天幕靶靈敏度自適應(yīng)控制技術(shù)研究

，，

(西安工業(yè)大學(xué) 陜西省光電測試與儀器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021)

0 引言

天幕靶是一種廣泛應(yīng)用于靶場外彈道測試領(lǐng)域中基于無源光電探測原理的測試儀器[1-2]，天幕靶的狹縫光闌與成像光學(xué)鏡頭在鏡頭物方形成具有一定厚度的光幕，彈丸穿過該光幕會遮擋一部分到達(dá)探測器的光能量，引起光電探測器光敏面光通量變化，使光電探測器產(chǎn)生的光電流發(fā)生變化，經(jīng)過信號處理電路放大處理輸出一個代表彈丸過幕時刻的脈沖信號。不同天空照度下，彈丸經(jīng)過光幕引起的相對光通量變化不同，進(jìn)而導(dǎo)致天幕靶系統(tǒng)的探測靈敏度也不同。天幕靶的探測靈敏度是影響其探測性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。根據(jù)定義：天幕靶的靈敏度是指其能探測的最小光通量的相對變化量[3-4]。但該項(xiàng)指標(biāo)受外界因素[5-6]如天空背景光亮度、電路噪聲以及彈丸口徑及彈丸速度等影響較大，靈敏度劇烈地波動會導(dǎo)致天幕靶探測系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)天幕靶無法正常工作的現(xiàn)象。

為了解決上述問題，目前工程上通常采用以下的方法實(shí)現(xiàn)天幕靶靈敏度的穩(wěn)定控制。第一種方法是改變天幕靶比較器閾值電壓[7-8]。由于天幕靶是彈丸穿過光幕后經(jīng)觸發(fā)才能輸出模擬信號的儀器，該模擬信號需要經(jīng)過比較器轉(zhuǎn)化為脈沖信號傳輸給測時儀，比較器的閾值高低是決定天幕靶靈敏度的重要因素，比較器閾值過高的話，彈丸信號難以觸發(fā)，比較器閾值較低的話，電路中噪聲就可能會導(dǎo)致天幕靶誤觸發(fā)，因此不同的測試環(huán)境就需要設(shè)置不同的比較器閾值電壓，測試過程就會比較復(fù)雜，操作人員難以判斷。第二種方法是改變鏡頭光圈及狹縫光闌的寬度。人工改變光圈大小可以改變光電探測器接收的光通量大小，但是對于測試連發(fā)彈丸或者測試現(xiàn)場較為復(fù)雜的情況難以調(diào)節(jié)操作且耗時耗力；改變狹縫光闌的寬度也是可以改變光電探測器的接收到的光通量大小，進(jìn)而會改變天幕靶的探測靈敏度，但是由于狹縫光闌的寬度決定了光幕的厚度，對于多臺天幕靶測試的情況無法保證觸發(fā)一致，降低了天幕靶的被測參數(shù)的測量精度；第三種方法是基于模糊控制原理的天幕靶處理電路的自動增益控制[9]。根據(jù)天空背景光亮度及噪聲大小改變放大電路的放大倍數(shù)，但是，一天范圍內(nèi)的天空亮度變化范圍比較大，根據(jù)天空亮度調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的范圍比較有限，信號幅值范圍不能達(dá)到預(yù)期的指標(biāo)且容易受外界噪聲影響。針對以上問題，根據(jù)天幕靶在天空背景下長時間工作時天空亮度變化較大的特點(diǎn)，提出了一種天幕靶靈敏度自適應(yīng)控制的方法。設(shè)計了相應(yīng)的控制電路可以根據(jù)背景光亮度、電路噪聲調(diào)節(jié)探測器接收的光通量到達(dá)最佳可控范圍內(nèi)，再根據(jù)控制后的光通量以及電路噪聲控制電路的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)天幕靶自適應(yīng)外界環(huán)境變化，自動穩(wěn)定靈敏度的目的。

1 天幕靶靈敏度控制模型

1.1 天幕靶探測系統(tǒng)

