一種改進(jìn)型紅外光幕靶測速系統(tǒng)

王紅宇 孟立凡 黃廣炎 劉春美 王博

摘 要： 使用光幕測速系統(tǒng)對彈丸速度進(jìn)行檢測時，背景干擾光線對測試結(jié)果影響較大，為此通過試驗(yàn)分析背景光照強(qiáng)度、狹縫結(jié)構(gòu)、光電二極管封裝類型對測速效果的影響。提出使用雙層狹縫結(jié)構(gòu)以及黑色樹脂封裝光電二極管來進(jìn)一步減弱干擾光線的影響，同時進(jìn)行信號處理電路的設(shè)計，搭建完整的紅外光幕測速系統(tǒng)，并進(jìn)行了彈丸速度測試試驗(yàn)。試驗(yàn)測速范圍是200～1 500 m/s，通過與高速攝影、絲網(wǎng)斷靶測速數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，證明改進(jìn)型紅外光幕靶測速系統(tǒng)測速相對誤差小于1%。

關(guān)鍵詞： 光幕靶； 干擾光線； 狹縫結(jié)構(gòu)； 光電二極管封裝； 微弱光電信號處理； 彈丸速度測試

中圖分類號： TN219?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）08?0174?06

Abstract： During the detection of projectile velocity by using the light screen velocity measurement system， background interference light has a great impact on measurement results. Therefore， a test was conducted to analyze the influence of background light intensity， slit structure and photodiode encapsulation type on velocity measurement effect. The double?layer slit structure and black resin are proposed for encapsulating the photodiode to further weaken the influence of interference light. A signal processing circuit was designed， a complete infrared light screen velocity measurement system was established， and a projectile velocity measurement test was conducted with the velocity measurement range of 200 m/s to 1 500 m/s. By means of comparison with the velocity measurement data of high?speed photography and copper mesh target breaking， it proves that the relative velocity measurement error of the improved infrared velocity measurement system with light?screen target is less than 1%.

Keywords： light?screen target； interference light； slit structure； photodiode encapsulation； weak photoelectric signal processing； projectile velocity measurement

0 引 言

在武器系統(tǒng)毀傷性能評價中，彈丸的飛行速度參數(shù)是一項重要指標(biāo)。目前針對彈丸速度測試的研究，主要是非接觸式測試[1]，如：線圈靶[2]、天幕靶[3]、光幕靶[4]。其中線圈靶測試靶面較小、天幕靶受測試條件影響較大，而光幕靶具有測試靶面較大、測試精度高、對測試環(huán)境要求低、可重復(fù)測試的特點(diǎn)，因此光幕靶在測試靶場被廣泛應(yīng)用[5]。

在光幕測速系統(tǒng)中，對變化的微弱光信號的提取與處理是關(guān)鍵。而在對弱電信號進(jìn)行放大時，系統(tǒng)本身固有噪聲也會被放大，特別是試驗(yàn)場地中太陽光照帶來的背景噪聲，嚴(yán)重影響光幕測速系統(tǒng)的測試性能。

為了研究背景光照對測速系統(tǒng)的干擾，在北京理工大學(xué)測試靶場進(jìn)行光幕測速實(shí)驗(yàn)，利用火藥彈道槍進(jìn)行實(shí)彈射擊。實(shí)驗(yàn)中使用的彈丸為8 mm鋼珠。通過對比不同背景光照強(qiáng)度下測速試驗(yàn)結(jié)果的差異，優(yōu)化了光闌狹縫結(jié)構(gòu)，選擇光電二極管黑色樹脂封裝類型來減小背景光線的干擾，并設(shè)計了信號處理電路，搭建了測速系統(tǒng)，完成了彈丸測速精度的驗(yàn)證。

1 光幕靶測試原理

光幕靶應(yīng)用光電效應(yīng)，主要由發(fā)射光源、接收裝置、信號調(diào)理電路和計時器構(gòu)成，如圖1所示。當(dāng)彈丸穿過光幕靶時，會引起光通量變化，接收裝置把光通量的變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化，再經(jīng)過微弱光電信號處理，提取出彈丸的過靶時刻，利用彈丸通過兩個光幕靶的平均速度作為彈丸飛行速度[6]。

2 單層光闌狹縫對測速結(jié)果的影響

在野外實(shí)驗(yàn)場中，光線環(huán)境比較復(fù)雜，復(fù)雜的背景光對光電探測器的探測效果有較大干擾[7]，為此通常設(shè)計單層光闌狹縫來減少干擾光線對測試系統(tǒng)的影響。圖2為單層狹縫結(jié)構(gòu)視場俯視圖。

從圖2中可以看出使用單層光闌狹縫時，雖然部分干擾光線被遮擋，但是由于單層狹縫的視場過大[7]。仍然有較多干擾光線進(jìn)入狹縫，導(dǎo)致光電接收管上接收到較多干擾光線。甚至在同一天的不同時刻，隨著光照強(qiáng)度的不同，測試結(jié)果有較大差異。

