趙朝聞,段 杰,李 輝
(中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部,云南 昆明,650106)
對射光電傳感器模擬海洋環(huán)境下作用距離試驗研究
趙朝聞,段 杰,李 輝
(中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部,云南 昆明,650106)
對射型光電傳感器在水下特種裝備中應(yīng)用十分廣泛,但對其具體性能的試驗研究卻很少。文中分析了水下特種裝備人機(jī)交互傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀,針對對射型光電傳感器在海洋環(huán)境的應(yīng)用條件,設(shè)計包括發(fā)射模塊、接收模塊和模擬海洋水池的試驗系統(tǒng),通過對試驗結(jié)果的分析,得到了藍(lán)綠激光型和紅外型 2種主流的光電傳感器在模擬海洋環(huán)境下作用距離的邊界條件,并對比了2種對射型光電傳感器在模擬海洋環(huán)境的工作性能。該試驗研究可為光電傳感器在水下裝備的選型應(yīng)用提供參考。
水下特種裝備; 對射型光電傳感器; 模擬海洋環(huán)境; 邊界條件
當(dāng)今,各軍事強(qiáng)國針對海上戰(zhàn)場的特殊性,紛紛推出了適合海上戰(zhàn)場使用的特種作戰(zhàn)裝備(如圖1),主要用于港口防御、水下目標(biāo)探測、水下滲透偵察破襲、水面高速突擊等。隨著這些水下特種作戰(zhàn)裝備的發(fā)展,對其性能的要求越來越高,而濕式環(huán)境的傳感器技術(shù)是水下特種裝備性能的核心技術(shù)。
現(xiàn)階段水下濕式環(huán)境的傳感器技術(shù)主要選用磁簧開關(guān)、旋鈕開關(guān)及油壓按鍵等傳統(tǒng)機(jī)械式傳感器。如圖2(a)所示,磁簧開關(guān)方式優(yōu)點是實現(xiàn)了非接觸式開關(guān)轉(zhuǎn)換,對密封殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小,減少了密封環(huán)節(jié); 缺點是海水浸泡后,按鍵容易積沙積鹽,導(dǎo)致按鍵卡滯失靈,維護(hù)保養(yǎng)要求高。如圖2(b)所示,旋鈕開關(guān)方式需在殼體上開通孔,缺點是密封環(huán)節(jié)較多,對密封殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大。如圖2(c)所示,油壓按鍵的優(yōu)點是不受濕式環(huán)境的影響; 缺點是按鍵體積較大,只適用于按鍵需求較少的水下設(shè)備。
圖1 常見水下特種作戰(zhàn)裝備Fig. 1 Common underwater special warfare equipment
圖2 常見水下特種作戰(zhàn)裝備人機(jī)交互平臺Fig. 2 Common human-computer interaction interface of underwater special warfare equipment
作為一種新型的技術(shù)手段,對射光電傳感器在水下濕式環(huán)境發(fā)揮越來越重要的作用,其穿透性強(qiáng)、方向性好、可靠性高、不受復(fù)雜惡劣的環(huán)境干擾。目前很多發(fā)達(dá)國家如美國、加拿大、澳大利亞、瑞典、意大利、日本和法國都建立了各自的水下光電研究系統(tǒng)。自20世紀(jì)90年代以來,如美國卡曼航空公司的Magic Lantem90、美國西屋電器總公司的SM2000以及加拿大LUCIE等水下光電系統(tǒng)越來越多地被用于軍事和民用領(lǐng)域[1-3]。
文中試驗主要針對傳統(tǒng)機(jī)械式傳感器在水下濕式環(huán)境工作存在的問題,提出使用對射型光電傳感器進(jìn)行代替。選擇以藍(lán)綠激光和紅外光作為光源,在模擬海洋的環(huán)境下進(jìn)行作用距離的研究,對對射型光電傳感器的選型作出指導(dǎo),為其在水下發(fā)展的應(yīng)用提供參考。
利用光電效應(yīng)制成的傳感器稱為光電傳感器,分為反射型和對射型。對射型光電傳感器將光源發(fā)射器與接收器相對而放,工作時光線正常導(dǎo)通,當(dāng)光線被遮擋時,接收器在未收到光線時輸出信號。對射型光電傳感器的基本參數(shù)是由其內(nèi)部半導(dǎo)體光電器件的特性參數(shù)決定的,具體參數(shù)見表1。
表1 半導(dǎo)體光電器件特性參數(shù)Table 1 Performance parameters of semiconductor optoelectronic devices
在實際應(yīng)用中,并不是對所有的特性都有嚴(yán)格要求,常常是對光電器件的某些特性有要求而對另外的特性要求不嚴(yán)或根本不做任何要求。對其選用的基本原則歸納如下[4-8]: 1) 光電器件必須和輻射信號源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上實現(xiàn)匹配; 2) 光電器件的光電轉(zhuǎn)換特性或動態(tài)范圍必須與光信號的入射輻通量相匹配; 3) 光電器件的時間響應(yīng)特性必須與光信號的調(diào)制形式、信號頻率及波形相匹配; 4) 光電器件與變換電路必須與后面的應(yīng)用電路的輸出阻抗良好的匹配; 5) 為了保證器件長期工作時的可靠性,需考慮器件的參數(shù)和使用環(huán)境等因素。
如圖 3所示,文中試驗系統(tǒng)包括發(fā)射模塊、接收模塊、電源和模擬海水水池。
圖3 試驗系統(tǒng)框圖Fig. 3 Block diagram of experimental system
直流穩(wěn)壓電源給發(fā)射模塊和接收模塊供電,使其工作在干式環(huán)境下。發(fā)射模塊的光源由藍(lán)綠激光或紅外線組成,光源通過模擬海水水池,被接收模塊所接收,用萬用表檢測接收模塊是否有響應(yīng),其具體空間分布如圖 4所示。文中系統(tǒng)中各個模塊的具體參數(shù)和功能介紹如下。
圖4 試驗系統(tǒng)空間分布Fig. 4 Spatial arrangement of experimental system
1) 發(fā)射模塊。發(fā)射模塊分別使用藍(lán)綠激光器和紅外發(fā)射器,所用傳感器發(fā)射模塊性能見表 2。發(fā)射模塊置于干式環(huán)境中,依靠直流穩(wěn)壓電源提供光源信號,使其通過模擬海水水池直到接收模塊。
2) 接收模塊。接收模塊包括光電倍增管、濾光片等,藍(lán)綠激光接收電路如圖5所示,J2為輸出端,當(dāng)接收到激光信號時,藍(lán)線與白線導(dǎo)通; 沒有接收到激光信號時,藍(lán)線與綠線導(dǎo)通。紅外接收器原理見圖6,其具體指標(biāo)如表3所示。
圖5 藍(lán)綠激光接收電路Fig. 5 Blue-green laser receiving circuit
圖6 紅外接收電路Fig. 6 Infrared receiving circuit
表3 接收模塊參數(shù)性能指標(biāo)Table 3 Performance parameters of receiving module
3) 模擬海洋環(huán)境水池。光在水中的衰減與水中懸浮粒子引起的散射和吸收有關(guān),也就是與濁度有關(guān)。濁度是一種光學(xué)效應(yīng),是指水中懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度[9]。根據(jù)中國海洋濁度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)篩選結(jié)果,選定高嶺土懸浮液作為海水濁度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。高嶺土是白陶土、珍珠陶土和地開石礦物質(zhì)的總稱,其物質(zhì)物性參數(shù)為: 分子式為AL2O3·2SiO2·2H2O; 比重為 1.8~2.0; 狀態(tài)為固體;粒徑為0.1 mm; 顏色為白色至灰色[10]。配比一定量的粗鹽,模擬反演不同濁度的海洋環(huán)境。
對射光電傳感器在模擬海洋環(huán)境下作用距離的試驗原理是基于判斷一定功率、作用距離的對射光電傳感器是否能在一定濁度、鹽度的模擬海洋環(huán)境下正常工作。將藍(lán)綠激光器或紅外發(fā)射器光源與光電傳感器并行相對放置,使光源端發(fā)射出光線經(jīng)過水池中的模擬海洋環(huán)境,被光電傳感器接收,此時使用萬用表測量光電傳感器的輸出端。
在試驗中,所選光源目標(biāo)有 2種: 一是藍(lán)綠激光發(fā)射器,二是紅外發(fā)射器。對 2種光源目標(biāo)在不同距離、不同濁度海洋環(huán)境的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷,得出邊界條件。藍(lán)綠光電傳感器采用12 V供電,紅外光電傳感器采用 10~24 V供電,接收到藍(lán)綠激光器或紅外發(fā)射器的信號后,使用萬用表測得輸出端為低電平(0 V),若接收不到信號,輸出端為高電平(10~24 V),以此方法判斷光電傳感器是否導(dǎo)通。
試驗中主要針對水下特種裝備艙內(nèi)傳感器的應(yīng)用,艙內(nèi)空間狹小,一般要求作用距離在100~300 mm之間。在試驗過程中,藍(lán)綠激光器選擇80 mW的功率,紅外發(fā)射器選擇350 mW的功率,2種傳感器都在不同距離條件下變濁度的方法來記錄試驗數(shù)據(jù)。
1) 當(dāng)試驗對象為藍(lán)綠激光傳感器時,其具體測量結(jié)果如表 4所示。從表中可知,該功率的藍(lán)綠激光對射型光電傳感器在模擬海洋環(huán)境工作的邊界條件(見圖7),曲線的上半?yún)^(qū)域是傳感器未導(dǎo)通區(qū)域,下半?yún)^(qū)域是傳感器導(dǎo)通區(qū)域。
表4 藍(lán)綠激光傳感器測量結(jié)果Table 4 Test results of blue-green laser photoelectric sensor
圖7 藍(lán)綠激光傳感器的邊界條件Fig. 7 Boundary condition of blue-green laser photoelectric sensor
表5 紅外傳感器測量結(jié)果Table 5 Test results of infrared photoelectric sensor
2) 當(dāng)試驗對象為紅外傳感器時,其具體測量結(jié)果如表5所示。由表中可以得到紅外對射型光電傳感器在模擬海洋環(huán)境工作的邊界條件,具體表示如圖 8所示,曲線的上半?yún)^(qū)域是傳感器未導(dǎo)通區(qū)域,下半?yún)^(qū)域是傳感器導(dǎo)通區(qū)域。
當(dāng)試驗?zāi)繕?biāo)為藍(lán)綠對射型光電傳感器時,在10~30 cm的作用距離下可以得出,該光電傳感器正常工作的海洋濁度范圍為圖 7曲線下半?yún)^(qū)域;當(dāng)試驗?zāi)繕?biāo)為紅外對射型光電傳感器時,在10~30 cm的作用距離下可得,不同功率的光電傳感器正常工作的海洋濁度范圍為圖8曲線的下半?yún)^(qū)域。
