紅外光幕靶信號(hào)采集與調(diào)理電路設(shè)計(jì)

在兵器研制、生產(chǎn)以及射表編制中，需要經(jīng)常測(cè)試彈丸的速度，傳統(tǒng)方法主要有區(qū)截裝置和多普勒雷達(dá)2種，區(qū)截測(cè)速法由于安裝簡(jiǎn)便、儀器設(shè)備成本低等優(yōu)點(diǎn)，已得到普遍應(yīng)用。光幕靶是一種以光電轉(zhuǎn)換技術(shù)為基礎(chǔ)的彈丸速度測(cè)量區(qū)截裝置，采用人工光源，因此操作簡(jiǎn)便穩(wěn)定性好，靈敏度和測(cè)試精度較高。這里提出一種新型紅外光幕靶光電探測(cè)系統(tǒng)與信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，采用紅外發(fā)光二極管作為發(fā)光光源，通過(guò)光電二極管陣列進(jìn)行接收信號(hào)，將該信號(hào)處理后再接到測(cè)試儀器上，從而得到彈丸過(guò)靶速度。

1 發(fā)光系統(tǒng)
    設(shè)計(jì)中采用紅外發(fā)光二極管陣列發(fā)射紅外光，形成光幕，相鄰的發(fā)光二極管的直徑為5 mm，則緊密排列后其中心間距為5 mm。根據(jù)紅外發(fā)光二極管的壓降，工作電流，額定電壓等，設(shè)計(jì)出能使發(fā)光管發(fā)光強(qiáng)度滿足要求，并能穩(wěn)定工作的電路。

    以往的光幕靶大多采用恒壓源的設(shè)計(jì)方法，但是由于影響紅外發(fā)光二極管發(fā)光亮度與穩(wěn)定性的主要因素是為流經(jīng)其電流大小，因而采用LM317設(shè)計(jì)恒流源電路，具體電路圖如圖1所示。該電路設(shè)計(jì)采用LM317的標(biāo)準(zhǔn)恒流源電路接法，其輸出電流Iout為：
   

2 光電轉(zhuǎn)換電路
    利用紅外光敏二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件完成光信號(hào)到電信號(hào)轉(zhuǎn)換。這種器件具有響應(yīng)速度快、體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光電檢測(cè)。該電路設(shè)計(jì)采用由50只光敏二極管連接起來(lái)組成陣列，如圖2所示，圖2只給出其中2路，其余各路連接方法相同。其中，電阻R1、R2為取樣電阻，阻值可稍大一些，有利于增加電路靈敏度以提高整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度；電容C5、C6主要用于交流耦合。

3 放大電路
    在測(cè)試系統(tǒng)中，當(dāng)彈丸穿過(guò)靶面時(shí)，由由光敏二極管輸出的電信號(hào)比較微弱，如果此輸出信號(hào)直接輸出到后續(xù)電路往往會(huì)被噪聲淹沒，因此要有效利用該輸出信號(hào)，必須對(duì)其進(jìn)行放大。放大電路的作用就是放大光敏二極管輸出的微弱電信號(hào)，使之滿足后續(xù)處理電路的需要。電路需放大1 000倍左右，以往的光幕靶設(shè)計(jì)采用兩級(jí)放大(圖3)，由于放大倍數(shù)過(guò)高，導(dǎo)致兩級(jí)放大噪聲和溫漂等比較嚴(yán)重，因而該設(shè)計(jì)采用三級(jí)放大電路，如4圖所示。其中每一級(jí)放大10倍，由于是阻容耦合，因而放大l 000倍左右。其中每一級(jí)后連接有低通濾波電路。該電路設(shè)計(jì)為低于50 kHz的信號(hào)才可通過(guò)。

4 觸發(fā)電路
    在系統(tǒng)中，彈丸穿過(guò)靶面時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)將觸發(fā)后續(xù)的計(jì)時(shí)電路，產(chǎn)生觸發(fā)計(jì)時(shí)脈沖的時(shí)刻應(yīng)該不受輸入信號(hào)幅度的影響。一般槍炮彈丸垂直穿過(guò)靶面時(shí)，波形前沿變化較緩慢，而波形后沿陡峭，如圖5所示。

