袁 云， 田 會， 吳 斌

(西安工業(yè)大學 光電工程學院， 陜西 西安 710032)

高原環(huán)境下天幕靶探測電路設計

袁 云， 田 會， 吳 斌

(西安工業(yè)大學 光電工程學院， 陜西 西安 710032)

針對現(xiàn)有天幕靶在高原環(huán)境下天空背景主要為藍光引起的探測靈敏度急劇下降的問題， 提出了雙光幕探測方案， 設計了過幕信號增強電路和程控放大控制電路. 采用兩套獨立的光電轉(zhuǎn)換模塊在空間形成重合的探測光幕. 當彈丸穿過重合光幕時， 兩套模塊各自獨立輸出彈丸過靶信號， 經(jīng)信號增強電路進行處理后， 提高信噪比、 輸出有效的彈丸過幕信號. 設計的電路經(jīng)在雙鏡頭天幕靶上使用驗證， 電路工作可靠， 提高了天幕靶的探測靈敏度.

雙鏡頭天幕靶； 探測靈敏度； 光電探測； 信號增強電路； 程控放大

0 引 言

天幕靶是靶場測試槍炮彈丸初速度的常規(guī)儀器， 兩臺天幕靶與一臺測時儀組成的區(qū)截測速裝置在彈丸測速領域得到了廣泛應用[1-3]. 高原試驗靶場由于海拔高、 空氣密度稀薄， 背景光線中藍光透過率強， 背景光能量相對較弱[4]. 在高原進行區(qū)截測速試驗時， 彈丸穿過天幕靶幕面時引起的光能量變化較為微弱， 輸出過幕信號幅值較低， 無法有效提取. 針對上述問題， 本文采用兩套獨立的光電轉(zhuǎn)換模塊在空間形成重疊的探測光幕， 彈丸穿過重疊探測光幕時， 兩個模塊獨立輸出過幕信號， 經(jīng)信號增強電路進行合成， 輸出有效的彈丸過靶信號. 信號增強電路主要包括信號合成、 程控放大、 末級放大以及驅(qū)動輸出電路， 可通過外界環(huán)境實時調(diào)整電路的增益,這樣使得天幕靶的靈敏度[5-7]有所提高.

1 雙鏡頭天幕靶工作原理

天幕靶測速系統(tǒng)主要包括： 兩臺雙鏡頭天幕靶、 專用電源和測時儀， 各部分之間的連接關系如圖 1 所示. 沿彈道線間隔一定距離擺放兩臺天幕靶[8-10]， 當彈丸穿過起始光幕和截至光幕時， 探測器件接收到的光通量發(fā)生變化， 輸出微弱變化的光電流信號， 經(jīng)過信號處理電路輸出彈丸過幕脈沖信號， 通過測時儀測量兩臺天幕靶輸出脈沖信號的時間間隔， 結合兩靶間的靶距， 即可計算出彈丸飛行速度.

雙鏡頭天幕靶主要由光電轉(zhuǎn)換模塊、 信號增強電路以及箱體等3部分組成， 如圖 2 所示. 信號增強電路包括加法電路、 程控電路、 末級放大電路、 跟隨電路、 驅(qū)動電路以及程控放大控制電路. 兩套光電轉(zhuǎn)換模塊分別配置兩套獨立的光電轉(zhuǎn)換前級放大電路. 光電轉(zhuǎn)換模塊1和光電轉(zhuǎn)換模塊2形成兩個在空間重疊的光幕. 當子彈穿過重疊光幕時， 兩套光電轉(zhuǎn)換模塊均輸出彈丸過幕信號， 經(jīng)過信號增強后輸出最終過幕信號， 該信號表征彈丸到達光幕探測面的時刻.

圖 1 區(qū)截測速天幕靶組成框圖Fig.1 The diagram of velocity measurement of sky screen

圖 2 雙鏡頭天幕靶結構圖Fig.2 The diagram of dual-shot sky screen

2 信號增強電路的總體實現(xiàn)

雙鏡頭天幕靶中光電轉(zhuǎn)換模塊采用原有的天幕靶光電探測電路和前級放大電路， 信號增強電路是將兩個光電探測模塊輸出的信號進行綜合放大， 并有效提高信號比， 圖 3 為信號增強電路總體框圖.

圖 3 信號增強電路框圖Fig.3 The diagram of signal enhancement circuit

兩個光電轉(zhuǎn)換模塊同時輸出的前級過靶信號， 經(jīng)加法電路信號對輸入信號的模擬相加之后輸出為信號OUT1， 再輸入到該程控放大器的輸入端； 經(jīng)過程控放大電路輸出的信號OUT2輸入到末級放大電路， 通過末級放大的信號OUT3經(jīng)過驅(qū)動電路輸出到得最終信號. 單片機需要分析信號噪聲的幅值來確定程控放大電路的倍數(shù)， 由于程控放大和末級放大都會放大信號的噪聲， 因此使用單片機AD轉(zhuǎn)換口采集合成電路輸出信號OUT的噪聲； 為了不影響原有信號， 要將該信號與AD轉(zhuǎn)換隔離開來， 在將電路噪聲輸入給單片機之前要加一倍放大跟隨電路.

