陳毛寧，吳玲玲

（西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安710021）

武器評估時(shí)彈丸速度是一個(gè)重要的參數(shù)，目前測試彈丸速度的方法主要分為接觸法和非接觸法[1]，其中新型測速系統(tǒng)非接觸式光幕靶由于其高穩(wěn)定性和精確性的優(yōu)點(diǎn)，在光電測試領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。

光幕靶是一種以光電轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的非接觸式彈丸飛行速度測量系統(tǒng)，由發(fā)射裝置、接收裝置、靶架組成。在發(fā)射裝置和接收裝置中間形成均勻光幕，目標(biāo)穿過光幕時(shí)會使接收裝置中光電探測器輸出過靶信號，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波、整形輸出一個(gè)方波觸發(fā)信號，再進(jìn)一步處理計(jì)算出目標(biāo)的飛行速度[2]。在實(shí)際彈丸飛行速度測試中，由于外界干擾信號的存在，會影響測試系統(tǒng)的精度[3]。為剔除測速過程中干擾信號對測試結(jié)果的影響，結(jié)合光幕靶測速原理，設(shè)計(jì)抗干擾信號處理電路，使電路滿足有效抑制干擾信號的需求。

1 干擾信號分析與解決方案

1.1 干擾來源分析

光幕靶工作時(shí)任何外界干擾信號作用在光幕上，會使光電探測器接收到的光通量發(fā)生變化，直接影響信號輸出結(jié)果[4]。外界干擾信號如蚊蟲、雜散光、炮口火光等，都會使光電探測器輸出干擾信號，影響測速結(jié)果準(zhǔn)確性，在實(shí)際使用光幕靶測速時(shí)，須剔除這些干擾信號，以提高光幕靶測速的準(zhǔn)確性。

1.2 抗干擾設(shè)計(jì)方案

針對彈丸出射時(shí)產(chǎn)生的火光干擾信號，提出一種雙通道光電轉(zhuǎn)換解決方案，彈丸穿過光幕時(shí)引起光通量的變化僅作用在彈道位置上的探測器，火光引起光通量的變化作用在接收裝置的全部探測器件上。彈道位置的探測器為主探測器，非彈道位置探測器為補(bǔ)償探測器，兩個(gè)通道信號經(jīng)過放大后做減法運(yùn)算，可有效削減火光對彈丸信號的干擾。

外界激波、雜散光以及隨機(jī)的干擾信號由于速度存在差異，這些干擾信號脈沖寬度要小于彈丸信號脈沖寬度；蚊蟲飛過光幕靶所產(chǎn)生的干擾信號脈沖寬度大于彈丸信號脈沖寬度[5]。實(shí)測中通過對彈丸過靶信號進(jìn)行傅里葉分析，可以得出彈丸信號的頻帶寬度。利用這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)對應(yīng)的帶通濾波電路來濾除干擾信號，抗干擾電路設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 雙通道光電轉(zhuǎn)換抗干擾電路設(shè)計(jì)方案Fig.1 Dual-channel optoelectronic conversion anti-interference circuit design scheme

2 信號處理電路設(shè)計(jì)

光幕靶信號處理電路分為四大部分，如圖2 所示。

圖2 抗干擾信號處理電路原理Fig.2 Anti-jamming signal processing circuit principle

光電轉(zhuǎn)換電路將微弱變化的光信號轉(zhuǎn)換為電信號；放大電路將信號有效放大，再進(jìn)行相應(yīng)的減法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)抗干擾性；濾波電路從頻域上將干擾信號濾除，此時(shí)輸出信號為不規(guī)則的波形，整形電路將信號整形成一個(gè)方波觸發(fā)信號輸出。

2.1 光電轉(zhuǎn)換電路

光電轉(zhuǎn)換電路要求輸出速度快，不僅跟光電探測器的靈敏度有直接關(guān)系，跟偏置電路的形式也存在很大關(guān)系，每一種偏置電路使探測器工作在伏安特性的不同區(qū)域，從而使探測器轉(zhuǎn)換電路的輸出具有不同特性。

電路選用PIN 光電二極管（C30807E），是一種快速光電二極管，具有小的時(shí)間常量，結(jié)電容小，響應(yīng)速度快，有較大的線性響應(yīng)動態(tài)范圍，其主要性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 C30807E 相關(guān)性能參數(shù)Tab.1 C30807E related performance parameters

電路采用光電二極管反向偏置工作方式，傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換電路如圖3 所示。

圖3 光電轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Photoelectric conversion circuit

光電二極管反向偏置時(shí)，PN 結(jié)勢壘區(qū)加寬，內(nèi)建電場增強(qiáng)，結(jié)電容降低，可得到較高的靈敏度[6]，C為隔直電容，輸出電壓為

