某型紫外接收靈敏度測試設(shè)備設(shè)計(jì)與開發(fā)研究

葉青

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

紫外接收機(jī)探測導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)羽煙中的紫外輻射信號(hào)，在經(jīng)過信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)來襲導(dǎo)彈的威脅告警。紫外接收機(jī)采用面陣凝視成像體制。紫外接收機(jī)通過RS422接口向控制器傳輸告警信號(hào)，控制器將兩路告警信號(hào)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和畸變校正后形成告警信息再通過1553B 電子戰(zhàn)總線將其上報(bào)電子戰(zhàn)系統(tǒng)。告警方位信息由電子戰(zhàn)系統(tǒng)送至顯示控制管理分系統(tǒng)綜合顯控器上顯示。紫外接收機(jī)接收紫外信號(hào)靈敏度性能好壞，直接影響飛機(jī)戰(zhàn)場生存的安全性。為了實(shí)現(xiàn)紫外接收靈敏度的性能測試，開展紫外接收靈敏度測試設(shè)備設(shè)計(jì)研究，有利于及時(shí)有效診斷產(chǎn)品完好狀態(tài)、及時(shí)故障排除，恢復(fù)產(chǎn)品正常工作狀態(tài)，提高產(chǎn)品的使用可靠性，具有重要意義。

1 設(shè)計(jì)需求

研制一臺(tái)紫外接收靈敏度測試設(shè)備，模擬空中威脅環(huán)境下，飛機(jī)對(duì)于紫外信號(hào)的告警性能測試。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)

紫外告警靈敏度測試設(shè)備主要由1個(gè)光學(xué)平臺(tái)、紫外平行光管1 臺(tái)、紫外控制器1 臺(tái)、紫外輻射計(jì)1 臺(tái)。紫外接收機(jī)紫外告警靈敏度的測試通過光學(xué)測試平臺(tái)與測試系統(tǒng)主機(jī)柜結(jié)合實(shí)現(xiàn)。光學(xué)平臺(tái)上裝有三維轉(zhuǎn)臺(tái)，通過三維轉(zhuǎn)臺(tái)可以調(diào)整紫外接收機(jī)方位角、俯仰角，并通過紫外控制器來控制紫外平行光管輸出告警能量，由紫外輻射計(jì)標(biāo)定能量后進(jìn)行紫外告警模擬測試。測試連接框圖，如圖1 所示。

圖1 紫外接收機(jī)告警靈敏度測試連接框圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

（1）光學(xué)平臺(tái)。光學(xué)平臺(tái)是光學(xué)裝調(diào)和測試的安裝平臺(tái)，設(shè)計(jì)選用精密阻尼隔振光學(xué)平臺(tái)，基礎(chǔ)支撐采用符合材料固體阻尼隔振，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠，適用于環(huán)境良好的實(shí)驗(yàn)場所。尺寸為1500mm×1000mm×800mm，最大振幅2um、固有頻率2Hz、平面度平臺(tái)。

（2）紫外平行光管。紫外平行光管是內(nèi)場紫外測試的重要組成，也是光學(xué)度量儀器的重要組成部分。利用紫外平行光管產(chǎn)生的平行光束，可以模擬無窮遠(yuǎn)的目標(biāo)，供被測設(shè)備測試以及輻射靈敏度測試。

（3）紫外控制器。紫外控制器的主要功能為產(chǎn)生并輸出控制信號(hào)，控制紫外平行光管按照能夠模擬導(dǎo)彈逼近時(shí)尾煙輻射特性出光?？刂破饔? 臺(tái)主機(jī)、1 根電源電纜和1 根控制電纜組成。主機(jī)是控制器實(shí)現(xiàn)其功能的主要部分。電源電纜用于連接外部AC220V/50Hz 電源，為主機(jī)供電。控制電纜用于連接平行光管，傳輸控制信號(hào)，使平行光管出光。接口采用GX16-2P 插頭連接平行光管?？刂破髦鳈C(jī)通過電源電纜連接外部AC220V/50Hz 電源，通過控制電纜連接平行光管。接通電源后，按動(dòng)一次控制器主機(jī)上的觸發(fā)按鈕，控制器主機(jī)就通過控制電纜輸出一次控制信號(hào)給平行光管，使平行光管出光?？刂破髦鳈C(jī)電路部分必須能夠控制控制器主機(jī)正常工作，主要有接受觸發(fā)、產(chǎn)生指示脈沖、驅(qū)動(dòng)光源、指示狀態(tài)和電源轉(zhuǎn)換等功能，包括主控、控制信號(hào)產(chǎn)生、狀態(tài)指示和電源轉(zhuǎn)換四個(gè)功能模塊。

主控模塊接受用戶按動(dòng)啟動(dòng)按鈕產(chǎn)生的觸發(fā)，來控制控制信號(hào)產(chǎn)生模塊開始和結(jié)束工作，同時(shí)控制狀態(tài)指示模塊指示相應(yīng)的狀態(tài)。主控模塊采用AT89C 系列的精簡型微控制器為主控芯片AT89C2051，這款微控制器體積較小，性能穩(wěn)定可靠。

