高靈敏度、小視場角炮口焰紅外觸發(fā)器的研究

雷 挺，賀 偉

(西安郵電大學研究生院通信與信息工程學院，陜西西安710061)

1 引言

紅外輻射探測器是彈藥、武器系統(tǒng)測試時接收發(fā)射炸點輻射的計時零點輸出裝置。隨著國防工業(yè)技術的發(fā)展，各型口徑的彈藥及武器系統(tǒng)層出不窮，使用要求也不斷變化，對彈藥及武器系統(tǒng)列裝前的靶場測試過程也提出了更高的要求。如何更加及時有效地檢測炸點信息或由此精確測量彈藥的飛行時間或調整、控制彈藥的成分，更加有效地提升彈藥的品質就成為研究各彈藥及引爆系統(tǒng)的重要課題。

傳統(tǒng)紅外輻射探測裝置的調理電路由場效應管和高阻抗運放組成，探測靈敏度較低、輸出不穩(wěn)定且場效應管極易損壞，后續(xù)附帶設備較多且使用不方便。本文在借鑒已有檢測設備的諸多優(yōu)點后，提出了一種差分信號輸出的具有遠觸發(fā)距離、遠傳輸距離、小延遲誤差特點的便攜式炮口焰探測裝置。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

根據設備使用要求:

(1)視場角:±3°;

(2)觸發(fā)距離:130 mm，≤300 m;

(3)觸發(fā)信號輸出線長度:≥200 m屏蔽線;

(4)工作溫度:－40～50℃;

(5)工作環(huán)境:室外任意地形。

據此，設計檢測裝置由光學系統(tǒng)、探測器件、調理電路和輔助器件組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Systematic diagram

2.1 探測器件

彈藥出膛及爆炸物爆炸后釋放出大量的光和熱，不同的彈藥產生不同的火焰溫度，對應不同的火焰光譜強度，光譜主要集中在可見光和近紅外區(qū)域。為了避免可見光區(qū)域背景光干擾強烈的缺點，選擇位于大氣窗口的1～3 μm波長探測器件較為適合。

PbS紅外探測器作為1～3 μm大氣窗口的探測設備，在紅外跟蹤、紅外制導、非接觸測溫、火焰探測、光電開關等諸多領域廣泛應用［1］。隨著生產工藝的改進，溫度、振動、沖擊等影響因素也得到了較好的解決。實際中采用帶濾光片的MG9306型PbS探測器，其主要技術指標如表1所示。

表1 MG9306型PbS探測器技術指標Tab.1 MG9306 type PbS detector technology indicators

2.2 光學系統(tǒng)［2］

彈藥及爆炸物爆炸時伴隨有大量的熱和沖擊波，為了保護人員及測試設備的安全都必須遠離爆點，但距離越遠接收到的有用信號就越弱且背景環(huán)境的干擾也就越強［3］。為此，摒棄傳統(tǒng)大視場角光學系統(tǒng)測量的方法，利用凸透鏡成像規(guī)律，提出帶有瞄準具的±3°小視場光學系統(tǒng)［4］的方法。

根據公式:

其中，f為焦距;u為物距;v為像距;nL為透鏡材料折射率;r1為凸透鏡物方球面的曲率半徑;r2為凸透鏡像方球面的曲率半徑，選取凸透鏡作為光學鏡頭。

PbS紅外探測器的探測窗口與透鏡的圓心處于同一基準線上且垂直于基準線并平行放置，相距f，由于u遠大于f，像距落在1～2 f之間，由于所用探測器的圓面半徑為，且小視場角為 ±3°，由相對折射率公式:

其中，θ1為介質1的入射角;θ2為介質2的折射角;n1為介質1的折射率;n2為介質2的折射率。

圖2 凸透鏡成像規(guī)律圖Fig.2 Figure convex imaging laws

因此，探測器在加與未加光學系統(tǒng)時，光敏面接收到的光功率發(fā)生變化，產生光增益［5］:

其中，τ為光學系統(tǒng)透射率;A為光學系統(tǒng)入瞳面積;Ad為探測器光敏面面積。該光學系統(tǒng)的光學系統(tǒng)透射率0.92，光學系統(tǒng)入瞳面積4213.88 mm2，探測器光敏面面積36 mm2，光增益為107.68。

