羅錦陽，黃 潔，部紹清，柳 森，羅 慶

（中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

0 引 言

開展航天器抗空間碎片防護(hù)性能試驗(yàn)研究是提高航天器防護(hù)能力的有效途徑，就目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀而言，超高速碰撞靶是開展航天器抗空間碎片防護(hù)性能試驗(yàn)最重要的地面設(shè)備。在超高速碰撞靶上開展航天器抗空間碎片防護(hù)性能試驗(yàn)，需要準(zhǔn)確測量粒子的飛行速度，且探測必須是非接觸式，同時(shí)需要根據(jù)探測信號實(shí)時(shí)為照相系統(tǒng)等提供準(zhǔn)確的觸發(fā)信號。中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心已經(jīng)對粒子探測技術(shù)進(jìn)行了比較深入的研究，實(shí)現(xiàn)了毫米級超高速粒子的成功探測，但隨著研究工作和試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，需開展亞毫米粒子的探測技術(shù)研究，這也是超高速碰撞試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

由于超高速粒子尺寸小、速度高、光磁干擾強(qiáng)，一般都采用非接觸方式進(jìn)行粒子探測，目前國內(nèi)外采用的主要方法包括：磁感應(yīng)法、片光遮擋法和X射線法等。磁感應(yīng)法要求粒子必須為金屬材料或增加飛行的磁環(huán)，對材料和發(fā)射要求較高，但該方法技術(shù)簡單，在部分試驗(yàn)條件下可較好運(yùn)用。X射線方法利用兩次X射線管照像底片判讀獲得粒子飛行距離，結(jié)合計(jì)時(shí)儀記錄的兩次閃光時(shí)間，就可以實(shí)現(xiàn)粒子探測和速度測量；該方法系統(tǒng)復(fù)雜，成本高昂，運(yùn)用較少。片光遮擋法粒子探測原理是當(dāng)粒子穿越片光時(shí)遮擋部分光束，導(dǎo)致穿越靶室的光通量減小，從而實(shí)現(xiàn)粒子的探測，該方法對粒子無干擾，是最好的高速粒子探測方法，但該方法技術(shù)難度較大，同時(shí)要處理發(fā)射器的光干擾等，故在國內(nèi)沒有大量使用。我部對該技術(shù)進(jìn)行了長期的研究，實(shí)現(xiàn)了不同環(huán)境下高速粒子的可靠探測，為適應(yīng)1mm以下粒子超高速碰撞試驗(yàn)的需要，開展了片光反射遮擋式粒子探測技術(shù)研究，以滿足試驗(yàn)和研究的需要。

對片光反射遮擋式探測光路和一階階躍信號耦合方法進(jìn)行分析，并對驗(yàn)證裝置的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了介紹。研究結(jié)果表明該技術(shù)可用于0.1mm量級高速粒子的探測。

1 單片光遮擋式超高速粒子探測原理［1］

單激光片光粒子探測采用點(diǎn)激光光源作為探測光源，圖1為單片光遮擋式粒子探測示意圖，探測光源采用半導(dǎo)體激光光源，該光源工作電源為低壓直流電源，光源噪聲小，可以實(shí)現(xiàn)小粒子的可靠探測。雖然半導(dǎo)體激光器的激光束在同一波陣面內(nèi)的電場呈高斯分布，在波陣面內(nèi)能量分布不均勻，但其能量主要集中于半徑為束腰值的范圍內(nèi)，通過光闌對光束進(jìn)行約束后，可簡化認(rèn)為在矩形探測視場范圍內(nèi)光強(qiáng)呈均勻分布。

圖1 片光遮擋式粒子探測示意圖Fig.1 Sketch of particle detecting by cutting off the flake laser

單片光遮擋式探測粒子的原理在于利用粒子穿過片光時(shí)，對片光產(chǎn)生遮擋效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)超高速飛行的小粒子穿過片光時(shí)，在探測電路所產(chǎn)生的電壓為：

