亞毫米級(jí)彈丸光電探測(cè)技術(shù)

任磊生, 羅錦陽(yáng), 羅 慶, 龍 耀, 黃 潔

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

通過(guò)在地面靶室進(jìn)行航天器抗空間碎片防護(hù)性能試驗(yàn)研究是提高航天器防護(hù)水平和生存能力的有效途徑之一。就目前國(guó)內(nèi)外的技術(shù)水平而言，開(kāi)展航天器抗空間碎片防護(hù)性能和毀傷機(jī)理試驗(yàn)最成熟的設(shè)備是超高速碰撞靶。在超高速碰撞靶的模擬試驗(yàn)中，只有成功探測(cè)彈丸，才能對(duì)彈丸進(jìn)行速度測(cè)量和控制其他測(cè)試設(shè)備測(cè)量撞擊過(guò)程的瞬態(tài)參數(shù)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)彈丸無(wú)干擾探測(cè)的方法主要有高速攝影法、磁感應(yīng)法和光電探測(cè)法等多種技術(shù)途徑。高速攝影法是采用炮口火光啟動(dòng)高速攝影機(jī)，利用高速相機(jī)，拍攝彈丸姿態(tài)，然后通過(guò)計(jì)算照片中彈丸位置的改變量和拍攝間隔時(shí)間，得到彈丸速度。該方法一是價(jià)格太高，一般要幾百萬(wàn)元；二是亞毫米彈丸在高速攝影底片中判讀難度較大，測(cè)量誤差較大，導(dǎo)致測(cè)速精度較低。磁感應(yīng)法是在發(fā)射裝置附近安裝多個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈，線(xiàn)圈中通有電流，這樣便在線(xiàn)圈周?chē)纬梢粋€(gè)電磁場(chǎng)，當(dāng)飛行彈丸經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈時(shí)就會(huì)引起磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的間隔時(shí)間及線(xiàn)圈的距離計(jì)算出彈丸在兩個(gè)線(xiàn)圈區(qū)段的速度均值，達(dá)到測(cè)速的目的。磁感應(yīng)法要求彈丸必須為金屬材料或增加磁環(huán)，對(duì)材料要求較高。光電探測(cè)法是以光電轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的高速?gòu)椡杷俣葴y(cè)量裝置。它以平行激光光幕為靶面，當(dāng)彈丸高速穿過(guò)光幕時(shí)，光電接收部分收到的光通量發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，根據(jù)信號(hào)的間隔時(shí)間及激光光幕的距離計(jì)算出彈丸通過(guò)光幕的平均速度。它具有測(cè)試精度高、靈敏度調(diào)節(jié)靈活、便于維護(hù)操作和成本低等特點(diǎn)，是最好的高速?gòu)椡杼綔y(cè)方法[1-3]。

國(guó)內(nèi)用于高速?gòu)椡杷俣葴y(cè)量的光電探測(cè)系統(tǒng)主要是針對(duì)大尺寸彈丸，如中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心用于不同口徑二級(jí)輕氣炮的TC-300、TC-100和TC-50光電探測(cè)器[4]，西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院研制的光電探測(cè)靶[5]，西北核技術(shù)研究所用于毫米級(jí)彈丸速度測(cè)量的光電檢測(cè)裝置等。其中中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的TC-50光電探測(cè)器可以探測(cè)Φ0.5mm的彈丸，但在探測(cè)Φ0.5～1.0mm的彈丸時(shí)，彈丸信號(hào)幅值小。為適應(yīng)1mm以下彈丸超高速碰撞試驗(yàn)的需要，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的自由飛彈道靶研究室開(kāi)展光電陣列探測(cè)技術(shù)研究，以滿(mǎn)足試驗(yàn)和研究的需要。

本文對(duì)光電陣列探測(cè)方法的探測(cè)光路和探測(cè)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)驗(yàn)證裝置的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行介紹。

1 片光遮擋法的光電探測(cè)原理

片光遮擋法的彈丸探測(cè)采用點(diǎn)激光光源作為探測(cè)光源，圖1為片光遮擋法彈丸探測(cè)示意圖。半導(dǎo)體激光器能量主要集中束腰半徑內(nèi)，通過(guò)光闌對(duì)光束進(jìn)行約束后，可近似認(rèn)為在矩形探測(cè)視場(chǎng)范圍內(nèi)光強(qiáng)呈均勻分布[6]。

