亞毫米級彈丸光電探測技術(shù)

任磊生, 羅錦陽, 羅 慶, 龍 耀, 黃 潔

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

通過在地面靶室進行航天器抗空間碎片防護性能試驗研究是提高航天器防護水平和生存能力的有效途徑之一。就目前國內(nèi)外的技術(shù)水平而言，開展航天器抗空間碎片防護性能和毀傷機理試驗最成熟的設(shè)備是超高速碰撞靶。在超高速碰撞靶的模擬試驗中，只有成功探測彈丸，才能對彈丸進行速度測量和控制其他測試設(shè)備測量撞擊過程的瞬態(tài)參數(shù)。

目前國內(nèi)外對彈丸無干擾探測的方法主要有高速攝影法、磁感應(yīng)法和光電探測法等多種技術(shù)途徑。高速攝影法是采用炮口火光啟動高速攝影機，利用高速相機，拍攝彈丸姿態(tài)，然后通過計算照片中彈丸位置的改變量和拍攝間隔時間，得到彈丸速度。該方法一是價格太高，一般要幾百萬元；二是亞毫米彈丸在高速攝影底片中判讀難度較大，測量誤差較大，導(dǎo)致測速精度較低。磁感應(yīng)法是在發(fā)射裝置附近安裝多個感應(yīng)線圈，線圈中通有電流，這樣便在線圈周圍形成一個電磁場，當(dāng)飛行彈丸經(jīng)過線圈時就會引起磁場的變化產(chǎn)生信號，根據(jù)信號的間隔時間及線圈的距離計算出彈丸在兩個線圈區(qū)段的速度均值，達到測速的目的。磁感應(yīng)法要求彈丸必須為金屬材料或增加磁環(huán)，對材料要求較高。光電探測法是以光電轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的高速彈丸速度測量裝置。它以平行激光光幕為靶面，當(dāng)彈丸高速穿過光幕時，光電接收部分收到的光通量發(fā)生變化，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電信號的變化，根據(jù)信號的間隔時間及激光光幕的距離計算出彈丸通過光幕的平均速度。它具有測試精度高、靈敏度調(diào)節(jié)靈活、便于維護操作和成本低等特點，是最好的高速彈丸探測方法[1-3]。

國內(nèi)用于高速彈丸速度測量的光電探測系統(tǒng)主要是針對大尺寸彈丸，如中國空氣動力研究與發(fā)展中心用于不同口徑二級輕氣炮的TC-300、TC-100和TC-50光電探測器[4]，西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院研制的光電探測靶[5]，西北核技術(shù)研究所用于毫米級彈丸速度測量的光電檢測裝置等。其中中國空氣動力研究與發(fā)展中心的TC-50光電探測器可以探測Φ0.5mm的彈丸，但在探測Φ0.5～1.0mm的彈丸時，彈丸信號幅值小。為適應(yīng)1mm以下彈丸超高速碰撞試驗的需要，中國空氣動力研究與發(fā)展中心的自由飛彈道靶研究室開展光電陣列探測技術(shù)研究，以滿足試驗和研究的需要。

本文對光電陣列探測方法的探測光路和探測電路進行設(shè)計，并對驗證裝置的設(shè)計和驗證試驗結(jié)果進行介紹。

1 片光遮擋法的光電探測原理

片光遮擋法的彈丸探測采用點激光光源作為探測光源，圖1為片光遮擋法彈丸探測示意圖。半導(dǎo)體激光器能量主要集中束腰半徑內(nèi)，通過光闌對光束進行約束后，可近似認為在矩形探測視場范圍內(nèi)光強呈均勻分布[6]。

圖1 片光遮擋法彈丸探測原理圖

其工作原理為當(dāng)光電二級管在光電導(dǎo)工作模式下，且工作在線性區(qū)域時，光電二極管產(chǎn)生的光電流與其接收的光通量成正比；當(dāng)彈丸高速穿越探測光路時，彈丸遮擋部分光線，使得光電二極管接收的光通量發(fā)生改變、光電二極管產(chǎn)生變化的光電流，從而使得負載電阻產(chǎn)生變化的電壓信號。

設(shè)片光光強為φ，片光寬度為D，彈丸直徑為d，在彈丸高速穿越探測光路時光電探測模塊所產(chǎn)生的變化電壓為：

(1)