式中：β＝ηq／hυ為響應(yīng)系數(shù)，η為量子效率，q為電子電荷，h為玻爾茲曼常數(shù)，υ為光波頻率，φ為片光光強(qiáng)，d為粒子尺寸，D為片光寬度，R為轉(zhuǎn)換電路電阻阻值。

由公式（1）可見，產(chǎn)生的電壓信號與d成正比關(guān)系。當(dāng)探測粒子尺寸逐漸減小，粒子對片光的遮擋程度將逐漸減弱，U值也將逐漸減小，當(dāng)U值減小到與噪聲信號接近時(shí)，將無法識別粒子對片光的遮擋效應(yīng)。

2 片光反射遮擋式超高速粒子探測技術(shù)

2.1 片光反射遮擋式探測亞毫米粒子的設(shè)計(jì)原理［2］

為了實(shí)現(xiàn)空間碎片防護(hù)試驗(yàn)所需的對更小尺寸粒子的探測，需要提高這種小粒子對片光遮擋效應(yīng)的抗噪聲干擾能力。

根據(jù)式（1），小粒子對片光遮擋效應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號與β、φ、d／D、R等參數(shù)成正比關(guān)系。但是對于探測電路而言，增大β、φ、R等三個(gè)參數(shù)時(shí)，一般對應(yīng)的噪聲信號也隨之增加，難以達(dá)到改善這種遮擋效應(yīng)的抗噪聲干擾的目的，所以在此考慮通過增大d／D，來提高小粒子對片光遮擋效應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號。

根據(jù)目前我部超高速碰撞靶探測1mm尺寸粒子時(shí)采用的d／D為1／50，則若要探測0.5mm尺寸的粒子，則需要的d／D為1／25，即可采用25mm寬度的片光，若要探測0.1mm尺寸的粒子，則需要的d／D為1／5，即可采用5mm寬度的片光。但是，減小片光寬度會減小探測視場，為了解決探測視場減小問題，提出了反射式片光探測視場技術(shù)。

2.2 片光反射遮擋式探測視場設(shè)計(jì)原理

片光反射遮擋式粒子探測視場示意圖見圖2。兩塊間距為L1的反射鏡相互平行，垂直于粒子飛行軸線安裝，寬度為D的光束與水平方向成θ夾角從一塊反射鏡入射到另一塊反射鏡。由圖2可得，片光反射兩次后在垂直方向上形成的探測視場D′為：

圖2 反射式激光片光探測原理Fig.2 The principle of particle detecting through multi－reflect sheet laser

從圖2中還可以看出θ、與D、L1、L2的約束關(guān)系：

根據(jù)式（2）、（3），當(dāng)激光片光在平行反射鏡間反射2 N次后，形成的探測視場寬度為：

根據(jù)式（3），可以在反射鏡距離、片光寬度已知的情況下，通過調(diào)節(jié)角度θ來確定L2。再根據(jù)式（4），在反射鏡距離、片光寬度、L2已知的條件下，可通過調(diào)節(jié)反射次數(shù)2 N來實(shí)現(xiàn)對探測視場的設(shè)計(jì)。

2.3 高速小粒子接收電路［3］

對粒子遮擋產(chǎn)生的電壓變化采用直接耦合時(shí)，由于粒子尺寸太小，其電壓變化量小于光源和電路產(chǎn)生的噪聲，不能實(shí)現(xiàn)對小粒子的探測。為實(shí)現(xiàn)對小粒子的探測，采用了RC一階階躍響應(yīng)電路來提高信號耦合幅值。采用RC耦合的一階沖擊響應(yīng)可用初值不為零的階躍信號來表示，響應(yīng)曲線如圖3所示。

式中，t為脈沖信號的寬度。

圖3 RC耦合響應(yīng)Fig.3 Coupling response of RC

在片光厚度一定時(shí)，小粒子穿越片光的時(shí)間越短，產(chǎn)生的脈沖信號寬度越小，該RC一階階躍響應(yīng)方式對越小尺寸粒子的耦合比例越大，故該方法可提高系統(tǒng)對小粒子信號的探測能力。

