基于光纖的膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測試技術(shù)

李志凌 賈世甄 尹 航 張銀領(lǐng)

基于光纖的膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測試技術(shù)

李志凌 賈世甄 尹 航 張銀領(lǐng)

近年來，電磁炮作為一種新型的武器備受關(guān)注，由于其利用了電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁力發(fā)射彈丸，傳統(tǒng)炮膛內(nèi)彈丸測速方法易受其產(chǎn)生的高電壓強(qiáng)磁場干擾，測試精度較低。為解決這一問題，本文設(shè)計(jì)了一套基于光纖的電磁炮膛內(nèi)彈丸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測試系統(tǒng)，利用高能激光器作為光源，利用光纖作為能量傳輸通道，光電二極管作為探測傳感器，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)處理電路，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行分析處理，從而實(shí)現(xiàn)膛內(nèi)彈丸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的檢測。

電磁發(fā)射技術(shù)是借助電磁力做功，將電磁能轉(zhuǎn)化為彈丸的動(dòng)能，依靠強(qiáng)大的動(dòng)能摧毀目標(biāo)從而完成預(yù)定的作戰(zhàn)任務(wù)，在發(fā)射的過程中，電磁力長時(shí)間作用于彈丸，較常規(guī)火炮利用化學(xué)能發(fā)射彈丸，能大大提高彈丸的出射速度，精度更高，射程更遠(yuǎn)，發(fā)射過程無噪聲，武器系統(tǒng)生存能力強(qiáng)。因此，電磁發(fā)射武器軍事應(yīng)用潛力巨大，但是，實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴并且實(shí)驗(yàn)步驟繁瑣，各變量間的參數(shù)存在耦合關(guān)系，如果只通過實(shí)驗(yàn)，很難確立各種影響因素對(duì)彈丸性能的影響，因此，有必要利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)電磁炮系統(tǒng)的測試模塊進(jìn)行建模及仿真研究，為電磁炮的性能優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

常見測試方法

激光干涉法

激光干涉測量技術(shù)是利用任意反射表面的速度干涉儀（velocily interfemmeter system for any reflector，VISAR）和法一珀干涉儀進(jìn)行快速響應(yīng)和高分辨率診斷的系統(tǒng)，二者都可以用來對(duì)超高速運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行測量，因此可以用VlSAR或者法一珀干二涉儀來測量電磁炮膛內(nèi)彈丸速度。

微波干涉法

微波干涉法一般采用數(shù)據(jù)采集器和微波干涉儀，利用多普勒效應(yīng)原理獲得彈丸運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)射波與干涉波之間的頻率變化來對(duì)彈丸位置-時(shí)間變化關(guān)系進(jìn)行測量，確定彈丸的運(yùn)動(dòng)速度。但是受微波本身波長的限制，對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的物體該測量方法的精度較低，因此，不適用于彈丸速度極高的電磁炮。

共軛抑制線圈法

共軛抑制線圈法（Flux Ruler）是電磁軌道炮性能測試工作中一種非常簡便的基于電樞內(nèi)彈道位置測量方法，目前該方法主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室小型電磁軌道炮的演示中。共軛抑制線圈法應(yīng)用于串聯(lián)增強(qiáng)電磁軌道炮的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的情況同樣是很少見的。共軛抑制線圈其特殊的排布方式，有助于消除增強(qiáng)外界磁場的干擾，使得采集通道數(shù)小于磁探針陣列的通道數(shù)。因此，課題從實(shí)驗(yàn)角度考察了串聯(lián)增強(qiáng)電磁軌道炮的基于共軛抑制線圈測速方案的可行性。

測試電路的設(shè)計(jì)

如圖1所示，在本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)中，原始信號(hào)來源于電樞運(yùn)動(dòng)引起的光信號(hào)變化，但是直接對(duì)光信號(hào)分析、處理難度較大，因此對(duì)于輸入到檢測系統(tǒng)的光信號(hào)，我們首先采用光電轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行處理。在該系統(tǒng)中，由于電樞運(yùn)動(dòng)引起的電信號(hào)變化相對(duì)微弱，因此應(yīng)首先對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行放大處理，故經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路后首先進(jìn)入信號(hào)放大電路進(jìn)行放大處理。在信號(hào)的采集過程中，難免會(huì)有噪聲信號(hào)摻雜在初始信號(hào)中，對(duì)檢測結(jié)果產(chǎn)生干擾，因此我們要通過信號(hào)濾波電路將噪聲信號(hào)過濾掉，從而提高系統(tǒng)的精度，故經(jīng)過信號(hào)放大電路后再進(jìn)入信號(hào)濾波電路。

圖1　電路整體設(shè)計(jì)

圖2　光電轉(zhuǎn)換電路原理圖

光電轉(zhuǎn)換電路

在本課題中，采用了主動(dòng)激光束照明的方案。高靈敏度光電探測器在激光器前方形成的光路上，當(dāng)沒有彈丸通過光路時(shí)，探測器接收到全部能量的激光信號(hào)。當(dāng)彈丸到達(dá)檢測點(diǎn)時(shí)，部分光路會(huì)被彈丸遮擋，從而引起光電探測器接收到的光通量發(fā)生跳躍變化。光電轉(zhuǎn)換模塊主要功能是把高速運(yùn)動(dòng)的彈丸通過測試光路時(shí)引起的光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)的電信號(hào)。

課題所采用的光電轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，測試電路采用的是以高速運(yùn)放為核心的運(yùn)算放大電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，其中，其反向偏壓連接方式提高了探測電路的高頻響應(yīng)的性能。根據(jù)理論計(jì)算，該運(yùn)放帶寬為1.6Hz，常溫下壓擺率為500V/us，可以滿足電路的要求。有激光照射的情況下，V0為正，輸出電壓V0可通過以下公式計(jì)算得出

式中ID為在反向偏置下，光電二極管經(jīng)激光照射后產(chǎn)生的電流，其大小與光照度成正比；Rf為光電轉(zhuǎn)換電阻。

對(duì)于本增益電路的介紹：電路工作原理為光電二極管PIN經(jīng)光照射后便會(huì)產(chǎn)生電流信號(hào)，經(jīng)反相放大器進(jìn)行放大后輸出Uout。該光電轉(zhuǎn)換電路中的電容C1可以減小電路中的噪聲。

小結(jié)

本文在分析了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上提出了基于光纖的電磁炮膛內(nèi)測試方案，重點(diǎn)討論了如何減小電磁炮自身電磁感應(yīng)對(duì)檢測系統(tǒng)的干擾，完成了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)受環(huán)境影響較小，可以捉到電樞通過檢測點(diǎn)時(shí)光信號(hào)的變化并進(jìn)行信號(hào)分析。

李志凌1賈世甄2尹 航3張銀領(lǐng)4

1.中國人民解放軍烏魯木齊民族干部學(xué)院；2.江南大學(xué)理學(xué)院；3.中國科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院；4.中國人民解放軍68081部隊(duì)

李志凌，研究方向計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，講師。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.001