一種用于破片測(cè)速的環(huán)形光幕裝置

田　會(huì)，金朋剛，田亞男，袁　云

(1. 西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021； 2. 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán) 第二〇四研究所，陜西 西安 710061)

0　引　言

在各類身管武器以及戰(zhàn)斗部的研制和生產(chǎn)中，為有效評(píng)判該類武器的毀傷效能，需準(zhǔn)確測(cè)量彈丸或破片在特定位置的飛行速度[1-3]. 傳統(tǒng)測(cè)速方法大多采用區(qū)截測(cè)速原理，在預(yù)定彈道線上間隔一定距離放置兩臺(tái)探測(cè)器，通過測(cè)量彈丸穿過兩個(gè)探測(cè)器的時(shí)間，依據(jù)定距測(cè)時(shí)原理計(jì)算出彈丸飛行速度，光電探測(cè)設(shè)備具有響應(yīng)時(shí)間快、探測(cè)靈敏度高、非接觸測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，已成為主力測(cè)試裝置，現(xiàn)有光電類探測(cè)器包括天幕靶、光幕靶以及激光靶等[4,5]. 在戰(zhàn)斗部靜爆時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沿任意方向飛行的破片，若使用上述探測(cè)裝置來測(cè)量破片飛行速度將具有一定的局限性，其主要表現(xiàn)在破片在鉛垂面上沿任意角度飛行，穿過兩個(gè)光幕間的飛行距離大于預(yù)先測(cè)量的垂直距離，測(cè)量速度存在較大誤差； 現(xiàn)有探測(cè)裝置形成的探測(cè)面為平面，其視場(chǎng)有限，對(duì)任意方向飛行的破片存在較高的漏測(cè)率[6,7]. 通過在破片飛行四周區(qū)域放置多套探測(cè)裝置來提高捕獲率的方法[8]需耗費(fèi)較多人力、物力，且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布放繁瑣. 為了解決上述問題，本文提出一種探測(cè)面為環(huán)形的光幕測(cè)速裝置，以實(shí)現(xiàn)在水平面內(nèi)任意方向飛行的破片速度測(cè)量.

1　探測(cè)光幕的形成與工作原理

圖 1　矩形探測(cè)光幕的典型構(gòu)成方式Fig.1　The typical composition of rectangular detection light screen

光源、接收裝置、信號(hào)處理電路以及支撐結(jié)構(gòu)在空間形成非接觸式探測(cè)光幕[9]. 常用的探測(cè)光幕有矩形光幕和扇形光幕，光幕面為具有一定厚度的平面. 圖 1 為典型的光幕探測(cè)器構(gòu)成形式，長(zhǎng)為S1的LED線陣列光源發(fā)出的光能被距離為S2與其相向安裝的線陣列光電探測(cè)器件接收，在空間形成探測(cè)面積為S1S2的矩形探測(cè)光幕. 飛行彈丸從該探測(cè)光幕內(nèi)任意位置穿過時(shí)，引起部分光電探測(cè)器件接收的光能量變化，輸出微弱變化的電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)前級(jí)放大電路及放大電路處理輸出幅值不小于3 V的模擬信號(hào)； 觸發(fā)電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，其中脈沖信號(hào)的上升沿對(duì)應(yīng)彈丸開始進(jìn)入光幕的時(shí)刻，下降沿對(duì)應(yīng)彈丸完全離開光幕的時(shí)刻； 數(shù)字濾波電路根據(jù)干擾信號(hào)與彈丸過幕信號(hào)在時(shí)間寬度上的差異[10]，濾除彈頭激波和蚊蟲等產(chǎn)生的干擾信號(hào)，提高探測(cè)器工作的可靠性，最終輸出的脈沖信號(hào)傳輸給后續(xù)測(cè)時(shí)裝置.