式中：β=ηq/hυ為響應(yīng)系數(shù)，η為量子效率，q為電子電荷，h為玻爾茲曼常數(shù)，υ為光波頻率，R為轉(zhuǎn)換電路電阻阻值。

由公式(1)可見，產(chǎn)生的電壓信號與d成正比關(guān)系。當(dāng)探測彈丸直徑逐漸減小，彈丸對片光的遮擋程度將逐漸減弱，U值也將逐漸減小，當(dāng)U值小到與噪聲信號接近時，將無法識別彈丸信號。

2 光電陣列探測技術(shù)原理

2.1光電陣列探測亞毫米彈丸的設(shè)計原理

根據(jù)式(1)，小彈丸對片光遮擋效應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號與β、φ、d/D和R等參數(shù)成正比關(guān)系。但是對于探測電路而言，增大β、φ、R等3個參數(shù)時，對應(yīng)的噪聲信號也隨之增加，難以達到改善這種遮擋效應(yīng)的抗噪聲干擾的目的，所以在此考慮通過增大d/D來提高小彈丸對片光遮擋效應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號，從而提出了光電陣列探測技術(shù)。

2.2光電陣列探測技術(shù)原理

光電陣列探測技術(shù)的原理是改變傳統(tǒng)光電探測器接收端的單個光電接收模塊模式，在光電探測器的接收端用光電二極管陣列接收來自發(fā)射端的光信號，并進行光電轉(zhuǎn)換，光電二極管陣列輸出的多路電信號經(jīng)過處理后成為一路電信號。在光電探測器的接收端將來自發(fā)射端的平行片光拆分成多路光束后匯聚到光電二極管陣列的多個接收窗口，以減小單個探測視場的寬度。圖2為光電陣列探測原理圖。當(dāng)小彈丸穿過探測光路的任意一路分光路時，接收該分光路的光電二極管的光通量發(fā)生改變，輸出變化的電信號；而其他光電二極管的光通量未發(fā)生改變，輸出的電信號不發(fā)生改變；于是該光電模塊產(chǎn)生的電信號經(jīng)后端處理電路的處理后被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集成為彈丸穿過探測光路時的彈丸信號。這樣就將式(1)中的探測視場和彈丸直徑比轉(zhuǎn)換為分探測光路的寬度和彈丸直徑比，大幅度降低了探測視場和彈丸直徑比。

圖2 光電陣列探測原理圖

在圖2所示的光電陣列探測原理圖中，探測視場被等分拆成6個分探測光路，每個光電模塊接收的分光路寬度是整個探測光路寬度的1/6。由式(1)可知，如果分探測光路的光強為φ，那么采用光電陣列探測技術(shù)能夠?qū)⒐怆娞綔y器的信噪比提高至6倍，能夠?qū)⒐怆娞綔y器可靠探測的彈丸直徑下限縮小至1/6。

2.3探測光路設(shè)計

探測光路設(shè)計主要的難點是把來自發(fā)射端的平行片光拆分成多路光束后匯聚到光電二極管陣列的各個接收窗口。在光電探測器接收端對探測光路拆分時，要減小分探測光路間的縫隙，避免形成探測盲區(qū)。由于探測的彈丸直徑為亞毫米級，則探測光路的縫隙要達到0.01mm級別。在探測光路設(shè)計時，采用了復(fù)眼透鏡和透鏡組合兩種方式對探測光路的拆分匯聚。

2.3.1復(fù)眼透鏡方式

復(fù)眼透鏡是由一系列小透鏡組合形成，每個透鏡都能單獨成像。平行片光經(jīng)過復(fù)眼透鏡時，照射在同一透鏡的光線被匯聚在該透鏡的焦點處，相鄰?fù)哥R間的縫隙能夠達到0.01mm級別，滿足設(shè)計要求。

2.3.2透鏡組合方式

透鏡組合方式是將多個小透鏡打磨后粘接排列在薄的光學(xué)玻璃板上，組合成為一列排列緊密的透鏡組，每個透鏡單獨成像。為了降低透鏡的加工精度、粘結(jié)精度及成本，將探測光路先擴束放大后再進行拆分。

2.4探測電路設(shè)計

2.4.1光電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

光電轉(zhuǎn)換選用高靈敏度PIN光電二極管。所用光電二極管的響應(yīng)頻率和響應(yīng)波長與探測光源相對應(yīng)，其結(jié)電容大，并聯(lián)電阻大。大的結(jié)電容可增加帶寬，同時具有較小的噪聲；而大并聯(lián)電阻的光電二極管具有小的暗電流，可減小信號噪聲。根據(jù)光電二極管的伏安特性曲線，設(shè)計其工作于反向電壓模式。光電二極管的工作點通過對半導(dǎo)體激光光源的光功率來進行設(shè)計，既要滿足在光功率變化范圍之內(nèi)，光電二極管工作于線性區(qū)域，同時又要滿足取樣電壓能適合后級放大電路[7-9]。

