紅外炸點探測裝置性能的提高方法研究＊

安 瑩，楊逢春

（西安工業大學 光電工程學院，陜西 西安 710021）

引 言

靶場測試技術中，引信在精確制爆方面起著至關重要的作用，精確地制爆需要精確的制爆時間，而精確的制爆時間則是由精確的測試儀器測出的。為了測量炮彈出膛到炸點爆炸時刻的時間，在炮彈出膛時間已知的情況下，則炮彈爆炸時刻為探測之重點，文中所提到的紅外炸點探測裝置就是用以精確探測炸點時刻之用［1］。炸點探測裝置將探測到的炸點時刻脈沖信號傳送到計時儀，經處理后便可得到精確的炮彈飛行時間，整個過程如圖1所示。

當炮彈爆破后釋放出大量的光和熱，通過采用合適的探測裝置便可以將光信號轉換成電信號輸出給后續設備，經放大、濾波等處理后便得到可被后續設備檢測到的時間脈沖信號。

對于用于炸點探測所使用的探測裝置，有文獻［2］提出了一種小視場紅外炸點探測裝置，視場角越小，靈敏度越高。但是，視場角的減小導致了視場范圍的降低，如果炸點稍有偏移可能使探測裝置無法捕捉到炸點信號。一般的小視場探測裝置大致可分為四個部分：光學系統、探測系統、電路硬件系統以及機械結構。通過對光學系統進行優化，提高成像質量及透過率，將有限的信號能量盡可能多地匯聚在光電傳感器光敏面上，將大大提高整個探測系統的靈敏度［3］，但是如果只從光學系統去優化靈敏度是遠遠不夠的，所以本文從探測器件的選擇、電路硬件設計以及機械結構三方面出發，以達到對炸點探測裝置性能改善的目的。

圖1 炮彈飛行精確時間參數獲取流程框圖Fig.1 Block diagram of the process of obtaining the accurate shell flight time parameters

1 炸點探測裝置傳感器的選擇

傳感器是整個炸點探測裝置的核心，選擇合適的傳感器對于探測裝置的性能起著至關重要的作用。紅外探測由于其抗干擾能力強，隱蔽性好等特點廣泛應用于軍事領域。在當今乃至將來，紅外探測技術必將成為軍事領域不可或缺的技術之一。

探測器的選擇需要根據炸點火焰的光譜分布來確定，而其光譜分布主要是由炸點火焰的溫度決定，溫度越高，光譜分布的峰值越靠近短波。彈丸所填充的彈藥決定火焰的溫度，從雷汞到苦味酸，溫度在175～310℃之間變化［4］。光譜分布主要集中在可見光和近紅外區域，如果僅僅利用可見光區域來選擇探測器的話，存在著外界光干擾的問題，比如白天光強過大導致炸點探測不到或者炸點火光微弱而不能被探測器探測到。

而在近紅外這個區域便不存在上述可見光中出現的問題。在這個波段內可供選擇的且普遍使用的傳感器為硫化鉛（PbS）傳感器和紅外光電二極管。硫化鉛探測器一般只對1～3.5μm的波長范圍較為敏感，而VIGO公司的硫化鉛探測器探測范圍可從1～4.5μm，已經進入到中紅外區域，并且不需要制冷模塊，這為制作便攜式中紅外探測裝置提供了可能。而紅外接收二極管可達780～1100nm，比硫化鉛探測器的光譜范圍要窄很多。更重要的是，這種紅外接收管還嚴重受到距離的限制，這與其自身光電轉換原理密切相關，根據輻射源輻射強度不同，最大探測距離從30～150cm不等。但由于這種探測器價格低廉，在小范圍探測中使用較為普遍，常被用于火災現場報警、火災現場檢測機器人等。

從性能、成本、便于攜帶等多方面因素綜合考慮，選擇美國Judson公司光導型硫化鉛（PbS）探測器，型號為J13TE2。由于能夠實現在常溫下工作，這意味著整個系統無需制冷模塊便可正常工作，所以整個系統具有便于攜帶的特點，該探測器具體參數見表1。