    彈尖觸發(fā)方式就是利用彈丸過(guò)靶信號(hào)的波形前沿觸發(fā)后續(xù)計(jì)時(shí)電路。這種觸發(fā)方式由于過(guò)靶信號(hào)的波形前沿斜率較小，同時(shí)不同光幕靶的光幕厚度存在差異，使得彈丸在穿過(guò)不同光幕時(shí)產(chǎn)生的觸發(fā)時(shí)刻一致性較差，因而造成較大的觸發(fā)誤差；而彈底觸發(fā)方式則是利用彈丸過(guò)靶信號(hào)的波形后沿來(lái)觸發(fā)后續(xù)計(jì)時(shí)電路。常規(guī)過(guò)靶信號(hào)處理會(huì)采用波形后沿信號(hào)二次微分零值點(diǎn)作為觸發(fā)點(diǎn)。相比較而言，彈底觸發(fā)方式具有較強(qiáng)的抗干擾能力。適用于一般的彈丸測(cè)試。
    在觸發(fā)電路設(shè)計(jì)時(shí)，首先利用電壓比較器將彈丸過(guò)靶信號(hào)變?yōu)槊}沖信號(hào)，電壓比較器的門限可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后再利用CPLD器件進(jìn)行彈尖、彈底選擇，當(dāng)選擇彈尖觸發(fā)時(shí)，讓經(jīng)過(guò)電壓比較器后的脈沖信號(hào)直接輸入到后續(xù)電路中；當(dāng)選擇彈底觸發(fā)時(shí)，經(jīng)過(guò)電壓比較器后的脈沖信號(hào)，再經(jīng)濾波電路，最后輸出一個(gè)固定脈寬的脈沖到后續(xù)電路。這里采用電壓比較器LM311設(shè)計(jì)比較電路，將彈丸過(guò)靶信號(hào)設(shè)計(jì)變?yōu)槊}沖信號(hào)，其具體電路原理圖如圖6所示。

5 濾波電路
    光電靶在工作過(guò)程中，當(dāng)靶面內(nèi)的光通量發(fā)生足夠大的變化時(shí)，光電傳感器就會(huì)響應(yīng)這種變化而產(chǎn)生電信號(hào)，也就是說(shuō)，一些非彈丸物體在穿過(guò)靶面時(shí)也會(huì)使得光幕內(nèi)光通量發(fā)生變化以至光電傳感器產(chǎn)生電信號(hào)。根據(jù)光電靶的工作原理，穿過(guò)靶面的飛行物體速度不同，遮擋的時(shí)間就不同，在電路中表現(xiàn)為比較器后產(chǎn)生的方波脈沖的寬度不同。
   
式中，l為飛行物的長(zhǎng)度，d為光幕面的厚度，v為飛行物的速度。
    沖擊波以聲速計(jì)算，v為340 m／s，d=3 mm，則可知沖擊波穿過(guò)光幕產(chǎn)生的方波信號(hào)脈沖寬度為：；若v=330 m／s，則t1≌9．1 μs。蚊蟲等飛行物飛行速度v為20 m／s，物體長(zhǎng)度l約為10 mm，則可知蚊蟲飛過(guò)光幕產(chǎn)生的方波信號(hào)脈沖寬度。紅外密集度立靶測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試彈丸彈速范圍為200～l 200m／s，主要用于5．8、7．62、9 mm 3種彈，沖擊波的影響主要產(chǎn)生于對(duì)9 mmx19 mm的手槍彈的測(cè)量，該彈丸彈速約為320 m／s。根據(jù)彈速和彈長(zhǎng)，可知彈丸穿過(guò)光幕產(chǎn)生的方波信號(hào)脈沖寬度 。
    根據(jù)靶場(chǎng)實(shí)際測(cè)試情況，彈丸穿過(guò)光幕時(shí)產(chǎn)生的方波信號(hào)脈沖寬范圍為150～10μs則認(rèn)為脈沖寬度為該范圍內(nèi)的信號(hào)為無(wú)效，則需剔除，此時(shí)可將蚊蟲干擾信號(hào)和沖擊波信號(hào)濾除，從而達(dá)到抗干擾的目的。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    在重慶某靶場(chǎng)，廠方對(duì)紅外密集度光電立靶進(jìn)行實(shí)彈射擊驗(yàn)收試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

    由表1可看出本系統(tǒng)在實(shí)彈測(cè)試中數(shù)據(jù)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)脫靶與數(shù)據(jù)不合理的情況，達(dá)到靶場(chǎng)測(cè)試要求。

7 結(jié)論
    通過(guò)理論分析和實(shí)彈測(cè)試，證明了該光電探測(cè)系統(tǒng)及信號(hào)處理電路已成功地獲取了彈丸過(guò)靶信號(hào)并能觸發(fā)測(cè)時(shí)儀，能夠得到穩(wěn)定的彈丸過(guò)靶信號(hào)，其抗干擾能力較強(qiáng)。適用于各類口徑的彈丸測(cè)試。