在對(duì)飛行軌跡已知的破片測(cè)速時(shí)，因破片的散布區(qū)域較大，為有效獲取破片穿過探測(cè)光幕的信號(hào)幅值，需制作具有更大探測(cè)光幕的測(cè)速裝置. 當(dāng)通過增加光源與探測(cè)器件的數(shù)量及增大光源與探測(cè)器件之間距離的方式來實(shí)現(xiàn)較大的探測(cè)光幕時(shí)，隨著光源與探測(cè)器件之間的距離增大，到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器件上的光通量隨之減少，最終導(dǎo)致探測(cè)裝置的探測(cè)靈敏度、頻率響應(yīng)特性、可靠性急劇下降. 因此，傳統(tǒng)矩形或扇形探測(cè)光幕無法滿足飛行方向與軌跡不確定的破片測(cè)速要求.

2　環(huán)形光幕靶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)在有效探測(cè)區(qū)域內(nèi)無遺漏的對(duì)任意方向飛行破片測(cè)速，研究了環(huán)形光幕靶. 采用直徑為 5 mm，發(fā)光波長(zhǎng)為940 nm，發(fā)光立體角為15°的子彈頭形LED，按照一定的安裝角度和距離構(gòu)成如圖 2 所示半徑為R的環(huán)形LED陣列； 使用外形尺寸、響應(yīng)波長(zhǎng)、視場(chǎng)角與光源相匹配的光電探測(cè)器件作為接收器件，其安裝方式與光源的安裝方式相對(duì)應(yīng)如圖 3 所示，為半徑為R的環(huán)形接收器件陣列. 環(huán)形陣列中的每個(gè)LED的法線均指向?qū)?yīng)位置接收器件的中心.

如圖 4 所示，接收器件陣列按照特定距離與角度排布呈環(huán)形，接收LED發(fā)出的光能時(shí)，單個(gè)接收器件與環(huán)形LED陣列存在一定的幾何關(guān)系.

圖 2　環(huán)形光源陣列示意圖Fig.2　The schematic diagram of circular ring light source array

圖 3　環(huán)形接收陣列示意圖Fig.3　The schematic diagram of circular ring received device array

圖 4　單個(gè)接收器覆蓋光源范圍幾何示意圖Fig.4　The geometric schematic diagram of signal received device covers the light range

單個(gè)接收器件經(jīng)狹縫光闌限制后的視場(chǎng)角為φ，同一規(guī)格的每個(gè)接收器件在空間的視場(chǎng)范圍均相等，結(jié)合圖 4 中的幾何關(guān)系可計(jì)算出單個(gè)接收器件視場(chǎng)在環(huán)形LED陣列中對(duì)應(yīng)的圓心角θ為

(1)

圓心角θ所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)上LED數(shù)目為

(2)

式中：d為單個(gè)接收器件的直徑. 單個(gè)接收器件所接收到的光照度值為

(3)

式中：Eall為單個(gè)接收器件所接收到的光照度值；I(λ)為單個(gè)LED的發(fā)光強(qiáng)度；M為單個(gè)接收視場(chǎng)所覆蓋的LED數(shù)目.

圖 5　環(huán)形探測(cè)光幕面內(nèi)的光能分布示意圖Fig.5　The schematic diagram of light energy distribution in circular ring detection light screen

依據(jù)上述公式，結(jié)合LED與接收器件安裝特點(diǎn)分析可知：當(dāng)使用同一規(guī)格的LED與接收器件時(shí)，每個(gè)接收器件在環(huán)形LED陣列上所覆蓋的弧長(zhǎng)均相等 ，即環(huán)形接收器件陣列中每個(gè)接收器件的視場(chǎng)所覆蓋LED的數(shù)目均相等. 因LED的發(fā)光強(qiáng)度一致且互不干擾，依據(jù)距離平方反比定律[11]，在距離光源H處的單個(gè)接收器件所接收的光照度為其視場(chǎng)所覆蓋的LED光照度的疊加，即環(huán)形接收陣列上每個(gè)接收器件所接收到的光照度值均可用式(3)表示，整個(gè)環(huán)形探測(cè)光幕面的光能量分布如圖 5 所示.