2.1 強(qiáng)背景光照對測速結(jié)果的影響

在野外環(huán)境中進(jìn)行彈丸測速試驗(yàn)時，當(dāng)太陽光照強(qiáng)度較大，背景光照過于復(fù)雜時，會出現(xiàn)過靶信號的信噪過低，甚至出現(xiàn)采集不到過靶信號的情況。圖3為強(qiáng)背景光照下測速波形，具體試驗(yàn)時間為夏令時13：30，此時是一天中太陽光照最強(qiáng)的時刻，從圖中可以看出信號干擾過大，過靶信號無法進(jìn)行識別提取。

2.2 弱背景光照對測速結(jié)果的影響

當(dāng)太陽光照較低時，背景光照復(fù)雜度降低，測試信號會有所改善。圖4為弱背景光下測速波形，具體時間為夏令時16：00，此時太陽光照較低，背景光照較低。從圖4中看出信號干擾有所減小，可以看見過靶信號波形，但是仍然不利信號的識別，不利于準(zhǔn)確獲取過靶時刻。

為了減小干擾光線，通常采用的措施為減小單層光闌狹縫寬度，但是減小狹縫寬度，使得光電接收管上有效光敏面積減小，降低了靈敏度[8]。

3 光闌狹縫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

進(jìn)一步減少復(fù)雜背景光線的干擾，對光闌狹縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提出了雙層光闌狹縫結(jié)構(gòu)。圖5為雙層狹縫結(jié)構(gòu)視場俯視圖。為了提高光電接收管接收光線的效率，使狹縫1、狹縫2寬度和光電接收管表面寬度一致[7] ，保證過靶信號有效視場不變，而干擾光線的入射視場減小，減少了干擾光線，提高了測試效果，降低了外來噪聲的干擾。圖6為雙層光闌狹縫下測速波形，試驗(yàn)時間為夏令時13：30，此時太陽光照強(qiáng)度大，但從圖中可以看出過靶信號信噪比有很大提高。

通過對比單層光闌狹縫與雙層光闌狹縫的測速信號波形可以看出，雙層光闌狹縫結(jié)構(gòu)對背景干擾光線的濾除效果較好。

4 光電探測器封裝對探測效果的影響

光電探測器作為感應(yīng)光通量變化的器件，其性能直接影響到測速效果，因此在選擇光電探測器時要選擇響應(yīng)速度高、光電流大、暗電流小的光電探測器。本試驗(yàn)使用2CU101型光電二極管作為光電探測器，2CU101光電二極管具有透明和黑色樹脂封裝兩種封裝類型。

透明封裝的光電二極管的光譜范圍大，黑色樹脂封裝的光電二極管光譜范圍主要在紅外波段，可以濾除紅外波段以外的光線，有利于對于干擾光線的去除。圖7為使用透明封裝光電探測器時信號波形，使用的的發(fā)射光源為[14] W功率紅外發(fā)射管，峰值波長為940 nm。從圖7中可以看出信號干擾較大，增加了后續(xù)信號處理的難度。

圖8為黑色樹脂封裝探測器的波形。本試驗(yàn)使用[14]W功率紅外發(fā)射管，峰值波長為940 nm，從圖中可以清楚看到，使用黑色樹脂封裝的光電二極管探測得到的過靶信號較好，便于信號的進(jìn)一步放大、濾波處理。

通過對比圖7與圖8中信號測試波形，可以明顯看出黑色樹脂封裝類型的二極管有利于提升測速結(jié)果。

5 微弱電信號處理電路

在光幕測速系統(tǒng)中，當(dāng)彈丸通過光幕靶面時，由于彈丸對光線的遮擋，使得光電二極管上接收到的通量發(fā)生變化，光電二極管把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，由于電信號的變化比較微弱，無法直接對其進(jìn)行測量，為此需要對微弱電信號進(jìn)行處理。

5.1 光電轉(zhuǎn)換電路

當(dāng)彈丸穿過光幕靶時，光電二極管感應(yīng)變化的光通量而產(chǎn)生變化的光電流，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路把光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號[9]，再經(jīng)過后續(xù)放大電路的處理提取出有效過靶信號。圖9為光電轉(zhuǎn)換電路，C1，C2為濾波電容，R1為偏置電阻，R2為取樣電阻，C3提供交流耦合，IN端為放大電路提供輸入信號。

5.2 放大電路

經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲取的電信號比較微弱，需要對其進(jìn)行進(jìn)一步的放大、濾波處理，從而提取出有效的過靶電信號。

