編碼式光幕立靶測試系統(tǒng)的研究

1 引言
    在輕武器的生產(chǎn)和研制的彈丸質(zhì)量評定中，要求測試彈丸速度以及測量彈丸在靶面上的散布情況，即射擊密集度。射擊密集度是低伸武器射擊性能的一項重要指標，它與武器效能有關(guān)。傳統(tǒng)測量射擊密度是在預(yù)定的彈道上豎立硬紙靶．射擊一定次數(shù)后，人工測量紙靶上留下的彈孔。該方法操作簡單，但測量結(jié)果不夠客觀，測量精度不高。目前射擊實驗大多采用無形靶，包括聲靶，光電靶以及基于無線電測量等。激光光幕靶是光電靶中的一種，它主要由激光系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)組成。激光系統(tǒng)由激光二極管和激光束構(gòu)成網(wǎng)格，網(wǎng)格的間距根據(jù)武器彈丸大小進行調(diào)整。當彈丸將激光束切斷時，相應(yīng)的二極管產(chǎn)生一個脈沖，經(jīng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C。以光電轉(zhuǎn)換為原理的光纖編碼立靶測試系統(tǒng)具有測量精度高、有效靶面大等優(yōu)點，但是其光纖編排工藝復(fù)雜，測量結(jié)果不是彈道預(yù)定點的著靶位置，室內(nèi)同樣需配置人工光源，且組成較大靶面時成本大、系統(tǒng)復(fù)雜。因此，為了構(gòu)建低成本、大面積、高精度的立靶精度測量系統(tǒng)，對信號接收電路編碼，并與平行光幕設(shè)計相結(jié)合實現(xiàn)彈丸坐標的測量。

2 光電靶原理及結(jié)構(gòu)
    光電靶是利用光源與透鏡組合發(fā)射平行光束，光電二極管接收，形成垂直交叉的光路網(wǎng)隔，網(wǎng)隔距離(二極管間隔)是由子彈直徑確定。其數(shù)目則根據(jù)子彈直徑和靶面的大小確定。彈著點坐標測量系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

    傳統(tǒng)的目標靶紙置于光電靶前，兩靶同軸。當子彈擊中靶面時，子彈遮擋住X軸、Y軸各一束光路，改變對應(yīng)的光電二極管的開關(guān)狀態(tài)，此時，所有的光電二極管的開關(guān)狀態(tài)都已被編碼，編碼后的數(shù)字信號由計算機處理后即得到子彈擊中靶面的位置。這其中，光電二極管能否檢測子彈快速遮擋光路這一動作，主要由光電二極管的響應(yīng)時間決定。通常子彈擊中靶的速度小于l 000 m／s，被遮擋光路的有效長度大于5 mm，由此得出子彈遮擋光路的時間大于5 ms，而普通光電二極管的響應(yīng)時間小于0．1 ms，因此可滿足測量要求。

3 平行光幕系統(tǒng)的設(shè)計
    平行均勻矩形光幕系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器、光闌、鮑維爾透鏡、焦距為650 mm的菲涅爾透鏡和光敏二極管陣列組成。平行光幕系統(tǒng)選用點狀半導(dǎo)體激光二極管作光源，具有體積小、效率高、成本低、無需高壓電源、壽命長等優(yōu)點。使用光闌選取激光器點光斑中間光強比較均勻的部分。***透鏡是一種光學(xué)劃線透鏡，使激光束通過非球面透鏡最優(yōu)化地劃成光密度均勻、穩(wěn)定性好、直線性好的一條直線，達到線形激光整形的目的。利用菲涅爾透鏡的平行聚焦特性，讓點光源從菲涅爾透鏡的焦點發(fā)射，經(jīng)過它之后形成平行光。圖2為平行光幕系統(tǒng)圖。