一種典型的天幕靶光電探測系統(tǒng)組成如圖1所示[10]，由鏡頭、狹縫光闌、光電探測器、信號處理電路和支撐結(jié)構(gòu)等主要部分組成[11]。天幕靶探測視場如圖2所示，由于系統(tǒng)中狹縫光闌的作用，成像鏡頭的視場為具有一定厚度的扇形，通常稱之為天幕，天幕的厚度由狹縫光闌的寬度決定，天幕的厚度會隨著高度增加，扇形的半徑是天幕靶在最大探測靈敏度下的探測距離，視場角2由狹縫長度決定。天幕靶探測視場的光能經(jīng)成像鏡頭匯聚之后，再經(jīng)過狹縫光闌到達(dá)光電管的探測面，由光電管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

圖1 天幕靶光電轉(zhuǎn)換示意圖

圖2 天幕靶探測視場

1.2 天幕靶信號幅值模型

文獻(xiàn)[12]建立的天幕靶靈敏度模型，通過天幕靶輸出的模擬信號幅值公式(1)分析影響模擬信號幅值因素，采用控制光通量、偏置電阻阻值以及電路放大倍數(shù)的方法達(dá)到信號幅值穩(wěn)定。

V(t)=Δφ(t)εγR′

(1)

式中,Δφ(t)為彈丸穿過幕面時引起的光通量的相對變化量；ε為電路放大倍數(shù)；γ為光電管的光照靈敏度；R＇為電流電壓轉(zhuǎn)換電阻。Δφ(t)的影響因素是天空照度，不同的天空亮度，相同彈丸穿過幕面所引起的光通量的相對變化量就會不同，通過調(diào)節(jié)到達(dá)探測器的光通量來調(diào)節(jié)模擬信號幅值。

光通量控制器件選用液晶調(diào)光膜，該器件采用PDLC液晶材料，是具有電光響應(yīng)特性的材料，該器件結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，可直接安裝在成像鏡頭與狹縫光闌下方，通過實(shí)驗(yàn)測試得到其透光率為50%～70%之間，液晶調(diào)光膜的透光率由電壓控制，在天幕靶中安裝液晶調(diào)光膜，通過測試三種照度下光電管輸出的光電流大小與液晶調(diào)光膜控制電壓的關(guān)系如圖3所示。

圖3 液晶調(diào)光膜電壓與輸出光電流關(guān)系

在天幕靶中不加液晶調(diào)光膜時，三種照度下光電探測器輸出的光電流分別為59.871、70.134、77.415 μA；由測試數(shù)據(jù)所繪制的圖表可以看出液晶調(diào)光膜的透光率與控制電壓基本呈線性，為了使得計算方便取其為線性關(guān)系，通過計算得到液晶調(diào)光膜控制電壓u1與透光率y的關(guān)系：

y=0.02u1+0.47

(2)

在天幕靶使用液晶調(diào)光膜調(diào)節(jié)光通量時，到達(dá)光電探測器光敏面的照度E＂為：

E＂=E＇y

(3)

式中,E＇為未使用液晶調(diào)光膜時到達(dá)探測器光敏面的照度。

由公式(3)就可得到到達(dá)探測器光敏面的光通量與實(shí)際照度的比例關(guān)系，在主控芯片通過A/D采集到天空照度信號之后，根據(jù)液晶調(diào)光膜透光率與電壓關(guān)系，主控芯片控制液晶調(diào)光膜的調(diào)節(jié)電壓，使到達(dá)光電探測器光敏面的光通量穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值附近。

根據(jù)公式(1)分析，光電管的偏置電阻R越大的話，天幕靶輸出模擬信號幅值V就會越大，但通過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，模擬信號幅值在偏置電阻超過一定值時會趨于穩(wěn)定值，這是因?yàn)樵诟淖兤秒娮枳柚档臅r候會改變光電管的動態(tài)靈敏度γσ：

γσ=γc/(1+R/Rφ)

(4)

式中,γc為光電管的靜態(tài)靈敏度，R為光電管偏置電阻，Rφ為光電管內(nèi)阻。

由于光電管的內(nèi)阻比較大，在偏置電阻較小時，其對光電管的動態(tài)靈敏度影響較小，在偏置電阻大到一定值時，光電管的動態(tài)靈敏度會隨著偏置電阻改變而變化。