式中：Ip為光電二極管輸出的光電流。

光電二極管輸出電流信號一般在微安級，實(shí)測中要求光電轉(zhuǎn)換電路的輸出信號一般為毫伏級，因此偏置電阻至少選用千歐級。

圖4 為光電二極管在反偏工作下的等效電路，外加反向偏壓時(shí)暗電流可忽略。光電流隨光照的增大而增大，光電流變化量可表示為

圖4 光電轉(zhuǎn)化等效電路Fig.4 Equivalent circuit of photoelectric conversion

式中：S 為光電靈敏度；φ 為光通量。因此，光電轉(zhuǎn)換電路輸出電壓變化量為

在實(shí)際測試中，根據(jù)有效靶面指標(biāo)要求，需要多個(gè)光電探測器組合工作，對于火光干擾信號的存在，設(shè)計(jì)雙通道光電轉(zhuǎn)換的方案進(jìn)行削減，電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 雙通道光電轉(zhuǎn)換電路Fig.5 Dual-channel photoelectric conversion circuit

光電轉(zhuǎn)換電路不僅要求快速，而且對穩(wěn)定性要求也十分嚴(yán)格，通過改變光電二極管的光通量對光電轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行穩(wěn)定性測試，表2 中每個(gè)數(shù)據(jù)是經(jīng)10 次測試得到的均值。

表2 穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.2 Stability test data results

對輸出電壓變化量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，求得其平均值為1.512 mV，標(biāo)準(zhǔn)差為0.011662 mV，數(shù)據(jù)表明光電轉(zhuǎn)換電路表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

2.2 前置放大減法器電路

光電轉(zhuǎn)換電路輸出的信號較小，需進(jìn)一步放大，同時(shí)為削減火光對信號的影響，結(jié)合雙通道光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)對應(yīng)的雙通道放大電路，再進(jìn)行減法運(yùn)算輸出一個(gè)有效的目標(biāo)信號。單級放大電路的誤差比較大，導(dǎo)致實(shí)際調(diào)試起來比較麻煩，為了防止信號失真，獲得好的信噪比，采用多級放大，每級電路都是單獨(dú)控制反饋量和補(bǔ)償?shù)龋娐吩O(shè)計(jì)、調(diào)試的難度也會大幅度的降低，電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 前置放大減法器Fig.6 Preamplifier subtractor

前置放大減法器通道1 由放大器U1（OP37）和U2組成兩級放大電路，兩級放大倍數(shù)G 為

通道2 與通道1 的放大同理。兩路信號經(jīng)過放大后分別通過R7和R15加載到運(yùn)放的同相端和反向端，輸出電壓經(jīng)R16反饋到反相輸入端。根據(jù)運(yùn)放虛短、虛斷的概念，對運(yùn)放U5構(gòu)成的電路進(jìn)行分析可以得到：

根據(jù)U+=U-，當(dāng)R7、R8、R15、R16相等時(shí)，輸出信號為兩路信號的差值，即可實(shí)現(xiàn)兩路信號的減法運(yùn)算。

實(shí)測中要求輸出信號的幅值在0～10 V 之間，在放大電路處理前的信號一般為毫伏級，因此放大電路需進(jìn)行千倍以上的放大，利用Multisim 進(jìn)行仿真，輸入振幅為1 mV、頻率為10 kHz 的正弦信號，占空比設(shè)置為50%，偏置電壓設(shè)置為0 V。

通過仿真波形可看出對信號實(shí)現(xiàn)了一千倍放大，如圖7（a）所示。對通道1 與通道2 放大后的兩路信號再進(jìn)行減法運(yùn)算仿真，結(jié)果如圖7（b）所示，圖中通道A、B 為輸入信號，通道C 為輸出信號。

圖7 放大模塊仿真Fig.7 Amplification module simulation

圖7（a）中示波器通道A 的值為兩級放大電路的輸出結(jié)果，為1.020 V，實(shí)現(xiàn)了一千倍放大。圖7（b）中示波器通道A、通道B 為兩路信號經(jīng)過相同放大電路后的輸出結(jié)果，電壓值分別為2.000 V、3.999 V。通道C 為兩路信號做減法處理后的輸出結(jié)果，電壓值為2.000 V，結(jié)果表明電路實(shí)現(xiàn)了兩路信號的減法運(yùn)算，驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的合理性。

2.3 帶通濾波電路

不同物體穿過光幕靶時(shí)產(chǎn)生不同脈沖寬度，可有效區(qū)分出蚊蟲、沖擊波、彈丸等信號，設(shè)計(jì)帶通濾波電路可削減干擾信號對目標(biāo)信號的影響。不同速度的物體穿過光幕的脈沖寬度可利用式（7）進(jìn)行計(jì)算：

式中：l 為飛行物體的長度；d 為光幕面的厚度；v 為飛行物體的速度。

利用式（7）對不同速度的飛行物體計(jì)算分析可以得出有效彈丸的脈沖寬度基本在40 μs 到200 μs之間，其蚊蟲等低速物體都高于200 μs，沖擊波、聲波等干擾信號的脈沖寬度都要小于40 μs。