4 光電靶信號編碼系統(tǒng)設(shè)計
    參照光纖編碼的方法，假設(shè)光電二極管為一矩形薄片，外形尺寸為1．5 mmxl．5 mm，厚度對接收無影響。其敏感面積與外形尺寸一致?？紤]到安裝因素，將光電二極管均勻地按2 mmx2 mm區(qū)域排列成直線，敏感面朝向光源方向，直線長度決定探測區(qū)域長度。假設(shè)選定長度為400 mm．則光電二極管數(shù)為200個。選取同樣排列的二極管陣列條，分別編號為大區(qū)、中區(qū)和小區(qū)，每一條上的二極管實行分組編碼。4等份大區(qū)，從左到右每份編號為A1，A2，A3，A4，每等份共有50個二極管。對應(yīng)同一大區(qū)的中區(qū)也分為5等份，對應(yīng)編號為B11，B12…B15，其中第一位數(shù)字為大區(qū)號，最后一位數(shù)字是中區(qū)號，依次類推。10等份對應(yīng)同一中區(qū)的小區(qū)，對應(yīng)編號為C111，C112，……，C1110。其中，前兩位數(shù)字為中區(qū)號，最后一位或兩位是小區(qū)號，依次類推。每一個編號對應(yīng)一個二極管。大區(qū)的A1~A4作為4組，每組的光電二極管并在一起，其輸出接入一個放大電路，放大電路的編號與每組的編號相同．即A1，A2，A3，A4。將中區(qū)B11，B2l，B31，B41所在區(qū)域的光電二極管編為一組B12，B22，B32，B42，依次類推，B15，B25，B35，B45光電二極管作為一組，中區(qū)共有5組，其放大電路也有5組，編號分別為B1，B2…B5，依次類推。小區(qū)中將分別屬于不同中區(qū)的后一位或后兩位編號相同的二極管作為一組，分組編號為C1，C2…C10，每組有20個光電二極管，其對應(yīng)的放大電路編號與分組編號相同。圖3為編碼原理示意圖。圖4為編碼電路示意圖。

    當彈丸垂直光幕穿過時，每個區(qū)至少有一路放大電路產(chǎn)生信號。假設(shè)有信號為1，無信號為0，則采集電路將4+5+10個放大電路的信號按數(shù)字信號方式采集，得到一個19字節(jié)的數(shù)字信號。兩個正交光幕靶共有2x19個數(shù)字信號，依此可判斷彈丸穿過光幕時的坐標。針對一個給定的探測區(qū)域的長度，要根據(jù)不同情況計算最佳的陣列數(shù)，以及各個陣列組數(shù)。與光纖編碼相比，電路編碼省去復(fù)雜的光纖編排工藝，電路設(shè)計簡單、靈活，可靠性高。因此，該電路編碼是一種新型的編碼方法。為保證采集數(shù)據(jù)的可靠性，使各路放大電路信號的位必須與計算機數(shù)據(jù)線的位相對應(yīng)并確保數(shù)據(jù)信息的準確性不受各脈沖先后順序的影響，采用信號保持技術(shù)．保證有足夠采樣時間而且在此時間內(nèi)各路信息狀態(tài)穩(wěn)定。假設(shè)選定長度為400 mm，將光電二極管均勻地按2mmx2 mm區(qū)域排列成一條直線。4個大區(qū)將視場均分為100 mm，5個中區(qū)將視場均分為20 mm，10個小區(qū)則均分為2 mm。視場的坐標原點為兩靶的交點，當彈丸穿過接收裝置的2號大區(qū)、1號中區(qū)、3號小區(qū)時，則彈丸的坐標位置為(2—1)×100mm+(1—1)×20 mm+(3—1)x2 mm=104 mm。依此類推，可以得彈丸坐標。

5 結(jié)語
    經(jīng)過論證，該系統(tǒng)的理論分析正確，技術(shù)方案可行。采用電路編碼替代光纖編碼，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，克服了光纖編碼立靶測試系統(tǒng)的不足，具有明顯的優(yōu)越性，成本較低，易于推廣使用，但存在電路復(fù)雜，不易調(diào)試的缺點，還需要進一步改進。