3 試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)條件

驗(yàn)證試驗(yàn)在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心FD－18A超高速碰撞靶上進(jìn)行，試驗(yàn)粒子尺寸：φ0.5mm、φ3.0mm；發(fā)射速度：約5km／s；靶室壓力：700Pa。

3.2 試驗(yàn)裝置

對該探測模式進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)裝置。探測器垂直方向探測視場設(shè)計(jì)為50mm，平行反射鏡間距100mm，光源為半導(dǎo)體點(diǎn)光源，通過光學(xué)變換為寬度5mm的片光，光源整體固定在一面反射鏡的上端，該反射鏡也固定，另一面反射鏡的俯仰角可以調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)兩反射鏡的平行，片光經(jīng)過8次反射后通過匯聚透鏡把片光匯聚到探測器的光電二極管吸收面上，通過光電轉(zhuǎn)換、信號耦合和放大實(shí)現(xiàn)小粒子的探測。

在探測電路和響應(yīng)模式不改變的情況下，可認(rèn)為電路噪聲大小不變，同時(shí)電路對不同粒子的響應(yīng)為線性響應(yīng)時(shí)，在超高速碰撞試驗(yàn)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了片光寬度為50mm，1mm粒子的成功探測，故可達(dá)到d／D＝1／50，當(dāng)片光寬度為5mm時(shí)，在d／D＝1／50不變的情況下，理論上該裝置可探測的最小粒子尺寸為0.1mm。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)獲得的粒子信號見圖4和5。圖4為粒子尺寸φ3.0mm、速度為5.12km／s試驗(yàn)中試驗(yàn)裝置的探測信號，信號峰值為－4.2V，圖5為粒子尺寸φ0.5mm，速度為4.80km／s試驗(yàn)中試驗(yàn)裝置的信號峰值為－0.85V。

圖4 φ3.0mm粒子信號（V＝5.12km／s）Fig.4 Signal of particle ofφ3.0mm（V＝5.12km／s）

圖5 φ0.5mm粒子信號（V＝4.80km／s）Fig.5 Signal of particle ofφ0.5mm（V＝4.80km／s）

（a）電路響應(yīng)線性度

通過電壓與粒子直徑的比值，來確定探測電路的響應(yīng)度。

由圖4可得探測電路對φ3.0mm粒子的響應(yīng)度為：

由圖5可得探測電路對φ0.5mm粒子的響應(yīng)度為：

雖然不同片光位置的光強(qiáng)度不一致，但經(jīng)過整形處理后其差別較小，可認(rèn)為探測器對不同尺寸粒子的響應(yīng)基本為線性的，對尺寸越小速度越高的粒子，由于其頻率越高，故響應(yīng)度略有增加。

（b）探測能力分析

由圖5可得光源和電路的噪聲為0.12V，根據(jù)信噪比分析結(jié)果可知探測器可探測最小粒子尺寸為（響應(yīng)度按0.5mm尺寸粒子的響應(yīng)度計(jì)算）：

4 結(jié) 論

通過技術(shù)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，片光反射遮擋式小粒子探測技術(shù)可以提高激光光束探測粒子的信噪比和探測下限。其最小粒子探測直徑可達(dá)0.1mm，滿足超高速碰撞試驗(yàn)亞毫米粒子空間碎片防護(hù)試驗(yàn)中粒子可靠探測和測速控制的需求，進(jìn)一步拓展了超高速碰撞靶開展空間碎片防護(hù)試驗(yàn)的范圍。

致謝：在項(xiàng)目實(shí)施過程中得到了得到了文雪忠、謝愛民、宋強(qiáng)、任磊生、陳萍、何貴慎、劉曉龍、廖富強(qiáng)等同志的大力支持和幫助，在此表示衷心的感謝。

［1］ 羅錦陽，柳森.超高速碰撞靶微小彈丸／粒子激光片光測速技術(shù)［C］.中國兵工學(xué)會彈道專業(yè)委員會學(xué)術(shù)交流會，2004.

［2］ 趙凱華，鐘錫華.光學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，1982.

［3］ 范志剛.光電測試技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.