圖1 片光遮擋法彈丸探測(cè)原理圖

其工作原理為當(dāng)光電二級(jí)管在光電導(dǎo)工作模式下，且工作在線(xiàn)性區(qū)域時(shí)，光電二極管產(chǎn)生的光電流與其接收的光通量成正比；當(dāng)彈丸高速穿越探測(cè)光路時(shí)，彈丸遮擋部分光線(xiàn)，使得光電二極管接收的光通量發(fā)生改變、光電二極管產(chǎn)生變化的光電流，從而使得負(fù)載電阻產(chǎn)生變化的電壓信號(hào)。

設(shè)片光光強(qiáng)為φ，片光寬度為D，彈丸直徑為d，在彈丸高速穿越探測(cè)光路時(shí)光電探測(cè)模塊所產(chǎn)生的變化電壓為：

(1)

式中：β=ηq/hυ為響應(yīng)系數(shù)，η為量子效率，q為電子電荷，h為玻爾茲曼常數(shù)，υ為光波頻率，R為轉(zhuǎn)換電路電阻阻值。

由公式(1)可見(jiàn)，產(chǎn)生的電壓信號(hào)與d成正比關(guān)系。當(dāng)探測(cè)彈丸直徑逐漸減小，彈丸對(duì)片光的遮擋程度將逐漸減弱，U值也將逐漸減小，當(dāng)U值小到與噪聲信號(hào)接近時(shí)，將無(wú)法識(shí)別彈丸信號(hào)。

2 光電陣列探測(cè)技術(shù)原理

2.1光電陣列探測(cè)亞毫米彈丸的設(shè)計(jì)原理

根據(jù)式(1)，小彈丸對(duì)片光遮擋效應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)與β、φ、d/D和R等參數(shù)成正比關(guān)系。但是對(duì)于探測(cè)電路而言，增大β、φ、R等3個(gè)參數(shù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的噪聲信號(hào)也隨之增加，難以達(dá)到改善這種遮擋效應(yīng)的抗噪聲干擾的目的，所以在此考慮通過(guò)增大d/D來(lái)提高小彈丸對(duì)片光遮擋效應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)，從而提出了光電陣列探測(cè)技術(shù)。

2.2光電陣列探測(cè)技術(shù)原理

光電陣列探測(cè)技術(shù)的原理是改變傳統(tǒng)光電探測(cè)器接收端的單個(gè)光電接收模塊模式，在光電探測(cè)器的接收端用光電二極管陣列接收來(lái)自發(fā)射端的光信號(hào)，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，光電二極管陣列輸出的多路電信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后成為一路電信號(hào)。在光電探測(cè)器的接收端將來(lái)自發(fā)射端的平行片光拆分成多路光束后匯聚到光電二極管陣列的多個(gè)接收窗口，以減小單個(gè)探測(cè)視場(chǎng)的寬度。圖2為光電陣列探測(cè)原理圖。當(dāng)小彈丸穿過(guò)探測(cè)光路的任意一路分光路時(shí)，接收該分光路的光電二極管的光通量發(fā)生改變，輸出變化的電信號(hào)；而其他光電二極管的光通量未發(fā)生改變，輸出的電信號(hào)不發(fā)生改變；于是該光電模塊產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)后端處理電路的處理后被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集成為彈丸穿過(guò)探測(cè)光路時(shí)的彈丸信號(hào)。這樣就將式(1)中的探測(cè)視場(chǎng)和彈丸直徑比轉(zhuǎn)換為分探測(cè)光路的寬度和彈丸直徑比，大幅度降低了探測(cè)視場(chǎng)和彈丸直徑比。

圖2 光電陣列探測(cè)原理圖

在圖2所示的光電陣列探測(cè)原理圖中，探測(cè)視場(chǎng)被等分拆成6個(gè)分探測(cè)光路，每個(gè)光電模塊接收的分光路寬度是整個(gè)探測(cè)光路寬度的1/6。由式(1)可知，如果分探測(cè)光路的光強(qiáng)為φ，那么采用光電陣列探測(cè)技術(shù)能夠?qū)⒐怆娞綔y(cè)器的信噪比提高至6倍，能夠?qū)⒐怆娞綔y(cè)器可靠探測(cè)的彈丸直徑下限縮小至1/6。

2.3探測(cè)光路設(shè)計(jì)