2 炸點探測裝置的電路優化設計

從表1中可以看出，硫化鉛光電導探測器的電阻經紅外光線照射后，其值在0.1～0.3MΩ之間變化，所以炸點探測電路必須考慮與硫化鉛光電導探測器的阻抗匹配問題才能使后續電路達到優越的性能。

炸點探測裝置的電路包括探測器偏置電路及前置放大電路、主放大電路和信號濾波電路幾部分，偏置電路為傳感器提供偏置電壓。對于光電導探測器，如果沒有偏置電路為其提供偏置電壓，光電導傳感器是無法將光信號轉換成電信號的。本設計采用恒流偏置，為系統提供了良好的信噪比［5］。由于硫化鉛光電導探測器具有很高的輸入阻抗，暗電阻在2MΩ左右，為了實現與硫化鉛探測器的輸入阻抗匹配，簡單采用高輸入阻抗運算放大電路是不能夠滿足使用需求的。本設計采用結型場效應管Q1與Q2構成跟隨電路，大大提高了輸入阻抗，再與Q4一同構成整個前置放大電路的跨導放大電路，提供了1000倍左右的電流增益，最后通過高阻抗運放OP37對信號電壓進行小幅度放大，電壓增益為6。整個偏置及前置放大電路如圖2所示。

表1 J13TE2硫化鉛探測器基本參數Tab.1 The parameters of J13TE2PbS detector

圖2 探測器偏置電路及前置放大電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of detector bias circuit and preamplifier circuit

對于主放大電路而言，能否實現信號的探測很大程度上取決于主放大電路的放大及抑噪能力。通過三級運放實現將微弱的電壓信號放大6000倍的目的。首先通過第一級運放OP27對信號進行6倍的電壓放大，第二級運放OP27對信號進行10倍的電壓放大，第三級儀表運放INA103，采用芯片廠家提供的技術手冊中的典型100倍電壓增益放大電路［6－11］；再通過合理地放置電容和電阻，對電路帶寬以外的噪聲進行濾除，整個探測電路原理圖如圖3所示。

圖3 探測裝置放大電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of amplifying circuit detection device

加之前置放大電路的6倍電壓增益，整個探測電路總的電壓增益為36000，能夠對極微弱的信號進行探測，很好地滿足了使用需要。

電源正負極的電容，有效地濾除了電源引入的高頻和低頻雜波，三級運放之間均有去耦電容，使前級與后級之間無相互串擾。

3 炸點探測裝置的結構設計優化

與前兩者相比較，探測裝置結構設計的重要性同樣不可忽視，如果結構精度不能滿足使用需求，將會影響整個系統的精度及使用性能。探測裝置的結構主要包括：箱體、支架以及底座。整個裝置具有調節水平、對準目標、保護箱體內部電路等作用。

對于底座的設計，采用三軸可調水平底座設計，通過對三個支撐座的調節和調平水泡配合使用，完成整個探測器的水平調節，圖4為支撐座剖視圖。圖5為底座俯視圖，通過俯視圖可以看到，三個支撐座均勻分布，使底座具有良好的穩定性，同時能夠實現360°旋轉。

圖4 支撐座剖視圖Fig.4 Sectional view of turning

圖5 底座俯視圖Fig.5 Top view of the base

對于探測器架體的設計，目的主要有兩個，一個是實現對探測器主體部分的支撐，第二個就是完成對箱體部分一定角度的俯仰，與激光器配合實現探測器與炸點位置的對準。當槍或者炮瞄準靶心時，探測裝置調水平，配合俯仰和360°旋轉實現將探測器鏡頭用激光器對準靶心，當彈丸在靶面爆炸后，炸點位置應在探測器視場中心附近。有了對準裝置，被探測器接收到的炸點處的紅外輻射能與無對準裝置相比將大幅度提高。探測器鏡頭軸線方向和激光器激光束方向垂直距離一定。當整個裝置調節水平后，調節底座360°旋轉機構，和俯仰機構，通過激光器對準，完成整個對準過程。圖6為整個探測裝置結構主視圖。

圖6 探測裝置主視圖Fig.6 Main view of the detection device

4 實驗驗證

搭建實驗平臺，通過實驗對上述理論進行論證。采用硫化鉛探測器和紅外接收二極管分別進行給定距離的探測，用直徑為5cm的炮竹代替炮彈炸點。通過激光瞄準器將探測器與被測點對準，記錄數據，結果如表2所示。