濾波電路選用NE5532 放大器，是一種雙運(yùn)放高性能低噪聲運(yùn)算放大器，主要性能參數(shù)如表3 所示。

表3 NE5532 相關(guān)性能參數(shù)Tab.3 NE5532 related performance parameters

根據(jù)實(shí)際指標(biāo)與試驗(yàn)可得到目標(biāo)信號的頻帶寬度，為留有一定余量且防止某些偶然噪聲，此次設(shè)計(jì)的帶通濾波電路的上限頻率為74 kHz，下限頻率為6 kHz。帶通濾波電路設(shè)計(jì)如圖8 所示，濾波電路的截止頻率計(jì)算公式為

圖8 帶通濾波電路Fig.8 Bandpass filter circuit

電路采用一階有源濾波電路，相比于無源濾波電路可補(bǔ)償各次諧波，能自動跟蹤處于補(bǔ)償變化中的諧波，具有高度可控性和良好的響應(yīng)性能[7]。把高通濾波電路與低通濾波電路串聯(lián)起來組成帶通濾波電路，高通濾波電路的截止頻率為fP1，低通濾波電路的截止頻率為fP2，可得到帶通濾波電路的通帶為fP2-fP1。根據(jù)式（8）可得到：

電路中C1、R1構(gòu)成高通濾波器，C2、R4構(gòu)成低通濾波器，C3、C4、C5、C6用于電源濾波。根據(jù)實(shí)際指標(biāo)要求，可計(jì)算出相應(yīng)的電阻、電容值，文中實(shí)現(xiàn)帶寬為6 kHz～74 kHz 的濾波電路，借助Multisim 軟件對濾波電路進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 濾波電路仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of the filter circuit

使用信號發(fā)生器加載正弦輸入信號，仿真軟件模擬計(jì)算在-3 dB 時(shí)帶寬約為6.3 kHz～74.7 kHz，可使前置放大減法器電路輸出的信號穩(wěn)定通過，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 信號整形電路

信號整形電路主要用來對那些變化緩慢或不規(guī)則的信號進(jìn)行整形，也可用于剔除輸入信號中的干擾信號，設(shè)計(jì)信號整形電路可輸出有效的方波觸發(fā)信號[6]。電壓比較器是將一個(gè)模擬電壓信號與一個(gè)基準(zhǔn)電壓相比較，結(jié)果用比較器輸出的數(shù)字邏輯電平來表示，其傳輸特性如圖10 所示。

圖10 傳輸特性Fig.10 Transmission characteristics

UR為參考電壓，ui為被比較電壓。當(dāng)ui＞UR時(shí)，uo＝+Uom；當(dāng)ui＜UR時(shí)，uo=-Uom。

整形電路設(shè)計(jì)如圖11 所示，采用LM311 單限電壓比較芯片，通過調(diào)節(jié)可變電阻R2來控制2 端口的參考電壓，當(dāng)輸入的目標(biāo)信號高于參考電壓時(shí)，輸出端口輸出高電平，當(dāng)輸入的目標(biāo)信號低于參考電壓時(shí)，輸出端口輸出低電平。由于輸出信號穩(wěn)定性差，所以在比較電路后面通過運(yùn)放U2構(gòu)成一個(gè)電壓跟隨器，可將輸出信號真實(shí)的傳遞給負(fù)載，在電路中也可以用作緩沖級。

圖11 信號整形電路原理圖Fig.11 Schematic diagram of signal shaping circuit

使用Multisim 軟件對電路進(jìn)行模擬仿真，使用信號發(fā)生器將濾波電路輸出帶寬為6 kHz～74 kHz內(nèi)的信號加載到整形電路中，并在電路中調(diào)節(jié)可變電阻R2使參考電壓約為500 mV，其仿真結(jié)果如圖12 所示。

圖12 仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results

上圖中通道A 為輸出電壓，結(jié)果為3.376 V（TTL高電平為2.4～5.0 V）；通道B 為被比較電壓，結(jié)果為712.868 mV，大于設(shè)置的參考電壓。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出信號整形電路正常工作，輸入信號在閾值為500 mV 左右時(shí)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，可輸出有效的方波觸發(fā)信號，驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的合理性。

3 結(jié)語

本文針對光幕靶過靶信號處理時(shí)存在外界干擾信號的問題，基于雙通道光電轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)了抗干擾信號處理電路，并進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，利用雙通道光電轉(zhuǎn)換與減法運(yùn)算處理，可使火光干擾信號有效的削減，達(dá)到抗干擾的目的。其次設(shè)計(jì)6 kHz～74 kHz 的帶通濾波電路，從頻域上對蚊蟲、沖擊波等干擾信號進(jìn)行一定的濾除。最后目標(biāo)信號通過信號整形電路輸出一個(gè)規(guī)則的方波觸發(fā)信號。文中電路設(shè)計(jì)簡單可靠，既滿足了電路有效抑制干擾信號的需求，也為其他相關(guān)領(lǐng)域的電路設(shè)計(jì)提供了參考。