抑制高頻干擾;R2、R4和R8可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，進(jìn)而控制目標(biāo)信號(hào)輸出值的大小。通過(guò)示波器采集到的目標(biāo)過(guò)靶信號(hào)，如圖6所示。

圖6 目標(biāo)過(guò)靶信號(hào)

由圖6可以看出，該探測(cè)電路可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

從單個(gè)發(fā)光二極管出發(fā)，建立了整個(gè)光幕區(qū)域的光能分布模型;通過(guò)分析光幕厚度與目標(biāo)長(zhǎng)度的3種關(guān)系得出不同情況下的最小光通量;通過(guò)分析不同因素對(duì)目標(biāo)信號(hào)幅值的影響得出探測(cè)電路輸出信號(hào)幅值的理論計(jì)算公式。為設(shè)計(jì)更大靶面的光幕靶提供了理論依據(jù)。

［1］NI Jinping，TIAN Hui.Measurement of the velocity vector of a flying projectile with infrared light screens［C］.Xi'an，China:The2ndSPIE Internation Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies，2005.

［2］李翰山，雷志勇，袁朝輝.立靶光幕探測(cè)性能分析與彈丸信息提取研究［J］.軍事測(cè)控技術(shù)，2010，18(8):1831－1837.

［3］劉群華，陳霞，楊波，等.光幕性能測(cè)試系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模和軟件設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)技術(shù)，2009，3 35(2):59－62.

［4］李翰山，袁朝輝，雷志勇.探測(cè)光幕中的高速?gòu)椡杓t外輻射特性分析［J］.紅外與激光工程，2009，38(5):59－62.

［5］李翰山，盧麗萍，雷志勇.光幕幕厚與大氣對(duì)彈丸紅外熱輻射探測(cè)性能影響研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，35(3):298－303.

［6］李翰山，袁朝輝，雷志勇.探測(cè)光幕的高速?gòu)椡杓t外輻射信號(hào)獲取研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(3):166－168.

［7］董濤，倪晉平，馬群，等.10m×10m大靶面激光立靶設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)技術(shù)，2010，36(3):368－371.

［8］方俊彬，劉偉平，林仕相，等.基于SoC的高穩(wěn)定度激光光源驅(qū)動(dòng)器［J］.光通信研究，2004(2):64－66.

［9］董濤，倪晉平.基于天幕靶的六光幕立靶測(cè)量原理［J］.應(yīng)用光學(xué)，2011，32(5):913 －916.

［10］王芳，狄長(zhǎng)安，賈云飛.反射式大面積光幕測(cè)速裝置研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(12):11 －13.

［11］賈兆輝，施浣芳.光幕靶靶面光能分布均勻性的研究［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，25(4):319－322.

［12］秦向軍，周漢昌.激光光幕自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2009，36(3):30 －31.

［13］王嶸.輕武器射擊參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用研究［D］.重慶:重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，2007.

［14］石林.收發(fā)一體化光幕靶測(cè)試技術(shù)研究［D］.西安:西安工業(yè)大學(xué)，2010.

［15］安龍華.LD(Laser Diode)抽運(yùn)固體激光器控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)［D］.西安:西安理工大學(xué)，2007.

［16］關(guān)貞珍，楊潤(rùn)澤，舒鑫，等.高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度測(cè)量系統(tǒng)［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2006，25(10):14－16.

［17］蔡懷宇，王文濤，孫秋實(shí)，等.高速物體速度測(cè)量反射式光幕光電性能研究［J］.傳感與微系統(tǒng)，2011，30(5):27－29.

［18］張明熙.激光坐標(biāo)定位法在自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2004，30(增刊):527 －529.

［19］馬學(xué)林，嚴(yán)仲民，董亮，等.基于FPGA的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)單光幕測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(12):1－3.