試驗中同時使用了 50 mW 的紅外對射型光電傳感器,發(fā)現(xiàn)其在模擬海洋環(huán)境工作的邊界條件與350 mW的相同,即其邊界條件與圖7相同。試驗還發(fā)現(xiàn),雖然紅外發(fā)射器的功率更大,但在相同對射距離和海洋環(huán)境下,其受水下濕式環(huán)境的影響大于藍(lán)綠激光器,所以在水下濕式環(huán)境藍(lán)綠激光型對射光電傳感器的工作效果優(yōu)于紅外對射光電傳感器。
文中采用模擬海洋環(huán)境試驗系統(tǒng)對對射型光電傳感器在模擬海洋環(huán)境下的作用距離進(jìn)行試驗,針對不同光源和功率的發(fā)射模塊,作用距離在10~30 cm范圍內(nèi)的不同濁度模擬海洋環(huán)境進(jìn)行研究,系統(tǒng)接收模塊檢測是否收到信號,并進(jìn)行分析總結(jié),得出以下幾點結(jié)論。
1) 雖然使用的紅外發(fā)射器功率大于藍(lán)綠激光器,但在相同對射距離的試驗條件下,藍(lán)綠激光式對射型光電傳感器導(dǎo)通的邊界條件遠(yuǎn)優(yōu)于紅外式。由此可以說明,在相同濁度海洋環(huán)境與對射距離的試驗條件下,藍(lán)綠激光式對射型光電傳感器的導(dǎo)通性能更優(yōu)。
2) 50 mW功率與350 mW功率的紅外對射型光電傳感器在相同濁度的模擬海洋環(huán)境下,導(dǎo)通距離的邊界條件相同,即相同濁度的模擬海洋環(huán)境對功率差不大的相同光源對射型光電傳感器的阻礙程度相同。
3) 當(dāng)作用距離為幾厘米時,對射型光電傳感器能夠?qū)ǖ倪吔鐫岫群芨?而作用距離到了幾十厘米時,其導(dǎo)通的邊界濁度急劇下降,對海洋環(huán)境的要求也迅速提升。因此在產(chǎn)品的設(shè)計和計算選型時應(yīng)當(dāng)予以考慮。
文中試驗也有未盡之處,若選取大量功率差足夠大,相同發(fā)射源的對射型光電傳感器樣本進(jìn)行該試驗研究,將對傳感器的選型更具有指導(dǎo)意義,這也將是下一步工作開展的方向。
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Experimental Study on Operating Range of Correlation Type Photoelectric Sensor in Simulative Ocean Environment
ZHAO Chao-wen,DUAN Jie,LI Hui
(Kunming Branch of the 705 Research Institute,China Shipbuilding Industry Corporation,Kunming 650106,China)
Correlation type photoelectric sensor has been widely applied to underwater special equipment,however few experimental researches on its performance have been conducted. In this study,current applications of the ergonomic sensor to underwater special equipment were analyzed,and a test system composed of transmitter module,receiving module and simulative ocean environment pool was constructed according to the application condition of the photoelectric sensor in ocean environment. Test results were analyzed,and the boundary conditions of the operating ranges of two kinds of mainstream photoelectric sensors,i.e.,blue-green laser type and infrared type,were obtained in simulative ocean environment. And the working performances of these two kinds of photoelectric sensors in simulative ocean environment were compared. This study may provide a reference for type selection of photoelectric sensors for underwater equipment.
underwater special equipment; correlation type photoelectric sensor; simulative ocean environment; boundary condition
TJ630.34; TP212
A
2096-3920(2017)03-0262-05
趙朝聞,段杰,李輝. 對射光電傳感器模擬海洋環(huán)境下作用距離試驗研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報,2017,25(3): 262-266.
10.11993/j.issn.2096-3920.2017.03.008
2016-12-13;
2017-01-09.
趙朝聞(1992-),男,在讀碩士,研究方向為武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程.
(責(zé)任編輯: 楊力軍)