片光反射遮擋式超高速亞毫米粒子探測技術

羅錦陽，黃 潔，部紹清，柳 森，羅 慶

（中國空氣動力研究與發展中心，四川綿陽 621000）

0 引 言

開展航天器抗空間碎片防護性能試驗研究是提高航天器防護能力的有效途徑，就目前國內外的研究現狀而言，超高速碰撞靶是開展航天器抗空間碎片防護性能試驗最重要的地面設備。在超高速碰撞靶上開展航天器抗空間碎片防護性能試驗，需要準確測量粒子的飛行速度，且探測必須是非接觸式，同時需要根據探測信號實時為照相系統等提供準確的觸發信號。中國空氣動力研究與發展中心已經對粒子探測技術進行了比較深入的研究，實現了毫米級超高速粒子的成功探測，但隨著研究工作和試驗技術的發展，需開展亞毫米粒子的探測技術研究，這也是超高速碰撞試驗技術發展的關鍵技術之一。

由于超高速粒子尺寸小、速度高、光磁干擾強，一般都采用非接觸方式進行粒子探測，目前國內外采用的主要方法包括：磁感應法、片光遮擋法和X射線法等。磁感應法要求粒子必須為金屬材料或增加飛行的磁環，對材料和發射要求較高，但該方法技術簡單，在部分試驗條件下可較好運用。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，結合計時儀記錄的兩次閃光時間，就可以實現粒子探測和速度測量；該方法系統復雜，成本高昂，運用較少。片光遮擋法粒子探測原理是當粒子穿越片光時遮擋部分光束，導致穿越靶室的光通量減小，從而實現粒子的探測，該方法對粒子無干擾，是最好的高速粒子探測方法，但該方法技術難度較大，同時要處理發射器的光干擾等，故在國內沒有大量使用。我部對該技術進行了長期的研究，實現了不同環境下高速粒子的可靠探測，為適應1mm以下粒子超高速碰撞試驗的需要，開展了片光反射遮擋式粒子探測技術研究，以滿足試驗和研究的需要。

對片光反射遮擋式探測光路和一階階躍信號耦合方法進行分析，并對驗證裝置的設計和驗證試驗結果進行了介紹。研究結果表明該技術可用于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，可以實現小粒子的可靠探測。雖然半導體激光器的激光束在同一波陣面內的電場呈高斯分布，在波陣面內能量分布不均勻，但其能量主要集中于半徑為束腰值的范圍內，通過光闌對光束進行約束后，可簡化認為在矩形探測視場范圍內光強呈均勻分布。

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，對片光產生遮擋效應來實現。當超高速飛行的小粒子穿過片光時，在探測電路所產生的電壓為：

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

由公式（1）可見，產生的電壓信號與d成正比關系。當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U值減小到與噪聲信號接近時，將無法識別粒子對片光的遮擋效應。

2 片光反射遮擋式超高速粒子探測技術

2.1 片光反射遮擋式探測亞毫米粒子的設計原理［2］

為了實現空間碎片防護試驗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的抗噪聲干擾能力。

根據式（1），小粒子對片光遮擋效應產生的電壓信號與β、φ、d／D、R等參數成正比關系。但是對于探測電路而言，增大β、φ、R等三個參數時，一般對應的噪聲信號也隨之增加，難以達到改善這種遮擋效應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產生的電壓信號。

根據目前我部超高速碰撞靶探測1mm尺寸粒子時采用的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。

2.2 片光反射遮擋式探測視場設計原理

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的約束關系：

根據式（2）、（3），當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：

根據式（3），可以在反射鏡距離、片光寬度已知的情況下，通過調節角度θ來確定L2。再根據式（4），在反射鏡距離、片光寬度、L2已知的條件下，可通過調節反射次數2 N來實現對探測視場的設計。

2.3 高速小粒子接收電路［3］

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

式中，t為脈沖信號的寬度。

圖3 RC耦合響應Fig.3 Coupling response of RC

在片光厚度一定時，小粒子穿越片光的時間越短，產生的脈沖信號寬度越小，該RC一階階躍響應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對小粒子信號的探測能力。

3 試驗及結果

3.1 試驗條件

驗證試驗在中國空氣動力研究與發展中心FD－18A超高速碰撞靶上進行，試驗粒子尺寸：φ0.5mm、φ3.0mm；發射速度：約5km／s；靶室壓力：700Pa。

3.2 試驗裝置

對該探測模式進行驗證，設計了一套試驗裝置。探測器垂直方向探測視場設計為50mm，平行反射鏡間距100mm，光源為半導體點光源，通過光學變換為寬度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整，以實現兩反射鏡的平行，片光經過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，通過光電轉換、信號耦合和放大實現小粒子的探測。

在探測電路和響應模式不改變的情況下，可認為電路噪聲大小不變，同時電路對不同粒子的響應為線性響應時，在超高速碰撞試驗中已經實現了片光寬度為50mm，1mm粒子的成功探測，故可達到d／D＝1／50，當片光寬度為5mm時，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 試驗結果

試驗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試驗中試驗裝置的探測信號，信號峰值為－4.2V，圖5為粒子尺寸φ0.5mm，速度為4.80km／s試驗中試驗裝置的信號峰值為－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度。

由圖4可得探測電路對φ3.0mm粒子的響應度為：

由圖5可得探測電路對φ0.5mm粒子的響應度為：

雖然不同片光位置的光強度不一致，但經過整形處理后其差別較小，可認為探測器對不同尺寸粒子的響應基本為線性的，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，根據信噪比分析結果可知探測器可探測最小粒子尺寸為（響應度按0.5mm尺寸粒子的響應度計算）：

4 結 論

通過技術研究和試驗驗證，片光反射遮擋式小粒子探測技術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0.1mm，滿足超高速碰撞試驗亞毫米粒子空間碎片防護試驗中粒子可靠探測和測速控制的需求，進一步拓展了超高速碰撞靶開展空間碎片防護試驗的范圍。

致謝：在項目實施過程中得到了得到了文雪忠、謝愛民、宋強、任磊生、陳萍、何貴慎、劉曉龍、廖富強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［C］.中國兵工學會彈道專業委員會學術交流會，2004.

［2］ 趙凱華，鐘錫華.光學［M］.北京：北京大學出版社，1982.

［3］ 范志剛.光電測試技術［M］.北京：電子工業出版社，2003.