2.3 基本調理電路

PbS紅外探測器為光導型傳感器，當接收到外界紅外輻射時其阻值下降，外界輻射消失后阻值恢復。因此，將PbS紅外探測器看做一個可變電阻并串聯恒流偏置電路，將外界輻射信號轉化為電壓信號。但實際中，PbS紅外探測器接收到的輻射信號是比較微弱的且為反向輸出，因此，將已轉化好的電壓信號再經過反向放大、電壓比較，成為一定幅值的脈沖信號后再輸出，電路圖如圖3所示。

圖3 基本調理電路Fig.3 Basic conditioning circuit

其中，LM 2902用作反相放大并將電壓基準上提，設計為單極性運算放大電路，再通過LM 2903電壓比較器后輸出脈沖信號。

通過調整放大倍數和電壓比較器的閾值實現對該探測器靈敏度的調節(jié)與控制。

2.4 輔助器件

由于該探測裝置多用于戶外遠程探測，使用小視場光學系統(tǒng)，增加測試距離，減小背景光干擾，提高透過率及成像質量的同時將輻射能量盡可能多地匯聚在帶有濾光片的PbS紅外探測器的探測窗口上，減少干擾的同時也大大提高了系統(tǒng)的靈敏度。由于探測裝置靈敏度較高，在使用過程中不能抖動。

設計中，在探測裝置外部加裝瞄準具，用于瞄準探測區(qū)域的同時，使用三腳架作為固定裝置，將整個探測裝置與三腳架云臺上的固定板相連，有效去除抖動問題。使用時將帶有固定板的探測裝置裝入云臺，再依次調整三腳架上的各固定裝置，通過瞄準具瞄準探測區(qū)域即可，如圖4所示。

圖4 探測裝置整體工作狀態(tài)圖Fig.4 State diagram of the overall detecting means

3 仿真分析及改進

3.1 基本調理電路仿真分析

光導器件的PbS紅外探測器根據工作原理，可以將其看做一個可變電阻，它和一個匹配電阻串聯將接收來的紅外輻射信號轉化為電壓信號［6］。

PbS紅外探測器接收到微弱的紅外輻射后，自身電阻會出現微弱的變化，仿真時，使用電壓源串聯耦合電容并聯電阻代替。根據所用PbS探測器的頻率響應曲線及輸入測試電路［6］得到的結果，此處，假定紅外輻射信號引起的電壓源頻率400 Hz、幅值50 mV，并進行仿真分析，如圖5所示。

圖5 基本仿真電路及其仿真結果Fig.5 Basic simulation circuit and the simulation results

實際中，受到檢測距離及紅外輻射信號強度等諸多因素的影響，PbS紅外探測器會有不同的輸出情況，依次改變等效電路的參數可以模擬不同的輸出情況。但值得注意的是，只要經過調理電路的輸出電壓大于電壓比較器的閾值電壓，輸出是同幅值的方波信號。

3.2 電路改進

至此，檢測裝置功能基本實現，但實際中，炮口焰的紅外輻射信號會隨著火光的閃爍出現跳變［7］，等效于仿真過程中的電壓源頻率、幅值及其并聯電阻阻值發(fā)生瞬間變化，最終導致基本調理電路的輸出方波信號時而密集時而松散，對后續(xù)分析及處理造成很大的麻煩。

在基本調理電路的基礎上，輸出端首先連接高亮LED，再經過高精度單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路［8］，最后連接線路收發(fā)器，構成系統(tǒng)調理電路，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)調理電路圖Fig.6 The system condition circuit

其中，高亮LED主要用于直觀的觀察電路是否有輸出脈沖，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路通過外接電容及電阻從第一個接收來方波的上升沿開始輸出脈寬為tw≈0.7 RC的方波信號，結束之后再由第二個接收來方波的上升沿產生同樣脈寬的方波信號［7］。線路收發(fā)器再將這部分的輸出以差分信號、RS 422的通信類型輸出，連接單片機就可以很容易地對采集到的數據進行分析及處理，且采用差分信號輸出，提高了長距離傳輸脈沖信號的能力［9］。

4 實驗驗證及系統(tǒng)完善

4.1 實際測試

由上所述，加工光學系統(tǒng)和PCB板以及整個檢測裝置的殼體，焊接PCB板所有元件后，依次安裝PbS紅外探測器及光學系統(tǒng)，并調整焦距使其剛好落在探測器的探測窗口上。再分別安裝電源接插件、輸出端接插件、高亮LED燈、檢測裝置電源開關，并全部封裝在檢測裝置的殼體內部，如圖7所示。