探測(cè)光路設(shè)計(jì)主要的難點(diǎn)是把來(lái)自發(fā)射端的平行片光拆分成多路光束后匯聚到光電二極管陣列的各個(gè)接收窗口。在光電探測(cè)器接收端對(duì)探測(cè)光路拆分時(shí)，要減小分探測(cè)光路間的縫隙，避免形成探測(cè)盲區(qū)。由于探測(cè)的彈丸直徑為亞毫米級(jí)，則探測(cè)光路的縫隙要達(dá)到0.01mm級(jí)別。在探測(cè)光路設(shè)計(jì)時(shí)，采用了復(fù)眼透鏡和透鏡組合兩種方式對(duì)探測(cè)光路的拆分匯聚。

2.3.1復(fù)眼透鏡方式

復(fù)眼透鏡是由一系列小透鏡組合形成，每個(gè)透鏡都能單獨(dú)成像。平行片光經(jīng)過(guò)復(fù)眼透鏡時(shí)，照射在同一透鏡的光線(xiàn)被匯聚在該透鏡的焦點(diǎn)處，相鄰?fù)哥R間的縫隙能夠達(dá)到0.01mm級(jí)別，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.3.2透鏡組合方式

透鏡組合方式是將多個(gè)小透鏡打磨后粘接排列在薄的光學(xué)玻璃板上，組合成為一列排列緊密的透鏡組，每個(gè)透鏡單獨(dú)成像。為了降低透鏡的加工精度、粘結(jié)精度及成本，將探測(cè)光路先擴(kuò)束放大后再進(jìn)行拆分。

2.4探測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.4.1光電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)換選用高靈敏度PIN光電二極管。所用光電二極管的響應(yīng)頻率和響應(yīng)波長(zhǎng)與探測(cè)光源相對(duì)應(yīng)，其結(jié)電容大，并聯(lián)電阻大。大的結(jié)電容可增加帶寬，同時(shí)具有較小的噪聲；而大并聯(lián)電阻的光電二極管具有小的暗電流，可減小信號(hào)噪聲。根據(jù)光電二極管的伏安特性曲線(xiàn)，設(shè)計(jì)其工作于反向電壓模式。光電二極管的工作點(diǎn)通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體激光光源的光功率來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，既要滿(mǎn)足在光功率變化范圍之內(nèi)，光電二極管工作于線(xiàn)性區(qū)域，同時(shí)又要滿(mǎn)足取樣電壓能適合后級(jí)放大電路[7-9]。

信號(hào)取樣設(shè)計(jì)為電壓取樣，取樣電阻通過(guò)電容和光電二級(jí)管并聯(lián)。

2.4.2光電陣列模塊信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

由于每個(gè)光電模塊都會(huì)產(chǎn)生一路電信號(hào)，需將多個(gè)光電模塊產(chǎn)生的多路電壓信號(hào)處理成為一路電信號(hào)。

探測(cè)光源的波動(dòng)是光電探測(cè)器的一個(gè)重要噪聲源[10]。在將幾路電信號(hào)整合時(shí)，需避免光源波動(dòng)產(chǎn)生的噪聲被疊加、放大，降低信噪比。在該模塊設(shè)計(jì)中采用差分放大電路處理多路電信號(hào)。其原理是將光電模塊按位置分為兩組，每組光電模塊產(chǎn)生的多電壓信號(hào)經(jīng)加法電路處理為一電壓信號(hào)，然后與另一個(gè)加法電路處理的電信號(hào)進(jìn)行差分放大，輸出一路電壓信號(hào)。光電模塊信號(hào)處理電路如圖3所示。

圖3 光電模塊信號(hào)處理電路

2.4.3后級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

放大電路要滿(mǎn)足寬帶寬、低噪聲和高放大倍數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)高增益、寬帶寬，整個(gè)電路采取兩級(jí)放大器串聯(lián)，使單個(gè)放大器工作于低增益、寬帶寬狀態(tài)，通過(guò)兩級(jí)串聯(lián)來(lái)獲得高增益。對(duì)于降低噪聲，一是采用失調(diào)電壓和溫度漂移相互補(bǔ)償?shù)亩?jí)運(yùn)放電路，利用參數(shù)基本一致的兩塊放大器AD844，第一級(jí)正向放大，第二級(jí)反向放大，通過(guò)相互補(bǔ)償減小失調(diào)電壓和溫度漂移；二是通過(guò)仿真分析，選擇合適的電阻阻值和進(jìn)行電阻濾除噪聲設(shè)計(jì)；三是對(duì)印制板的走線(xiàn)進(jìn)行細(xì)致分析設(shè)計(jì)，減小電源和接地點(diǎn)對(duì)電路噪聲的影響。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)及分析

3.1試驗(yàn)條件

驗(yàn)證試驗(yàn)在FD-18A超高速碰撞靶上進(jìn)行，試驗(yàn)彈丸尺寸：Φ0.6mm、Φ1.2mm；彈丸發(fā)射速度：約3km/s ；靶室壓力：300Pa。

圖4 FD-18A超高速?gòu)椀腊?/p>

3.2試驗(yàn)裝置

光電陣列探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括超高速碰撞靶TC-50光電探測(cè)器的發(fā)射端、發(fā)散透鏡、復(fù)眼透鏡和光電陣列探測(cè)模塊：其中，TC-50光電探測(cè)器的發(fā)射端用來(lái)發(fā)射平行片光形成寬50mm的探測(cè)視場(chǎng)，發(fā)散透鏡用于將平行片光擴(kuò)束，復(fù)眼透鏡用于將來(lái)自發(fā)射端的平行片光分成6路光束后匯聚到光電二極管陣列的各個(gè)接收窗口，光電陣列探測(cè)模塊用于接收光信號(hào)并進(jìn)行處理。光電陣列探測(cè)系統(tǒng)如圖5所示。由于在探測(cè)光路設(shè)計(jì)中選用透鏡組合方式拆分光路需重新加工透鏡組，透鏡組的加工費(fèi)用又較高，所以在驗(yàn)證試驗(yàn)中不采用透鏡組合方式。

圖5 光電陣列探測(cè)系統(tǒng)

3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)獲得的彈丸信號(hào)如圖6和7所示。圖6為彈丸尺寸Φ0.6mm、速度2.8km/s試驗(yàn)中光電陣列探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)信號(hào)，信號(hào)峰值為4.096V，噪聲幅值為0.354V；圖7為彈丸尺寸Φ1.2mm、速度3.0km/s試驗(yàn)中光電陣列探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)信號(hào)，信號(hào)峰值為8.768V，噪聲幅值為0.354V。

圖6 Φ0.6mm彈丸信號(hào)

圖7 Φ1.2mm彈丸信號(hào)

根據(jù)光電陣列探測(cè)的原理，彈丸在高速穿過(guò)探測(cè)光幕時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)與彈丸直徑成正比關(guān)系。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)該光電陣列探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)度進(jìn)行分析，并對(duì)該光電陣列探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)能力進(jìn)行分析。

3.3.1光電陣列探測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)線(xiàn)性度

通過(guò)電壓幅值與彈丸直徑的比值可確定光電陣列探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)度。

由圖6可得探測(cè)系統(tǒng)對(duì)Φ0.6mm彈丸的響應(yīng)度為：

4.096/0.6=6.826V/mm

(2)

由圖7可得探測(cè)系統(tǒng)對(duì)Φ1.2mm彈丸的響應(yīng)度為：

8.768/1.2=7.306V/mm

(3)

雖然不同片光位置的光強(qiáng)度不一致，但經(jīng)過(guò)光闌對(duì)光束約束處理后其差別較小，可認(rèn)為光電陣列探測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同直徑的彈丸的響應(yīng)基本為線(xiàn)性。

3.3.2光電陣列探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)能力分析

由圖6和7可得光電陣列探測(cè)系統(tǒng)的噪聲為0.354V，根據(jù)信噪比分析結(jié)果可推算光電陣列探測(cè)系統(tǒng)可探測(cè)最小彈丸直徑為(響應(yīng)度按Φ0.6mm彈丸的響應(yīng)度計(jì)算)：

最小彈丸直徑=0.354/6.826=0.05mm

(4)

4 結(jié) 論

通過(guò)開(kāi)展光電陣列探測(cè)技術(shù)研究和驗(yàn)證試驗(yàn)，可知光電陣列探測(cè)技術(shù)能夠提高光電探測(cè)器的性能、提高信噪比和探測(cè)下限，其最小彈丸探測(cè)直徑可達(dá)0.1mm，滿(mǎn)足超高速碰撞試驗(yàn)中亞毫米彈丸的可靠探測(cè)和測(cè)速控制的需求，進(jìn)一步拓展了超高速碰撞靶開(kāi)展空間碎片防護(hù)試驗(yàn)的范圍。

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作者簡(jiǎn)介:

任磊生(1983-)，男，湖北老河口人，工程師。研究方向：彈道靶測(cè)控。通信地址：四川省綿陽(yáng)市中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail： skyandecho@163.com