信號取樣設(shè)計為電壓取樣，取樣電阻通過電容和光電二級管并聯(lián)。

2.4.2光電陣列模塊信號處理電路設(shè)計

由于每個光電模塊都會產(chǎn)生一路電信號，需將多個光電模塊產(chǎn)生的多路電壓信號處理成為一路電信號。

探測光源的波動是光電探測器的一個重要噪聲源[10]。在將幾路電信號整合時，需避免光源波動產(chǎn)生的噪聲被疊加、放大，降低信噪比。在該模塊設(shè)計中采用差分放大電路處理多路電信號。其原理是將光電模塊按位置分為兩組，每組光電模塊產(chǎn)生的多電壓信號經(jīng)加法電路處理為一電壓信號，然后與另一個加法電路處理的電信號進行差分放大，輸出一路電壓信號。光電模塊信號處理電路如圖3所示。

圖3 光電模塊信號處理電路

2.4.3后級放大電路設(shè)計

放大電路要滿足寬帶寬、低噪聲和高放大倍數(shù)。為了實現(xiàn)高增益、寬帶寬，整個電路采取兩級放大器串聯(lián)，使單個放大器工作于低增益、寬帶寬狀態(tài)，通過兩級串聯(lián)來獲得高增益。對于降低噪聲，一是采用失調(diào)電壓和溫度漂移相互補償?shù)亩夁\放電路，利用參數(shù)基本一致的兩塊放大器AD844，第一級正向放大，第二級反向放大，通過相互補償減小失調(diào)電壓和溫度漂移；二是通過仿真分析，選擇合適的電阻阻值和進行電阻濾除噪聲設(shè)計；三是對印制板的走線進行細致分析設(shè)計，減小電源和接地點對電路噪聲的影響。

3 驗證試驗及分析

3.1試驗條件

驗證試驗在FD-18A超高速碰撞靶上進行，試驗彈丸尺寸：Φ0.6mm、Φ1.2mm；彈丸發(fā)射速度：約3km/s ；靶室壓力：300Pa。

圖4 FD-18A超高速彈道靶

3.2試驗裝置

光電陣列探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括超高速碰撞靶TC-50光電探測器的發(fā)射端、發(fā)散透鏡、復(fù)眼透鏡和光電陣列探測模塊：其中，TC-50光電探測器的發(fā)射端用來發(fā)射平行片光形成寬50mm的探測視場，發(fā)散透鏡用于將平行片光擴束，復(fù)眼透鏡用于將來自發(fā)射端的平行片光分成6路光束后匯聚到光電二極管陣列的各個接收窗口，光電陣列探測模塊用于接收光信號并進行處理。光電陣列探測系統(tǒng)如圖5所示。由于在探測光路設(shè)計中選用透鏡組合方式拆分光路需重新加工透鏡組，透鏡組的加工費用又較高，所以在驗證試驗中不采用透鏡組合方式。

圖5 光電陣列探測系統(tǒng)

3.3試驗結(jié)果與分析

試驗獲得的彈丸信號如圖6和7所示。圖6為彈丸尺寸Φ0.6mm、速度2.8km/s試驗中光電陣列探測系統(tǒng)的探測信號，信號峰值為4.096V，噪聲幅值為0.354V；圖7為彈丸尺寸Φ1.2mm、速度3.0km/s試驗中光電陣列探測系統(tǒng)的探測信號，信號峰值為8.768V，噪聲幅值為0.354V。

圖6 Φ0.6mm彈丸信號

圖7 Φ1.2mm彈丸信號

根據(jù)光電陣列探測的原理，彈丸在高速穿過探測光幕時產(chǎn)生的電壓信號與彈丸直徑成正比關(guān)系。結(jié)合試驗結(jié)果，對該光電陣列探測系統(tǒng)的響應(yīng)度進行分析，并對該光電陣列探測系統(tǒng)的探測能力進行分析。

3.3.1光電陣列探測系統(tǒng)響應(yīng)線性度

通過電壓幅值與彈丸直徑的比值可確定光電陣列探測系統(tǒng)的響應(yīng)度。

由圖6可得探測系統(tǒng)對Φ0.6mm彈丸的響應(yīng)度為：

4.096/0.6=6.826V/mm

(2)