與傳統(tǒng)矩形探測(cè)光幕相比，該方式形成的環(huán)形探測(cè)光幕其光能量在探測(cè)面分布均勻，探測(cè)靈敏度幅值差異小，可完全消除傳統(tǒng)矩形探測(cè)光幕因兩端光能衰減引起探測(cè)靈敏度差異大的缺陷[12].

3　環(huán)形探測(cè)光幕的設(shè)計(jì)

環(huán)形光幕靶整體結(jié)構(gòu)如圖 6 所示，主要由同圓心的內(nèi)側(cè)環(huán)形光源與內(nèi)側(cè)環(huán)形接收裝置及外側(cè)環(huán)形光源與外側(cè)環(huán)形接收裝置組成. 各部分裝置分別通過連桿相向安裝于上水平面、下水平面上，在空間形成內(nèi)側(cè)圓柱形探測(cè)光幕面(即啟動(dòng)探測(cè)光幕)、外側(cè)圓柱形探測(cè)光幕面(即停止探測(cè)光幕)，構(gòu)成了接收與發(fā)射一體化的環(huán)形光幕靶，在空間形成密實(shí)的圓柱形光幕探測(cè)面.

對(duì)戰(zhàn)斗部爆炸所產(chǎn)生的破片進(jìn)行測(cè)速時(shí)，將待測(cè)戰(zhàn)斗部放置于環(huán)形光幕靶裝置的圓心軸處載物臺(tái)上，當(dāng)戰(zhàn)斗部爆炸所產(chǎn)生的任意方向飛行的破片先后穿過同圓心不同半徑的內(nèi)、外側(cè)圓柱形探測(cè)光幕，可遮擋部分到達(dá)接收器件光敏面上的光能量，由信號(hào)處理電路輸出對(duì)應(yīng)破片過幕的信號(hào)幅值. 設(shè)計(jì)的環(huán)形光幕靶中的信號(hào)處理電路與現(xiàn)有的XGK-2002型光幕靶電路相同[13,14]，因此，設(shè)計(jì)的環(huán)形光幕靶可直接使用. 當(dāng)多個(gè)破片同時(shí)穿過內(nèi)側(cè)或外側(cè)圓柱形探測(cè)光幕面時(shí)，信號(hào)處理電路僅能輸出1個(gè)過幕信號(hào)，無法對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效配對(duì)，因此也不能準(zhǔn)確計(jì)算每個(gè)破片的速度，僅能大致測(cè)量出多個(gè)破片的平均飛行速度.

圖 6　環(huán)形光幕靶裝置示意圖Fig.6　Schematic diagram of circular ring detection light screen device

一體化的環(huán)形光幕靶其整體結(jié)構(gòu)更為緊湊、成本低廉，內(nèi)、外側(cè)圓柱形探測(cè)光幕面間的固定連桿確定了兩個(gè)探測(cè)光幕的間距，減少了靶距測(cè)量帶來的誤差，提高了探測(cè)精度. 通過改變固定連桿2的長(zhǎng)度，可調(diào)節(jié)光源與接收裝置的距離，增大探測(cè)靶面，滿足有效探測(cè)靶面大且全方位無死角的探測(cè)需求.

4　結(jié)　論

針對(duì)現(xiàn)有平面形光幕探測(cè)裝置無法測(cè)量任意方向飛行的破片速度問題，本文設(shè)計(jì)了一種環(huán)形光幕靶裝置. 環(huán)形光幕靶在空間中形成內(nèi)、外側(cè)兩個(gè)圓柱形光幕探測(cè)面，可測(cè)量空間任意方向飛行破片的速度； 采用環(huán)形發(fā)光二極管陣列配接對(duì)應(yīng)的環(huán)形光電接收器件陣列構(gòu)成的環(huán)形探測(cè)光幕，光能量在同一高度上分布均勻，幕面內(nèi)任意位置的探測(cè)靈敏度相同，消除了傳統(tǒng)光幕面兩端探測(cè)靈敏度逐步減弱的不足； 該裝置的光源和接收裝置通過連桿固定連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn).