王紅宇 孟立凡 黃廣炎 劉春美 王博

摘 要： 使用光幕測(cè)速系統(tǒng)對(duì)彈丸速度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，背景干擾光線對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，為此通過試驗(yàn)分析背景光照強(qiáng)度、狹縫結(jié)構(gòu)、光電二極管封裝類型對(duì)測(cè)速效果的影響。提出使用雙層狹縫結(jié)構(gòu)以及黑色樹脂封裝光電二極管來進(jìn)一步減弱干擾光線的影響，同時(shí)進(jìn)行信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)，搭建完整的紅外光幕測(cè)速系統(tǒng)，并進(jìn)行了彈丸速度測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)速范圍是200～1 500 m/s，通過與高速攝影、絲網(wǎng)斷靶測(cè)速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，證明改進(jìn)型紅外光幕靶測(cè)速系統(tǒng)測(cè)速相對(duì)誤差小于1%。

關(guān)鍵詞： 光幕靶； 干擾光線； 狹縫結(jié)構(gòu)； 光電二極管封裝； 微弱光電信號(hào)處理； 彈丸速度測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN219?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）08?0174?06

Abstract： During the detection of projectile velocity by using the light screen velocity measurement system， background interference light has a great impact on measurement results. Therefore， a test was conducted to analyze the influence of background light intensity， slit structure and photodiode encapsulation type on velocity measurement effect. The double?layer slit structure and black resin are proposed for encapsulating the photodiode to further weaken the influence of interference light. A signal processing circuit was designed， a complete infrared light screen velocity measurement system was established， and a projectile velocity measurement test was conducted with the velocity measurement range of 200 m/s to 1 500 m/s. By means of comparison with the velocity measurement data of high?speed photography and copper mesh target breaking， it proves that the relative velocity measurement error of the improved infrared velocity measurement system with light?screen target is less than 1%.

Keywords： light?screen target； interference light； slit structure； photodiode encapsulation； weak photoelectric signal processing； projectile velocity measurement

0 引 言

在武器系統(tǒng)毀傷性能評(píng)價(jià)中，彈丸的飛行速度參數(shù)是一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前針對(duì)彈丸速度測(cè)試的研究，主要是非接觸式測(cè)試[1]，如：線圈靶[2]、天幕靶[3]、光幕靶[4]。其中線圈靶測(cè)試靶面較小、天幕靶受測(cè)試條件影響較大，而光幕靶具有測(cè)試靶面較大、測(cè)試精度高、對(duì)測(cè)試環(huán)境要求低、可重復(fù)測(cè)試的特點(diǎn)，因此光幕靶在測(cè)試靶場(chǎng)被廣泛應(yīng)用[5]。

在光幕測(cè)速系統(tǒng)中，對(duì)變化的微弱光信號(hào)的提取與處理是關(guān)鍵。而在對(duì)弱電信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，系統(tǒng)本身固有噪聲也會(huì)被放大，特別是試驗(yàn)場(chǎng)地中太陽光照帶來的背景噪聲，嚴(yán)重影響光幕測(cè)速系統(tǒng)的測(cè)試性能。

為了研究背景光照對(duì)測(cè)速系統(tǒng)的干擾，在北京理工大學(xué)測(cè)試靶場(chǎng)進(jìn)行光幕測(cè)速實(shí)驗(yàn)，利用火藥彈道槍進(jìn)行實(shí)彈射擊。實(shí)驗(yàn)中使用的彈丸為8 mm鋼珠。通過對(duì)比不同背景光照強(qiáng)度下測(cè)速試驗(yàn)結(jié)果的差異，優(yōu)化了光闌狹縫結(jié)構(gòu)，選擇光電二極管黑色樹脂封裝類型來減小背景光線的干擾，并設(shè)計(jì)了信號(hào)處理電路，搭建了測(cè)速系統(tǒng)，完成了彈丸測(cè)速精度的驗(yàn)證。