由圖7可得探測系統(tǒng)對Φ1.2mm彈丸的響應(yīng)度為：

8.768/1.2=7.306V/mm

(3)

雖然不同片光位置的光強度不一致，但經(jīng)過光闌對光束約束處理后其差別較小，可認為光電陣列探測系統(tǒng)對不同直徑的彈丸的響應(yīng)基本為線性。

3.3.2光電陣列探測系統(tǒng)探測能力分析

由圖6和7可得光電陣列探測系統(tǒng)的噪聲為0.354V，根據(jù)信噪比分析結(jié)果可推算光電陣列探測系統(tǒng)可探測最小彈丸直徑為(響應(yīng)度按Φ0.6mm彈丸的響應(yīng)度計算)：

最小彈丸直徑=0.354/6.826=0.05mm

(4)

4 結(jié) 論

通過開展光電陣列探測技術(shù)研究和驗證試驗，可知光電陣列探測技術(shù)能夠提高光電探測器的性能、提高信噪比和探測下限，其最小彈丸探測直徑可達0.1mm，滿足超高速碰撞試驗中亞毫米彈丸的可靠探測和測速控制的需求，進一步拓展了超高速碰撞靶開展空間碎片防護試驗的范圍。

參考文獻:

[1]李翰山. 光電探測靶探測性能分析[J]. 電光與控制, 2008, 15(7): 72-74.

Li Hanshan. Detection performance analysis of optic-electric detecting target board[J]. Electronics Optics &Control, 2008, 15(7): 72-74.

[2]李翰山, 高洪堯, 江銘. 天幕靶光電探測性能改善研究[J]. 彈道學(xué)報, 2007, 19(1):33-36.

Li Hanshan, Gao Hongyao, Jiang Ming. A study on improving the performance of photo-electricity detecting of sky-screen[J]. Journal of Ballistics, 2007, 19(1): 33-36.

[3]倪晉平, 王鐵嶺. 光電靶的工作原理及應(yīng)用[J]. 西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報, 1997, 17(1): 31-35.

Ni Jinping, Wang Tieling. The principle and application of screens[J]. Journal of Xi’an Institute of Technology, 1997, 17(1): 31-35.

[4]羅錦陽, 柳森, 羅慶, 等. 超高速碰撞靶微小彈丸/粒子激光片光測速技術(shù)[C]//中國兵工學(xué)會彈道專業(yè)委員會學(xué)術(shù)交流會, 山西太原, 2004.

Luo Jingyang, Liu Sen, Luo Qing, et al. Hypervelocity impact target tiny projectile laser sheet velocity[C]//Professional Committee of China Ordnance Society Symposium Ballistic, Taiyuan Shanxi, 2004.

[5]倪晉平, 王鐵嶺. 高穩(wěn)定性光幕靶研制[J]. 西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報, 1997, 17(1): 42-45.

Ni Jinping, Wang Tieling. A study on high stable screens[J]. Journal of Xi’An Institute of Technology, 1997, 17(1): 42-45.

[6]羅錦陽, 黃潔, 部紹清, 等. 片光反射遮擋式超高速亞毫米粒子探測技術(shù)[J]. 實驗流體力學(xué), 2012, 26(3): 82-83.

Luo Jinyang, Huang Jie, Bu Shaoqing, et al. Research of hypervelocity particle detect technology by multi-reflect sheet laser[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2012, 26(3): 82-83.

[7]郝曉劍, 李仰軍. 光電探測技術(shù)與原理[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009: 100-110.

Hao Xiaojian, Li Yangjun. Optical detection and technical principles[M]. Beijing: Defense Industry Press, 2009: 100-110.

[8]范志剛. 光電測試技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2003: 52-78.

Fan Zhigang. Optical testing techniques[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2003: 52-78.

[9]雷玉堂, 王慶友. 光電檢測技術(shù)[M]. 北京：中國計量出版社, 2004: 110-150.

Lei Yutang, Wang Qingyou. Photoelectric detection technology[M]. Beijing: China Metrology Publishing House, 2004: 110-150.

[10] 王立剛, 建天成. 基于光電二極管檢測電路的噪聲分析與電路設(shè)計[J]. 大慶石油學(xué)院學(xué)報, 2009, 33(2): 88-90.

Wang Ligang, Jian Tiancheng. Noise analysis and circuit design of detection circuit based on photodiode[J]. Journal of Daqing Petroleum Institute, 2009, 33(2): 88-90.

作者簡介:

任磊生(1983-)，男，湖北老河口人，工程師。研究方向：彈道靶測控。通信地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail： skyandecho@163.com