高原環(huán)境下天幕靶探測(cè)電路設(shè)計(jì)

袁 云， 田 會(huì)， 吳 斌

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院， 陜西 西安 710032)

高原環(huán)境下天幕靶探測(cè)電路設(shè)計(jì)

袁 云， 田 會(huì)， 吳 斌

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院， 陜西 西安 710032)

針對(duì)現(xiàn)有天幕靶在高原環(huán)境下天空背景主要為藍(lán)光引起的探測(cè)靈敏度急劇下降的問題， 提出了雙光幕探測(cè)方案， 設(shè)計(jì)了過幕信號(hào)增強(qiáng)電路和程控放大控制電路. 采用兩套獨(dú)立的光電轉(zhuǎn)換模塊在空間形成重合的探測(cè)光幕. 當(dāng)彈丸穿過重合光幕時(shí)， 兩套模塊各自獨(dú)立輸出彈丸過靶信號(hào)， 經(jīng)信號(hào)增強(qiáng)電路進(jìn)行處理后， 提高信噪比、 輸出有效的彈丸過幕信號(hào). 設(shè)計(jì)的電路經(jīng)在雙鏡頭天幕靶上使用驗(yàn)證， 電路工作可靠， 提高了天幕靶的探測(cè)靈敏度.

雙鏡頭天幕靶； 探測(cè)靈敏度； 光電探測(cè)； 信號(hào)增強(qiáng)電路； 程控放大

0 引 言

天幕靶是靶場(chǎng)測(cè)試槍炮彈丸初速度的常規(guī)儀器， 兩臺(tái)天幕靶與一臺(tái)測(cè)時(shí)儀組成的區(qū)截測(cè)速裝置在彈丸測(cè)速領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]. 高原試驗(yàn)靶場(chǎng)由于海拔高、 空氣密度稀薄， 背景光線中藍(lán)光透過率強(qiáng)， 背景光能量相對(duì)較弱[4]. 在高原進(jìn)行區(qū)截測(cè)速試驗(yàn)時(shí)， 彈丸穿過天幕靶幕面時(shí)引起的光能量變化較為微弱， 輸出過幕信號(hào)幅值較低， 無法有效提取. 針對(duì)上述問題， 本文采用兩套獨(dú)立的光電轉(zhuǎn)換模塊在空間形成重疊的探測(cè)光幕， 彈丸穿過重疊探測(cè)光幕時(shí)， 兩個(gè)模塊獨(dú)立輸出過幕信號(hào)， 經(jīng)信號(hào)增強(qiáng)電路進(jìn)行合成， 輸出有效的彈丸過靶信號(hào). 信號(hào)增強(qiáng)電路主要包括信號(hào)合成、 程控放大、 末級(jí)放大以及驅(qū)動(dòng)輸出電路， 可通過外界環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)整電路的增益,這樣使得天幕靶的靈敏度[5-7]有所提高.

1 雙鏡頭天幕靶工作原理

天幕靶測(cè)速系統(tǒng)主要包括： 兩臺(tái)雙鏡頭天幕靶、 專用電源和測(cè)時(shí)儀， 各部分之間的連接關(guān)系如圖 1 所示. 沿彈道線間隔一定距離擺放兩臺(tái)天幕靶[8-10]， 當(dāng)彈丸穿過起始光幕和截至光幕時(shí)， 探測(cè)器件接收到的光通量發(fā)生變化， 輸出微弱變化的光電流信號(hào)， 經(jīng)過信號(hào)處理電路輸出彈丸過幕脈沖信號(hào)， 通過測(cè)時(shí)儀測(cè)量?jī)膳_(tái)天幕靶輸出脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔， 結(jié)合兩靶間的靶距， 即可計(jì)算出彈丸飛行速度.

雙鏡頭天幕靶主要由光電轉(zhuǎn)換模塊、 信號(hào)增強(qiáng)電路以及箱體等3部分組成， 如圖 2 所示. 信號(hào)增強(qiáng)電路包括加法電路、 程控電路、 末級(jí)放大電路、 跟隨電路、 驅(qū)動(dòng)電路以及程控放大控制電路. 兩套光電轉(zhuǎn)換模塊分別配置兩套獨(dú)立的光電轉(zhuǎn)換前級(jí)放大電路. 光電轉(zhuǎn)換模塊1和光電轉(zhuǎn)換模塊2形成兩個(gè)在空間重疊的光幕. 當(dāng)子彈穿過重疊光幕時(shí)， 兩套光電轉(zhuǎn)換模塊均輸出彈丸過幕信號(hào)， 經(jīng)過信號(hào)增強(qiáng)后輸出最終過幕信號(hào)， 該信號(hào)表征彈丸到達(dá)光幕探測(cè)面的時(shí)刻.

圖 1 區(qū)截測(cè)速天幕靶組成框圖Fig.1 The diagram of velocity measurement of sky screen

圖 2 雙鏡頭天幕靶結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The diagram of dual-shot sky screen

2 信號(hào)增強(qiáng)電路的總體實(shí)現(xiàn)

雙鏡頭天幕靶中光電轉(zhuǎn)換模塊采用原有的天幕靶光電探測(cè)電路和前級(jí)放大電路， 信號(hào)增強(qiáng)電路是將兩個(gè)光電探測(cè)模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行綜合放大， 并有效提高信號(hào)比， 圖 3 為信號(hào)增強(qiáng)電路總體框圖.