自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)放大電路采用壓控運(yùn)放VCA810[13]，該芯片具有-40 Db～+40 dB的高增益調(diào)節(jié)范圍，出色的共模抑制比，輸入噪聲電壓低，增益控制精確，由VCA810控制輸出電壓可以滿足設(shè)計要求，由芯片手冊可以得到控制電壓Vc與放大增益G之間的計算關(guān)系如下：

G(V/V)=10-2(Vc+1)

(5)

G(dB)=-40(Vc+1)

(6)

將式(4)、(5)帶入式(1)得到：

V=Δφ(t)(0.02u1+0.47)10-2(Vc+1)γcR＇/(1+R/Rφ)

(7)

由公式(7)就可以得出模擬信號的幅值與控制電壓u1、Vc以及偏置電阻之間的關(guān)系。

由文獻(xiàn)[14-15]中研究的彈丸飛行速度與頻率的關(guān)系可知，彈丸型號一致，光幕厚度相同時，彈丸速度發(fā)生變化，信號的時寬、脈寬以及過幕信號上升/下降沿時間寬度同比例變化。增大信號的等效帶寬可以提高時間估計的精度。天幕靶頻率響應(yīng)特性是影響其探測精度的重要指標(biāo)，通過改變光電探測器偏置電阻來穩(wěn)定輸出信號幅值時，勢必會改變天幕靶的頻率響應(yīng)，從而影響天幕靶探測精度，通過分析天幕靶偏置電路如圖4所示。

圖4 天幕靶偏置電路

圖中R1、R2為偏置電阻，在電路中起保護(hù)作用；C為電路濾波電容。

分析圖(4)天幕靶偏置電路可知：

I=IL+Ic

(8)

Ic(jωC)-1=IL(R2+Rφ)

(9)

ω=2πf

(10)

根據(jù)光電探測器截止頻率的定義以及公式(8)、(9)、(10)可得:

(11)

進(jìn)而得到該電路的截止頻率：

(12)

根據(jù)公式(12)得出的電路截止頻率公式，可以看出影響電路截止頻率的因素主要是偏置電阻阻值以及電路電容容值，由于電容在電路中起到濾波作用，容值大小會影響電路中噪聲的強(qiáng)弱，因此為了使得控制簡化，保持電路中電容容值為定值，通過改變偏置電阻R2阻值來改變電路的截止頻率，在天幕靶使用過程中，操作人員根據(jù)所測試彈丸的速度選定相應(yīng)的偏置電阻阻值，以達(dá)到提高探測精度的要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)工作原理

根據(jù)天幕靶輸出信號與天空亮度的關(guān)系，采用自適應(yīng)的方法能夠根據(jù)外界因素按照預(yù)定的規(guī)則達(dá)到系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，系統(tǒng)原理框圖如圖5所示，目標(biāo)穿過天幕靶光幕靶面時，目標(biāo)彈丸會遮擋一部分光通量，產(chǎn)生的光通量變化經(jīng)過透鏡和狹縫光闌之后到達(dá)液晶調(diào)光膜表面，液晶調(diào)光膜的透光率由主控MCU進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)到達(dá)光電探測器表面的光通量，光電探測器接收到光通量產(chǎn)生微弱的光電流信號，該微弱信號經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換之后再經(jīng)過前級放大電路進(jìn)行固定倍數(shù)放大，經(jīng)過放大的信號再由程控濾波器進(jìn)行電路噪聲濾波后，經(jīng)過一級AGC電路進(jìn)行壓控放大，最后經(jīng)過濾波放大之后的信號經(jīng)過信號處理電路將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號進(jìn)行輸出。液晶調(diào)光膜的電壓控制信號取決于天空亮度，在天空亮度高于預(yù)設(shè)值，主控MCU根據(jù)實(shí)際天空亮度值預(yù)設(shè)值偏差進(jìn)行比例運(yùn)算，進(jìn)而控制液晶調(diào)光膜的控制電壓改變其透光率，當(dāng)天空亮度低于預(yù)設(shè)值時，主控MCU控制液晶調(diào)光膜控制電壓使其透光率達(dá)到最大；偏置電阻的阻值根據(jù)測試環(huán)境以及測試彈丸的速度進(jìn)行切換，AGC電路的控制信號取決于經(jīng)過液晶調(diào)光膜調(diào)節(jié)之后采集到的天空亮度和電路中的噪聲。MCU采集到經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后背景光強(qiáng)度和噪聲信號，按照相應(yīng)的控制規(guī)則來分別控制液晶調(diào)光膜電壓以及AGC電路的控制電壓。