1 光幕靶測(cè)試原理

光幕靶應(yīng)用光電效應(yīng)，主要由發(fā)射光源、接收裝置、信號(hào)調(diào)理電路和計(jì)時(shí)器構(gòu)成，如圖1所示。當(dāng)彈丸穿過光幕靶時(shí)，會(huì)引起光通量變化，接收裝置把光通量的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，再經(jīng)過微弱光電信號(hào)處理，提取出彈丸的過靶時(shí)刻，利用彈丸通過兩個(gè)光幕靶的平均速度作為彈丸飛行速度[6]。

2 單層光闌狹縫對(duì)測(cè)速結(jié)果的影響

在野外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)中，光線環(huán)境比較復(fù)雜，復(fù)雜的背景光對(duì)光電探測(cè)器的探測(cè)效果有較大干擾[7]，為此通常設(shè)計(jì)單層光闌狹縫來減少干擾光線對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的影響。圖2為單層狹縫結(jié)構(gòu)視場(chǎng)俯視圖。

從圖2中可以看出使用單層光闌狹縫時(shí)，雖然部分干擾光線被遮擋，但是由于單層狹縫的視場(chǎng)過大[7]。仍然有較多干擾光線進(jìn)入狹縫，導(dǎo)致光電接收管上接收到較多干擾光線。甚至在同一天的不同時(shí)刻，隨著光照強(qiáng)度的不同，測(cè)試結(jié)果有較大差異。

2.1 強(qiáng)背景光照對(duì)測(cè)速結(jié)果的影響

在野外環(huán)境中進(jìn)行彈丸測(cè)速試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)太陽光照強(qiáng)度較大，背景光照過于復(fù)雜時(shí)，會(huì)出現(xiàn)過靶信號(hào)的信噪過低，甚至出現(xiàn)采集不到過靶信號(hào)的情況。圖3為強(qiáng)背景光照下測(cè)速波形，具體試驗(yàn)時(shí)間為夏令時(shí)13：30，此時(shí)是一天中太陽光照最強(qiáng)的時(shí)刻，從圖中可以看出信號(hào)干擾過大，過靶信號(hào)無法進(jìn)行識(shí)別提取。

2.2 弱背景光照對(duì)測(cè)速結(jié)果的影響

當(dāng)太陽光照較低時(shí)，背景光照復(fù)雜度降低，測(cè)試信號(hào)會(huì)有所改善。圖4為弱背景光下測(cè)速波形，具體時(shí)間為夏令時(shí)16：00，此時(shí)太陽光照較低，背景光照較低。從圖4中看出信號(hào)干擾有所減小，可以看見過靶信號(hào)波形，但是仍然不利信號(hào)的識(shí)別，不利于準(zhǔn)確獲取過靶時(shí)刻。

為了減小干擾光線，通常采用的措施為減小單層光闌狹縫寬度，但是減小狹縫寬度，使得光電接收管上有效光敏面積減小，降低了靈敏度[8]。

3 光闌狹縫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

進(jìn)一步減少復(fù)雜背景光線的干擾，對(duì)光闌狹縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提出了雙層光闌狹縫結(jié)構(gòu)。圖5為雙層狹縫結(jié)構(gòu)視場(chǎng)俯視圖。為了提高光電接收管接收光線的效率，使狹縫1、狹縫2寬度和光電接收管表面寬度一致[7] ，保證過靶信號(hào)有效視場(chǎng)不變，而干擾光線的入射視場(chǎng)減小，減少了干擾光線，提高了測(cè)試效果，降低了外來噪聲的干擾。圖6為雙層光闌狹縫下測(cè)速波形，試驗(yàn)時(shí)間為夏令時(shí)13：30，此時(shí)太陽光照強(qiáng)度大，但從圖中可以看出過靶信號(hào)信噪比有很大提高。

通過對(duì)比單層光闌狹縫與雙層光闌狹縫的測(cè)速信號(hào)波形可以看出，雙層光闌狹縫結(jié)構(gòu)對(duì)背景干擾光線的濾除效果較好。