連接電源后，主控模塊首先進(jìn)行初始化。初始化結(jié)束后，用戶才可以進(jìn)行正常操作。用戶按動(dòng)觸發(fā)按鈕產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)，連接于主控芯片的外部中斷輸入端，中斷觸發(fā)后及時(shí)關(guān)閉主控芯片的中斷功能，防止誤觸發(fā)。觸發(fā)后，主控模塊控制控制信號(hào)產(chǎn)生模塊開始工作，同時(shí)控制狀態(tài)指示模塊指示出“控制信號(hào)輸出中”的狀態(tài)。工作結(jié)束后，主控模塊控制狀態(tài)指示模塊指示出“無控制信號(hào)輸出”的狀態(tài)，同時(shí)打開主控芯片的中斷功能，接受下一次觸發(fā)，直到電源開關(guān)關(guān)閉。

控制信號(hào)產(chǎn)生模塊受主控模塊控制，采用PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)控制功率MOS 管的通斷來產(chǎn)生控制信號(hào)。狀態(tài)指示模塊采用帶有反射腔的發(fā)光二極管，安裝在機(jī)箱外殼上，能夠指示電源和控制信號(hào)輸出的狀態(tài)。電源轉(zhuǎn)換模塊采用單路輸出開關(guān)電源模塊EPS-45S-12，將交流電源（AC220/50Hz）轉(zhuǎn)換為12V 直流電源，之后再由兩個(gè)三端穩(wěn)壓芯片LM1084 和LM1117，將12V 直流電源分別轉(zhuǎn)換為5.3 ～10.5V 可調(diào)直流電源和5V 直流電源，為主控、控制信號(hào)產(chǎn)生和狀態(tài)指示3個(gè)模塊供電。

（4）紫外輻射計(jì)。ZWFSJ-Ⅰ日盲紫外輻射計(jì)（以下簡稱“紫外輻射計(jì)”）可以對(duì)各型紫外輻射模擬源和紫外平行光管的輻射照度進(jìn)行測量標(biāo)定。紫外輻射計(jì)主要由光學(xué)探頭及電纜組成，其中光學(xué)探頭包含光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)。輻射計(jì)組成框圖如圖2 所示。

圖2 輻射計(jì)組成框圖

光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對(duì)入射光進(jìn)行濾光后，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)傳遞給測量控制系統(tǒng)。測量控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算，得出相應(yīng)的能量值，隨后上傳至顯示設(shè)備進(jìn)行顯示。同時(shí)，測量控制系統(tǒng)可對(duì)測量過程進(jìn)行控制，能夠調(diào)節(jié)脈沖計(jì)數(shù)周期等。電纜負(fù)責(zé)輻射計(jì)供電及其與顯示設(shè)備之間的通訊。

①光學(xué)設(shè)計(jì)。輻射計(jì)的工作波長范圍為250 ～280nm，屬日盲紫外波段，與現(xiàn)有各型號(hào)紫外輻射模擬設(shè)備的工作波段一致。考慮到被測量的紫外輻射很微弱，入射光功率極低，光電探測器上的光電子脈沖呈現(xiàn)出不連續(xù)的隨機(jī)分布，形成了輻射的離散入射方式，因此采用高增益、低噪聲、高靈敏度的單光子計(jì)數(shù)檢測方式，選用光子計(jì)數(shù)探頭作為探測器，這是一種采用單光子計(jì)數(shù)技術(shù)的光電倍增管模塊。

同時(shí)，由于探測器在設(shè)計(jì)波段外存在響應(yīng)，即使有少量光入射也會(huì)引起極大誤差。為避免其他波段的入射光產(chǎn)生干擾，光電倍增管前采用吸收式深截止窄帶濾光器，深度抑制長波輻射，且在日盲區(qū)保持較高透射率。系統(tǒng)原理圖見圖3。

圖3 光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)原理圖

輻射計(jì)選用日本濱松的H8259 型光子計(jì)數(shù)探頭作為探測器。選用藍(lán)臣的SBF-3A 型日盲濾光器，與紫外告警設(shè)備所用濾光器廠家相同，性能統(tǒng)一，可以保證輻射計(jì)所探測的入射光與紫外告警設(shè)備接收的信號(hào)在波段范圍、入射能量上一致。由于濾光器不易清潔，且其性能在很大程度上影響輻射計(jì)的探測能力，故考慮在最外層增加保護(hù)玻璃，采用JGS1 石英玻璃，在短波紫外區(qū)有良好透過率。