圖5 系統(tǒng)原理框圖

2.2 系統(tǒng)各模塊工作方式

系統(tǒng)中主控MCU采用芯片stm32f103rct6，其作用是采集天空亮度信號和電路噪聲信號，根據(jù)采集的信號進(jìn)而控制液晶調(diào)光膜和壓控放大芯片的控制電壓，該芯片具有較高的運(yùn)行速度，且引腳數(shù)目足夠滿足設(shè)計需求，自身帶有A/D和D/A功能，A/D采集精度為十二位，精度較高，在設(shè)計上可以不需要額外的A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片，簡化了設(shè)計需求且降低了成本，MCU引腳采集天空背景光信號和電路噪聲，通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過D/A引腳輸出電壓信號分別控制液晶調(diào)光膜和AGC電路的控制電壓。

程控濾波器選用芯片MAX262，其作用是降低信號中的噪聲干擾，提高信噪比，MAX262是雙二階開關(guān)電容有源濾波器，可以由MCU精確的控制濾波器的傳遞函數(shù)，使用MAX262構(gòu)成各種高通、低通、帶通、陷波和全通濾波器，只需要MCU控制即可，不需要其他外部器件；而且濾波器的中心頻率和品質(zhì)因數(shù)也可通過MCU編程實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制，芯片想配套的濾波器設(shè)計軟件可以自主改變?yōu)V波器的濾波特性，相比較于傳統(tǒng)的用分離元器件搭建的濾波器網(wǎng)絡(luò)，不僅省去了更復(fù)雜的計算過程，而且使得設(shè)計過程和設(shè)計時間大大簡化，根據(jù)對所測試彈丸速度的測試來選定濾波器的截止頻率，然后通過濾波器設(shè)計軟件計算出中心頻率和品質(zhì)因數(shù)，進(jìn)而對其編程即可完成濾波器設(shè)計。

AGC電路采用壓控放大芯片VCA810，其作用是調(diào)節(jié)電路對信號的放大倍數(shù)，VCA810采用雙電源供電，芯片的電壓控制引腳的控制電壓為0～-2 V，調(diào)節(jié)電路的放大倍數(shù)只需要改變電壓控制引腳的電壓即可，控制電壓由MCU控制，由于MCU采用自身帶有的D/A口輸出電壓，可輸出電壓范圍為0～3.3 V，為了滿足VCA810芯片的負(fù)電壓控制，需要對MCU的D/A輸出電壓進(jìn)行取反，去反電路采用低噪聲、精密高速運(yùn)算放大器OP37，信號反相輸入，一倍放大，輸出電壓即可直接輸入壓控放大器VCA810的電壓控制引腳 。

信號調(diào)理電路部分主要由比較器電路和CPLD數(shù)字濾波電路組成，比較器電路的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖信號，數(shù)字濾波電路的作用是濾波炮口激波等高速干擾和蚊蟲飛過時產(chǎn)生的低速干擾等非彈丸信號，數(shù)字濾波電路采用集成芯片CPLD，不僅減小了硬件空間，而且由于CPLD集成芯片使用硬件描述語言進(jìn)行開發(fā)，降低了開發(fā)周期，且可通過開發(fā)語言進(jìn)行調(diào)整或重新設(shè)計。