圖 4 所示程控放大器PGA203， 具有高通頻帶， 提供了與TTL或CMOS相兼容的輸入端口， 通過控制芯片管腳1和管腳2的邏輯電平， 可以實現(xiàn)放大電路1， 2， 4， 8倍放大， 其參考電壓VREF置為0 V， 即可放大以0 V為參考點的雙向信號.

圖 4 程控放大控制電路Fig.4 The diagram of programmable gain circuit

程控放大控制電路主要完成程控放大的控制， 可通過測試彈丸直徑、 彈道高度和天空亮度在試驗現(xiàn)場方便地調(diào)整信號處理電路增益， 避免出現(xiàn)過幕信號幅值飽和引入測試誤差或過幕信號淹沒在噪聲中無法識別. 采用串行通訊方式由上位機給單片機發(fā)送控制命令， 單片機依據(jù)接收到的指令設定程控放大器的放大倍數(shù)， 實現(xiàn)1, 2, 4, 8倍的放大選擇. 此外， 也可依據(jù)天幕靶輸出的模擬信號噪聲幅值調(diào)整增益倍數(shù).

3 實驗驗證

為了驗證雙鏡頭天幕靶對彈丸過幕信號的增強效果， 進行實彈射擊驗證. 由于暫不具備高原試驗條件， 為了模擬試驗環(huán)境， 在西安藍天情況下進行氣槍彈測試試驗. 將雙鏡頭天幕靶放置在水平的地面上，調(diào)節(jié)鏡頭光圈為最大、 用卷尺測量物距為0.85 m、 射擊高度為0.8 m、 用照度計測量天空照度， 通過上位機控制不同的程控放大倍數(shù)， 以不同的高度進行氣槍實彈射擊實驗并記錄實驗數(shù)據(jù)如表 1 所示. 圖 5 為采用8倍程控放大時輸出的信號波形， 其中CH1為光電轉(zhuǎn)換模塊1輸出的信號， CH2為光電轉(zhuǎn)換模塊2輸出的信號， CH3為信號增強電路輸出信號波形. 分析試驗信號幅值， 采用雙鏡頭天幕靶能夠有效增加彈丸過幕信號的幅值， 提高信噪比.

表 1 雙鏡頭天幕靶輸出信號幅值

圖 5 實驗波形圖Fig.5 Waveform picture of experiments

4 結 論

針對高原環(huán)境天幕靶輸出信號幅值低無法有效測速的問題， 提出雙鏡頭天幕靶實現(xiàn)方案， 設計了信號增強電路并進行試驗驗證. 主要結論有： ① 雙鏡頭天幕靶的兩套光電探測模塊在空間形成的光幕共面重合， 飛行彈丸從幕面內(nèi)穿過時， 兩個探測模塊各自獨立輸出彈丸過幕信號； ② 信號增強電路將兩路信號進行相加運算， 有效提高信噪比. 依據(jù)試驗現(xiàn)場環(huán)境調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)， 最終輸出彈丸過幕信號； ③ 設計的雙鏡頭天幕靶在藍天環(huán)境下進行氣槍彈射擊驗證， 能夠有效提出過幕信號的幅值.

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Design of Detection Circuit for Sky Screen in Plateau

YUAN Yun, TIAN Hui, WU Bin

(School of Optoelectronic Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032, China)

In order to solve the problem that the sensitivity of sky screen is sharply decent in plateau air background mainly consist of blue light, and dual-shot sky screen solution is proposed. Design of signal enhancement circuit and program control amplifier circuit. Two sets of independent conversion modules of photoelectric detector are used to form two coincident probe screens in space. When the projectile passes through the coincident screens, two modules would output the signals independently, and the signals would carry out the synthesis by signal processing circuit in the behind, and increase signal to noise ratio, which would output the projectile flight signal effectively at last. The design of circuit has been used in dual-shot sky screen, improved the sensitivity of sky screen with reliable performance.

dual-shot sky screen; sensitivity; photoelectric detection; signal enhancement circuit; programmable gain circuit

1671-7449(2017)01-0047-04

2016-09-17

袁 云(1991-)， 女， 碩士生， 主要從事兵器靶場光電測試的研究.

田 會(1980-)， 男， 副教授， 博士生， 主要從事兵器外彈道參數(shù)光電測試與信號處理的研究.

TJ012.3+6； TP202+.2

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.01.008