②電路設(shè)計(jì)。測量控制系統(tǒng)由信號(hào)處理電路、計(jì)數(shù)器模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，由一塊印制板完成。脈沖信號(hào)首先進(jìn)入信號(hào)處理電路，整形后由計(jì)數(shù)器模塊采集，并按照數(shù)據(jù)處理模塊下發(fā)的控制要求進(jìn)行計(jì)數(shù)，隨后將計(jì)數(shù)結(jié)果返回?cái)?shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行計(jì)算，最后輻照度值上傳至顯示設(shè)備完成顯示。脈沖的采集計(jì)數(shù)由CPLD 實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理模塊采用基于ARM7 的微控制器。測量控制系統(tǒng)原理圖見圖4。

圖4 測量控制系統(tǒng)原理圖

信號(hào)處理電路主要用于對(duì)輸入信號(hào)的整形與濾波，去除信號(hào)中的噪聲和雜波，平滑波形，便于后續(xù)計(jì)數(shù)器模塊的統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)。

計(jì)數(shù)器模塊由觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、鎖存器、讀數(shù)器及相關(guān)的門電路組成，主要完成單位時(shí)間內(nèi)對(duì)光電子脈沖的計(jì)數(shù)功能，并接收上級(jí)控制命令來調(diào)整光電子脈沖的計(jì)數(shù)時(shí)間，當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)間到達(dá)時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)觸發(fā)上級(jí)ARM 處理器中斷程序讀取計(jì)數(shù)值。計(jì)數(shù)器模塊采用美國Altera 公司的EPM7256AE-TI144-7 可編程器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，EPM7256AETI144-7 是基于第二代多陣列MatriX 構(gòu)架的高性能3.3 伏E2PROM 的可編程邏輯器件，是具有5000可用門的高密度PLD，管腳到管腳延遲7ns，計(jì)數(shù)頻率可高達(dá)140MHz，滿足高頻脈沖頻率計(jì)數(shù)的要求。

ARM 處理器采用PHILIPS 公司的LPC2148，LPC2148是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32/16 位ARM7TDMI-S CPU。128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。

LPC2148 擁有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件I2C 接口，最高可支持400kb/s 總線速率（高速I2C），擁有多達(dá)47個(gè)通用I/O 接口，可分別控制其輸入與輸出屬性。輻射計(jì)中I2C 接口用于控制外接的串行E2PROM 來存儲(chǔ)設(shè)備校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，I/O 接口可用于使能控制并作為數(shù)據(jù)位采集數(shù)值。輻射計(jì)中用到了多種元器件，且各自的工作電壓并不相同，故采用多個(gè)電壓轉(zhuǎn)換模塊組合的方式滿足供電要求。此外，光電倍增管對(duì)輸入電壓的穩(wěn)定性也有一定的要求，當(dāng)輸入電壓產(chǎn)生的脈沖噪聲過大時(shí)，可能會(huì)引起光電倍增管模塊故障或工作異常，只有當(dāng)輸入電壓在樣本標(biāo)明的范圍內(nèi)變化時(shí)，光電倍增管上所施加的電壓才可以保持穩(wěn)定。因此在電壓轉(zhuǎn)換前加入濾波器，以提供穩(wěn)定的電壓。供電模塊原理示意圖見圖5。

圖5 供電模塊原理示意圖

③結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，為方便日常測量使用，輻射計(jì)優(yōu)先采用輕量設(shè)計(jì)。同時(shí)考慮到光子計(jì)數(shù)探頭對(duì)入射光過于敏感，光學(xué)部分還需著重進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。輻射計(jì)主體采用航空鋁材2A12 機(jī)械加工制作而成，整體設(shè)計(jì)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化要求進(jìn)行，具有較強(qiáng)的互換性和工藝加工性能。航空鋁材2A12 機(jī)械性能良好，且具備優(yōu)良的力學(xué)性能，常用來制造高負(fù)載零件，同時(shí)其工作溫度可達(dá)到150℃以下，充分滿足環(huán)境適應(yīng)性要求。輻射計(jì)殼體多處采用鏤空減重設(shè)計(jì)，既保證整體的結(jié)構(gòu)和密封性能要求，又兼顧到整機(jī)的輕量化需求。

密封設(shè)計(jì)方面，輻射計(jì)采用多種手段協(xié)同配合，大大降低了雜散光對(duì)探測結(jié)果的影響。首先，光學(xué)鏡筒利用60°細(xì)牙螺紋進(jìn)行密封，鏡筒與光子計(jì)數(shù)探頭的連接處增設(shè)1mm 柔性橡膠，

主機(jī)前面板采用凹陷式設(shè)計(jì)，使光子計(jì)數(shù)探頭沉于前面板中，進(jìn)一步降低噪聲的輸入。另外，在前面板的外部用壓圈對(duì)光學(xué)鏡筒進(jìn)行固定，輻射計(jì)各面板之間連接采用企口式設(shè)計(jì)，既保證了殼體整體的密封性，又保證了箱體的有效接地。

3 結(jié)語

本檢測平臺(tái)能夠滿足某型飛機(jī)紫外接收機(jī)紫外靈敏度的性能測試，以此形成產(chǎn)品的測試能力和故障排查能力，保證飛機(jī)紫外接收機(jī)的修理質(zhì)量，提升工廠飛機(jī)修理產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。