本設(shè)計使用2片AD823運(yùn)算放大器順序級聯(lián)，組成3級放大電路以及一個電壓跟隨器電路，總放大倍數(shù)在1 000倍左右。AD823是雙通道運(yùn)算放大器，具有輸入失調(diào)電壓低、壓擺率大、帶寬范圍大等特點(diǎn)，滿足信號放大電路的使用要求。圖10為第一級放大電路圖，圖11為第二級放大電路圖，圖12為第三級放大電路圖。

其中圖12中第三級放大電路輸出端直接與一個電壓跟隨器相連，然后經(jīng)過一個無源低通濾波器后輸出信號。第一級為前置放大電路，具有低噪聲、低輸出阻抗、信號帶寬大的特點(diǎn)[9] ，對信號進(jìn)行低噪聲前置放大處理，為減少引入噪聲干擾采用5倍放大，第二級、第三級分別采用10倍、20倍放大；對微弱信號進(jìn)行放大的過程中，同時使用有源濾波和無源濾波，組成了帶通濾波器，在對信號進(jìn)行放大的同時進(jìn)行濾波處理[7]。圖13為經(jīng)過信號處理的過靶信號波形圖。圖中彈丸目標(biāo)過靶信號明顯，完全滿足速度測試要求。

6 對比實(shí)驗(yàn)

通過對比單層光闌狹縫和雙層光闌狹縫的測速結(jié)果，確定了雙層光闌狹縫結(jié)構(gòu)。通過對比兩種光電二極管封裝類型的測試結(jié)果，選擇黑色樹脂封裝的光電二極管作為探測器，并使用設(shè)計的信號處理電路搭建了完整的紅外光幕靶測速系統(tǒng)。在北京理工大學(xué)測試靶場對其測速精度進(jìn)行測試，具體是利用火藥彈道槍進(jìn)行實(shí)彈射擊，實(shí)驗(yàn)布局如圖14所示。試驗(yàn)中分別使用高速攝影和絲網(wǎng)靶對紅外光幕靶測速精度進(jìn)行測試。

其中高速攝影相機(jī)是用來獲取飛行物體每一特定時刻空間圖像信息的光學(xué)儀器[10]，通過把彈丸飛行過程的空間信息和時間信息聯(lián)系起來，并根據(jù)拍攝得到的相鄰二幅或多幅彈丸的像距確定飛行距離，通過高速攝影[11]的拍攝速度確定飛行時間，從而計算出彈丸平均速度。絲網(wǎng)斷靶是利用彈丸飛行過程對通電細(xì)銅絲網(wǎng)進(jìn)行破壞，銅絲斷開瞬間獲取過靶電壓信號，并根據(jù)過靶時刻以及兩個絲網(wǎng)斷靶間的距離，計算出彈丸飛行的平均速度。因其測速穩(wěn)定性較高，廣泛應(yīng)用于軍工靶場測試中。這里使用絲網(wǎng)斷靶測速數(shù)據(jù)作為彈丸速度測試標(biāo)準(zhǔn)。對比光幕測速靶、高速攝影測速、銅絲網(wǎng)斷靶的測速數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)如表1所示，圖15為測速數(shù)據(jù)線性擬合曲線。

通過對比表1中高速攝影測速數(shù)據(jù)與絲網(wǎng)斷靶測速數(shù)據(jù)，可以計算出在試驗(yàn)中使用高速攝影測速時，相對絲網(wǎng)靶測速的相對誤差范圍為1%～3%，而且從圖15中擬合曲線可以看出隨著彈丸速度越高測量相對誤差越大，而本實(shí)驗(yàn)是在照明光線良好條件下進(jìn)行，基本可以排除照明條件對測速結(jié)果的影響。通過對比表1中光幕靶測速數(shù)據(jù)與絲網(wǎng)斷靶測速數(shù)據(jù)，可以計算出在試驗(yàn)中使用光幕靶測速時，相對絲網(wǎng)靶測速的相對誤差在1%以內(nèi)，而且彈丸的速度越高，測速精度越高。

通過對比對比光幕測速靶、高速攝影測速、銅絲網(wǎng)斷靶的測速數(shù)據(jù)，可以看出設(shè)計的紅外光幕靶測試精度比高速攝影測速要高，相對絲網(wǎng)靶測速誤差在1%以內(nèi)，誤差較小。

7 結(jié) 語

本設(shè)計分析了不同背景光照對測速結(jié)果的影響，通過優(yōu)化光闌狹縫的結(jié)構(gòu)，選擇黑色樹脂封裝的紅外光電位二極管作為探測器，減少了干擾光線對測速結(jié)果的影響。同時設(shè)計的信號處理電路，搭建了紅外光幕靶測速系統(tǒng)，并進(jìn)行了槍擊實(shí)驗(yàn)。通過對比測速數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了設(shè)計的紅外光幕測速靶測試精度符合測試要求。

注：本文通訊作者為黃廣炎。

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