4 光電探測(cè)器封裝對(duì)探測(cè)效果的影響

光電探測(cè)器作為感應(yīng)光通量變化的器件，其性能直接影響到測(cè)速效果，因此在選擇光電探測(cè)器時(shí)要選擇響應(yīng)速度高、光電流大、暗電流小的光電探測(cè)器。本試驗(yàn)使用2CU101型光電二極管作為光電探測(cè)器，2CU101光電二極管具有透明和黑色樹脂封裝兩種封裝類型。

透明封裝的光電二極管的光譜范圍大，黑色樹脂封裝的光電二極管光譜范圍主要在紅外波段，可以濾除紅外波段以外的光線，有利于對(duì)于干擾光線的去除。圖7為使用透明封裝光電探測(cè)器時(shí)信號(hào)波形，使用的的發(fā)射光源為[14] W功率紅外發(fā)射管，峰值波長(zhǎng)為940 nm。從圖7中可以看出信號(hào)干擾較大，增加了后續(xù)信號(hào)處理的難度。

圖8為黑色樹脂封裝探測(cè)器的波形。本試驗(yàn)使用[14]W功率紅外發(fā)射管，峰值波長(zhǎng)為940 nm，從圖中可以清楚看到，使用黑色樹脂封裝的光電二極管探測(cè)得到的過靶信號(hào)較好，便于信號(hào)的進(jìn)一步放大、濾波處理。

通過對(duì)比圖7與圖8中信號(hào)測(cè)試波形，可以明顯看出黑色樹脂封裝類型的二極管有利于提升測(cè)速結(jié)果。

5 微弱電信號(hào)處理電路

在光幕測(cè)速系統(tǒng)中，當(dāng)彈丸通過光幕靶面時(shí)，由于彈丸對(duì)光線的遮擋，使得光電二極管上接收到的通量發(fā)生變化，光電二極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于電信號(hào)的變化比較微弱，無法直接對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，為此需要對(duì)微弱電信號(hào)進(jìn)行處理。

5.1 光電轉(zhuǎn)換電路

當(dāng)彈丸穿過光幕靶時(shí)，光電二極管感應(yīng)變化的光通量而產(chǎn)生變化的光電流，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路把光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)[9]，再經(jīng)過后續(xù)放大電路的處理提取出有效過靶信號(hào)。圖9為光電轉(zhuǎn)換電路，C1，C2為濾波電容，R1為偏置電阻，R2為取樣電阻，C3提供交流耦合，IN端為放大電路提供輸入信號(hào)。

5.2 放大電路

經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲取的電信號(hào)比較微弱，需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的放大、濾波處理，從而提取出有效的過靶電信號(hào)。

本設(shè)計(jì)使用2片AD823運(yùn)算放大器順序級(jí)聯(lián)，組成3級(jí)放大電路以及一個(gè)電壓跟隨器電路，總放大倍數(shù)在1 000倍左右。AD823是雙通道運(yùn)算放大器，具有輸入失調(diào)電壓低、壓擺率大、帶寬范圍大等特點(diǎn)，滿足信號(hào)放大電路的使用要求。圖10為第一級(jí)放大電路圖，圖11為第二級(jí)放大電路圖，圖12為第三級(jí)放大電路圖。

其中圖12中第三級(jí)放大電路輸出端直接與一個(gè)電壓跟隨器相連，然后經(jīng)過一個(gè)無源低通濾波器后輸出信號(hào)。第一級(jí)為前置放大電路，具有低噪聲、低輸出阻抗、信號(hào)帶寬大的特點(diǎn)[9] ，對(duì)信號(hào)進(jìn)行低噪聲前置放大處理，為減少引入噪聲干擾采用5倍放大，第二級(jí)、第三級(jí)分別采用10倍、20倍放大；對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大的過程中，同時(shí)使用有源濾波和無源濾波，組成了帶通濾波器，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)進(jìn)行濾波處理[7]。圖13為經(jīng)過信號(hào)處理的過靶信號(hào)波形圖。圖中彈丸目標(biāo)過靶信號(hào)明顯，完全滿足速度測(cè)試要求。