系統(tǒng)設(shè)計的主要部分是液晶調(diào)光膜光通量電壓控制和AGC電路放大倍數(shù)控制兩部分。液晶調(diào)光膜控制電壓為0～11 V，在采集到天空亮度低于設(shè)定的閾值時，控制電壓為11 V，液晶調(diào)光膜透光率達(dá)到最大；高于閾值時，根據(jù)液晶調(diào)光膜控制電壓與透光率公式得到不同天空亮度下液晶調(diào)光膜對應(yīng)的控制電壓，建立控制規(guī)則表，當(dāng)液晶調(diào)光膜控制電壓為0 V時，液晶調(diào)光膜透光率最?。涣硗庥捎谔炜樟炼仍礁?，電路中的噪聲就會越大，天幕靶作為觸發(fā)儀器，噪聲高容易出現(xiàn)誤觸發(fā)的情況，如果通過提高比較器閾值電壓來降低誤觸發(fā)，反倒會降低了天幕靶的靈敏度，因此液晶調(diào)光膜主要作用為降低光通量防止信號飽和以及降低天空亮度引起的電路噪聲。AGC電路部分是在液晶調(diào)光膜不能滿足自適應(yīng)控制時，對電路放大倍數(shù)調(diào)節(jié)來使模擬信號幅值保持穩(wěn)定，AGC電路的控制電壓由MCU根據(jù)采集到的天空亮度和電路噪聲查找控制規(guī)則表然后D/A輸出電壓提供，當(dāng)電路噪聲較低時，MCU根據(jù)采集到的天空亮度調(diào)節(jié)AGC電路的放大倍數(shù)，當(dāng)電路噪聲較高時，MCU根據(jù)電路噪聲調(diào)節(jié)電路放大倍數(shù)，電路噪聲高低的判別由長期工作經(jīng)驗(yàn)得到。

3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，在不使用液晶調(diào)光膜并且AGC電路增益保持不變的情況下，保持彈道高度不變(1.3 m)，實(shí)驗(yàn)中采用氣槍彈(彈徑5 mm)測試在不同天空照度下的過靶信號幅值，相同照度下測試5組數(shù)據(jù)，去掉極大極小值，取平均值，由于天幕靶探測視場為30°左右，因此天空照度是照度計在加30°套筒下測得的照度值，測試數(shù)據(jù)如表1所示，將測得數(shù)據(jù)擬合曲線如圖6所示。

表1 初始條件下的信號幅值

圖6 彈丸信號幅值與天空照度曲線

從圖中數(shù)據(jù)可以看出，模擬信號幅值與天空照度對應(yīng)變化基本呈線性關(guān)系，為了控制方便，取天幕靶模擬信號幅值與天空照度為線性關(guān)系。

為了避免天幕靶使用過程中由于天空照度變化造成信號輸出飽和或無法識別，模擬信號幅值波動應(yīng)該盡可能的小，為使信號幅值穩(wěn)定在4 V左右，使用液晶調(diào)光膜調(diào)節(jié)到達(dá)光電探測器表面的光通量，就使天空照度在高于650Lx時，液晶調(diào)光膜控制電壓根據(jù)照度透光率關(guān)系進(jìn)行改變,使光通量降到合適范圍內(nèi);在天空照度低于650Lx時，液晶調(diào)光膜控制電壓達(dá)到最大11 V,使得液晶調(diào)光膜透過達(dá)到最高，并且MCU根據(jù)模擬信號幅值計算公式得出的放大倍數(shù)控制規(guī)則，查詢控制規(guī)則表，相應(yīng)的改變AGC電路的放大倍數(shù)，使較低的模擬信號幅值達(dá)到4 V左右，通過實(shí)際測所得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 自適應(yīng)下的模擬信號幅值

由測試數(shù)據(jù)看出，不加自適應(yīng)控制的天幕靶幅值波動大小為2.85 V(最高幅值與最低幅值之差)，自適應(yīng)控制后幅值波動大小為0.95 V，信號幅值波動范圍減小為原來的35%。

4 結(jié)論

通過對天幕靶靈敏度影響因素進(jìn)行分析，針對現(xiàn)有天幕靶的不足，提出自適應(yīng)控制天幕靶靈敏度的方法。

(1)通過分析天幕靶模擬信號幅值影響因素，建立了自適應(yīng)控制下的天幕靶模擬信號幅值模型；

(2)分析了光電探測器偏置電阻對天幕靶頻率響應(yīng)的影響特性，得到了截止頻率響應(yīng)與偏置電阻的關(guān)系；

(3)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，自適應(yīng)控制下的天幕靶信號幅值波動減小為原來的35%，達(dá)到了天幕靶靈敏度穩(wěn)定的目的。