圖 3 信號(hào)增強(qiáng)電路框圖Fig.3 The diagram of signal enhancement circuit

兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換模塊同時(shí)輸出的前級(jí)過靶信號(hào)， 經(jīng)加法電路信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的模擬相加之后輸出為信號(hào)OUT1， 再輸入到該程控放大器的輸入端； 經(jīng)過程控放大電路輸出的信號(hào)OUT2輸入到末級(jí)放大電路， 通過末級(jí)放大的信號(hào)OUT3經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路輸出到得最終信號(hào). 單片機(jī)需要分析信號(hào)噪聲的幅值來確定程控放大電路的倍數(shù)， 由于程控放大和末級(jí)放大都會(huì)放大信號(hào)的噪聲， 因此使用單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換口采集合成電路輸出信號(hào)OUT的噪聲； 為了不影響原有信號(hào)， 要將該信號(hào)與AD轉(zhuǎn)換隔離開來， 在將電路噪聲輸入給單片機(jī)之前要加一倍放大跟隨電路.

圖 4 所示程控放大器PGA203， 具有高通頻帶， 提供了與TTL或CMOS相兼容的輸入端口， 通過控制芯片管腳1和管腳2的邏輯電平， 可以實(shí)現(xiàn)放大電路1， 2， 4， 8倍放大， 其參考電壓VREF置為0 V， 即可放大以0 V為參考點(diǎn)的雙向信號(hào).

圖 4 程控放大控制電路Fig.4 The diagram of programmable gain circuit

程控放大控制電路主要完成程控放大的控制， 可通過測(cè)試彈丸直徑、 彈道高度和天空亮度在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)方便地調(diào)整信號(hào)處理電路增益， 避免出現(xiàn)過幕信號(hào)幅值飽和引入測(cè)試誤差或過幕信號(hào)淹沒在噪聲中無法識(shí)別. 采用串行通訊方式由上位機(jī)給單片機(jī)發(fā)送控制命令， 單片機(jī)依據(jù)接收到的指令設(shè)定程控放大器的放大倍數(shù)， 實(shí)現(xiàn)1, 2, 4, 8倍的放大選擇. 此外， 也可依據(jù)天幕靶輸出的模擬信號(hào)噪聲幅值調(diào)整增益倍數(shù).

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證雙鏡頭天幕靶對(duì)彈丸過幕信號(hào)的增強(qiáng)效果， 進(jìn)行實(shí)彈射擊驗(yàn)證. 由于暫不具備高原試驗(yàn)條件， 為了模擬試驗(yàn)環(huán)境， 在西安藍(lán)天情況下進(jìn)行氣槍彈測(cè)試試驗(yàn). 將雙鏡頭天幕靶放置在水平的地面上，調(diào)節(jié)鏡頭光圈為最大、 用卷尺測(cè)量物距為0.85 m、 射擊高度為0.8 m、 用照度計(jì)測(cè)量天空照度， 通過上位機(jī)控制不同的程控放大倍數(shù)， 以不同的高度進(jìn)行氣槍實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 所示. 圖 5 為采用8倍程控放大時(shí)輸出的信號(hào)波形， 其中CH1為光電轉(zhuǎn)換模塊1輸出的信號(hào)， CH2為光電轉(zhuǎn)換模塊2輸出的信號(hào)， CH3為信號(hào)增強(qiáng)電路輸出信號(hào)波形. 分析試驗(yàn)信號(hào)幅值， 采用雙鏡頭天幕靶能夠有效增加彈丸過幕信號(hào)的幅值， 提高信噪比.

表 1 雙鏡頭天幕靶輸出信號(hào)幅值

圖 5 實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.5 Waveform picture of experiments

4 結(jié) 論

針對(duì)高原環(huán)境天幕靶輸出信號(hào)幅值低無法有效測(cè)速的問題， 提出雙鏡頭天幕靶實(shí)現(xiàn)方案， 設(shè)計(jì)了信號(hào)增強(qiáng)電路并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證. 主要結(jié)論有： ① 雙鏡頭天幕靶的兩套光電探測(cè)模塊在空間形成的光幕共面重合， 飛行彈丸從幕面內(nèi)穿過時(shí)， 兩個(gè)探測(cè)模塊各自獨(dú)立輸出彈丸過幕信號(hào)； ② 信號(hào)增強(qiáng)電路將兩路信號(hào)進(jìn)行相加運(yùn)算， 有效提高信噪比. 依據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)， 最終輸出彈丸過幕信號(hào)； ③ 設(shè)計(jì)的雙鏡頭天幕靶在藍(lán)天環(huán)境下進(jìn)行氣槍彈射擊驗(yàn)證， 能夠有效提出過幕信號(hào)的幅值.

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Design of Detection Circuit for Sky Screen in Plateau

YUAN Yun, TIAN Hui, WU Bin

(School of Optoelectronic Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032, China)

In order to solve the problem that the sensitivity of sky screen is sharply decent in plateau air background mainly consist of blue light, and dual-shot sky screen solution is proposed. Design of signal enhancement circuit and program control amplifier circuit. Two sets of independent conversion modules of photoelectric detector are used to form two coincident probe screens in space. When the projectile passes through the coincident screens, two modules would output the signals independently, and the signals would carry out the synthesis by signal processing circuit in the behind, and increase signal to noise ratio, which would output the projectile flight signal effectively at last. The design of circuit has been used in dual-shot sky screen, improved the sensitivity of sky screen with reliable performance.

dual-shot sky screen; sensitivity; photoelectric detection; signal enhancement circuit; programmable gain circuit

1671-7449(2017)01-0047-04

2016-09-17

袁 云(1991-)， 女， 碩士生， 主要從事兵器靶場(chǎng)光電測(cè)試的研究.

田 會(huì)(1980-)， 男， 副教授， 博士生， 主要從事兵器外彈道參數(shù)光電測(cè)試與信號(hào)處理的研究.

TJ012.3+6； TP202+.2

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.01.008