6 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

通過對(duì)比單層光闌狹縫和雙層光闌狹縫的測(cè)速結(jié)果，確定了雙層光闌狹縫結(jié)構(gòu)。通過對(duì)比兩種光電二極管封裝類型的測(cè)試結(jié)果，選擇黑色樹脂封裝的光電二極管作為探測(cè)器，并使用設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路搭建了完整的紅外光幕靶測(cè)速系統(tǒng)。在北京理工大學(xué)測(cè)試靶場(chǎng)對(duì)其測(cè)速精度進(jìn)行測(cè)試，具體是利用火藥彈道槍進(jìn)行實(shí)彈射擊，實(shí)驗(yàn)布局如圖14所示。試驗(yàn)中分別使用高速攝影和絲網(wǎng)靶對(duì)紅外光幕靶測(cè)速精度進(jìn)行測(cè)試。

其中高速攝影相機(jī)是用來獲取飛行物體每一特定時(shí)刻空間圖像信息的光學(xué)儀器[10]，通過把彈丸飛行過程的空間信息和時(shí)間信息聯(lián)系起來，并根據(jù)拍攝得到的相鄰二幅或多幅彈丸的像距確定飛行距離，通過高速攝影[11]的拍攝速度確定飛行時(shí)間，從而計(jì)算出彈丸平均速度。絲網(wǎng)斷靶是利用彈丸飛行過程對(duì)通電細(xì)銅絲網(wǎng)進(jìn)行破壞，銅絲斷開瞬間獲取過靶電壓信號(hào)，并根據(jù)過靶時(shí)刻以及兩個(gè)絲網(wǎng)斷靶間的距離，計(jì)算出彈丸飛行的平均速度。因其測(cè)速穩(wěn)定性較高，廣泛應(yīng)用于軍工靶場(chǎng)測(cè)試中。這里使用絲網(wǎng)斷靶測(cè)速數(shù)據(jù)作為彈丸速度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比光幕測(cè)速靶、高速攝影測(cè)速、銅絲網(wǎng)斷靶的測(cè)速數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，圖15為測(cè)速數(shù)據(jù)線性擬合曲線。

通過對(duì)比表1中高速攝影測(cè)速數(shù)據(jù)與絲網(wǎng)斷靶測(cè)速數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出在試驗(yàn)中使用高速攝影測(cè)速時(shí)，相對(duì)絲網(wǎng)靶測(cè)速的相對(duì)誤差范圍為1%～3%，而且從圖15中擬合曲線可以看出隨著彈丸速度越高測(cè)量相對(duì)誤差越大，而本實(shí)驗(yàn)是在照明光線良好條件下進(jìn)行，基本可以排除照明條件對(duì)測(cè)速結(jié)果的影響。通過對(duì)比表1中光幕靶測(cè)速數(shù)據(jù)與絲網(wǎng)斷靶測(cè)速數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出在試驗(yàn)中使用光幕靶測(cè)速時(shí)，相對(duì)絲網(wǎng)靶測(cè)速的相對(duì)誤差在1%以內(nèi)，而且彈丸的速度越高，測(cè)速精度越高。

通過對(duì)比對(duì)比光幕測(cè)速靶、高速攝影測(cè)速、銅絲網(wǎng)斷靶的測(cè)速數(shù)據(jù)，可以看出設(shè)計(jì)的紅外光幕靶測(cè)試精度比高速攝影測(cè)速要高，相對(duì)絲網(wǎng)靶測(cè)速誤差在1%以內(nèi)，誤差較小。

7 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)分析了不同背景光照對(duì)測(cè)速結(jié)果的影響，通過優(yōu)化光闌狹縫的結(jié)構(gòu)，選擇黑色樹脂封裝的紅外光電位二極管作為探測(cè)器，減少了干擾光線對(duì)測(cè)速結(jié)果的影響。同時(shí)設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路，搭建了紅外光幕靶測(cè)速系統(tǒng)，并進(jìn)行了槍擊實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)比測(cè)速數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的紅外光幕測(cè)速靶測(cè)試精度符合測(cè)試要求。

注：本文通訊作者為黃廣炎。

參考文獻(xiàn)

[1] 秦會(huì)國(guó)，馬峰，仲霄，等.水中彈藥的電磁感應(yīng)測(cè)速方法研究[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，26（4）：281?287.