在戶外強光下（2000lx）進行實驗時發現，采用紅外光電二極管作為傳感器的探測裝置會出現誤報現象，通過調節探測裝置上的電位器將靈敏度調低直至不發生誤報后進行測試，從表2所示，紅外光電二極管探測裝置輸出均在0.0007V左右跳動，且不隨探測距離發生任何變化，結果說明該裝置已經不具備探測能力。硫化鉛探測器輸出幅值隨著探測距離的增加而減小，在25～30m處淹沒在噪聲之中，背景噪聲平均值為0.0010V，由數據可知，在30m處時，信號已完全淹沒在背景噪聲之中。

在其他條件不變的情況下進行兩組實驗，第一組具有激光瞄準器而第二組無激光瞄準器，探測器均選用硫化鉛探測器，實驗結果見表3。

表2 兩種探測器輸出電壓值對比Tab.2 The contrast of two kinds of detector output voltage value

表3 有無激光瞄準器輸出值對比Tab.3 The contrast of laser sight output

從表3中可以發現，以第一組值作為參照標準，第二組輸出電壓值在除5m處略高于第一組外，其余點均低于第一組，這說明探測器沒有完全接收到炸點處的能量，這是由于在沒有激光瞄準裝置又無法精確定位的情況下，探測器與炸點中心位置沒有在一條直線上，造成了炸點能量信號的損失。在25m處，第二組輸出值已完全探測不到，淹沒在背景噪聲之中。

5 結 論

對以上實驗結果加以分析，不難發現，以硫化鉛探測器為傳感器的紅外炸點探測電路與傳統紅外光電二極管探測器相比具有受光照影響小的特點，能夠適應更強的光照環境。采用低噪聲前置放大電路與高增益放大電路組成的紅外炸點探測電路，不僅做到了很好的阻抗匹配，而且設計了合適的電路帶寬有效地抑制了噪聲，同時主放大電路選用集成運放，實現了電路的簡潔化，大大提高了電路的可靠性及穩定性。最后，合理地設計了探測裝置系統的機械結構，機械結構不僅保護了在靶場惡略環境下工作的探測器及電路，同時提高了探測的精準度，實現精確對準的目的。

本文對小視場紅外炸點探測裝置的傳感器、電路和結構設計三個方面進行了優化，實驗證明，通過以上三方面優化的探測裝置較以往的探測器具有更優良的性能，探測性能大幅度提高，能夠滿足靶場測試實際需求。

［1］劉玉鵬.爆炸炸點傳感器探測系統的研究［D］.南京：南京理工大學，2004：5－8.

［2］黃心耕.小視場光學系統設計［J］.航天控制，2004，22（5）：85－87.

［3］安 瑩.天幕靶光機系統的探測靈敏度研究［J］.西安工業大學學報，2011，31（4）：307－311.

［4］徐炳炎.分布式紅外輻射通量測量系統的研究［D］.浙江：浙江大學，2011：18－30.

［5］楊瑞宇，唐利斌，莊繼勝，等.前置放大器與高阻抗有機光導探測器的匹配研究［J］.紅外技術，2009，31（5）：298－302.

［6］韓峰，劉群華，蔡榮立.紅外密集度光電立靶中放大電路的設計［J］.國外電子元件，2004，12（1）：10－12.

［7］韓 峰，劉群華.紅外天幕靶信號采集及調理電路設計［J］.彈箭與制導學報，2008，28（4）：282－284.

［8］蔡恩林，岑兆豐，李曉彤，等.高信噪比微流控芯片檢測儀的設計［J］.光學儀器，2005，27（5）：113－117.

［9］張偉改.爆炸測量系統的作用距離分析［D］.北京：中國科學院研究生院，2004：46－50.

［10］李翰山，高紅堯，江 銘.天幕靶光電探測性能改善研究［J］.彈道學報，2007，19（1）：266－270.

［11］張學明，宓韻萍，江 軍，等.光纖電壓傳感器信號處理電路的設計［J］.光學儀器，2006，28（2）：31－35.