圖7 探測裝置主體實物圖Fig.7 Detection device body physical map

室內常溫情況下，將示波器連接至檢測裝置正向輸出端，用打火機代替炮口火焰，通過檢測裝置上的瞄準具瞄準虛擬探測點，使用打火機進行單次觸發(fā)或連續(xù)單次觸發(fā)，結果如圖8所示。

圖8 打火機觸發(fā)輸出Fig.8 Lighter trigger output

保持檢測裝置不動，以光學系統(tǒng)中軸線為準，在平行于光學系統(tǒng)的平面內任意偏離3°角均可以檢測到，且探測距離為0～8 m。

靶場測試條件為室外強光、30℃情況下，使用105 mm火炮，以炮口焰作為探測目標，連接400 m輸出線，分別在距離炮口84 m、300 m處進行探測，其結果如圖9所示，在300 m處時，保持檢測裝置水平視場不變，通過瞄準具結合三腳架上的水平羅盤，水平于炮口焰處將檢測裝置分別向左向右轉動3°角，均有有效輸出。

由于考慮經濟原因，靶場測試只做了84 m、300 m及其各自±3°視場角實驗，而實驗室中使用打火機作為觸發(fā)設備做了大量測試，同一個打火機最遠觸發(fā)距離可達到(8±0.5)m，但同一觸發(fā)設備、不同的觸發(fā)距離的輸出方波個數各異但均有輸出。其關系如表2所示。

圖9 105 mm火炮84 m、300 m處觸發(fā)輸出Fig.9 105 mm artillery’s trigger output at 84 m，300 m

表2 不同觸發(fā)設備在不同觸發(fā)距離的輸出Tab.2 The output of different trigger equipment in different trigger distance

4.2 輸出分析

實驗結果表明，模擬檢測點及真實檢測點均可以有效觸發(fā)且均滿足設計指標。但由于探測距離或火焰的閃動，致使紅外輻射信號發(fā)生變化，在示波器上反映為出現一個方波信號、兩個方波或更多個方波，但脈寬相同且均為tw≈0.7 RC(本文為8 ms)。由于調理電路整體原因，正向或反向輸出時基準電壓1.2 V，后續(xù)處理時只需要相應的抬高電壓門限即可。差分輸出時，脈寬相同，基準電壓為0 V，幅值為 7.8 V。

4.3 系統(tǒng)完善

在調試過程中，將整個調理電路的地線與檢測裝置的殼體共地并將整個調理電路部分噴涂三防漆，整個裝置共地的同時也增加了系統(tǒng)的抗干擾性能。

在室外強光、高溫，檢測裝置長時間暴曬且持續(xù)工作的情況下，由于密閉的檢測裝置殼體內溫度急劇升高，致使PbS紅外探測器的阻值、電壓靈敏度、探測度長時間處于最小值處，不能正常工作［10］。使用時，避免長時間暴曬或遮光即可避免該問題發(fā)生。

4.4 功能復用

至此，達到并實現了所需炮口焰紅外觸發(fā)器的所有功能。但顯然該設備的功能不會如此局限。

由于炮口焰非均勻氣體紅外輻射特性的不同，連接前級放大器的輸出端至示波器，通過不同作用時間、幅值的輸出波形便可準確地記錄每次紅外輻射持續(xù)的時間，使用積分的方法計算不同輸出波形的面積，結合紅外成像技術及以概率論為基礎的等效分子黑體的方法［11］，計算出的輻射通量與輸出波形的面積成正比關系。

5 結論

傳統(tǒng)紅外輻射信號檢測裝置使用場效應管加高阻抗運放的調理方式［1］，輸出信號不便于后續(xù)處理且場效應管極易損壞。

本文檢測裝置依次通過信號轉換、反相放大、電壓比較、高亮LED、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)、線路收發(fā)器，結合帶有瞄準具的小視場光學系統(tǒng)及三腳架。輸出以差分信號、RS422的通信類型輸出，連接單片機就可以很容易地對采集到的數據進行分析及處理且具有長距離傳輸輸出信號的能力，同時通過高亮LED的閃爍可直觀地觀察觸發(fā)狀況。檢測裝置靈敏度高、探測精度及抗干擾能力強且輕巧、便于攜帶。不僅適用于炮口焰檢測，經過改進后，也可適用于槍口焰、彈藥、引爆系統(tǒng)及區(qū)域防火。

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