QIN Huiguo， MA Feng， ZHONG Xiao， et al. Velocity measurement method of underwater projectile based on electromagnetic induction [J]. Journal of test and measurement technology， 2012， 26（4）： 281?287.

[2] 韋嘯成，余紅英，楊臻.一種改進(jìn)型線圈靶測(cè)速系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（25）：286?290.

WEI Xiaocheng， YU Hongying， YANG Zhen. An improved coil target velocity measurement system [J]. Science technology and engineering， 2016， 16（25）： 286?290.

[3] 孫忠輝，田會(huì)，趙玉艷，等.天幕靶響應(yīng)時(shí)間一致性檢測(cè)電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（10）：790?794.

SUN Zhonghui， TIAN Hui， ZHAO Yuyan， et al. Design realization of circuits to detect the response time consistency of sky screen [J]. Journal of Xian Technological University， 2013， 33（10）： 790?794.

[4] 江念，王召巴，陳友興.激光光幕靶測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，27（4）：354?357.

JIANG Nian， WANG Zhaoba， CHEN Youxing. The design on laser screen velocity measuring system [J]. Journal of test and measurement technology， 2013， 27（4）： 354?357.

[5] 蔡榮立，倪晉平，田會(huì).光幕靶技術(shù)研究進(jìn)展[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（8）：603?610.

CAI Rongli， NI Jinping， TIAN Hui. Progress of light screen technology [J]. Journal of Xian Technological University， 2013， 33（8）： 603?610.

[6] 張少華，李錦明，蘇樹清.基于FPGA的雙光幕測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34（2）：92?94.

ZHANG Shaohua， LI Jinming， SU Shuqing. Design and realization of dual?light screen velocity measurement system based on FPGA [J]. Transducer and microsystem technologies， 2015， 34（2）： 92?94.

[7] 王建平.LED型大靶面積光幕測(cè)量系統(tǒng)的研制[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2015.

WANG Jianping. Development of LED type large light screen measuring system [D]. Xian： Xian Technological University， 2015.

[8] 李豪杰.光幕靶探測(cè)光幕光能及性能研究[J].電子科技，2013，26（3）：75?77.

LI Haojie. Study on energy and performance of the detection light?screen [J]. Electronic science and technology， 2013， 26（3）： 75?77.

[9] 熊賢鋒，張朗，楊宗偉，等.基于反射式光幕靶的信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（21）：100?102.

XIONG Xianfeng， ZHANG Lang， YANG Zongwei， et al. Design of signal processing circuit based on reflection?type light screen target [J]. Modern electronics technique， 2011， 34（21）： 100?102.

[10] 劉澤慶，張玉榮，趙建新，等.基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的靶場(chǎng)高速攝影測(cè)速方法[J].彈道學(xué)報(bào)，2015，27（4）：47?51.

LIU Zeqing， ZHANG Yurong， ZHAO Jianxin， et al. High?speed photography velocity measurement in range based on digital photogrammetry [J]. Journal of ballistics， 2015， 27（4）： 47?51.

[11] 劉華寧，鄭宇，李文彬，等.基于高速攝影技術(shù)的速度測(cè)量方法[J].兵工自動(dòng)化，2014，33（11）：71?74.

LIU Huaning， ZHENG Yu， LI Wenbin， et al. Velocity measurement method of projectiles based on high?speed photography technology [J]. Ordnance industry automation， 2014， 33（11）： 71?74.