某型紫外接收靈敏度測試設備設計與開發研究

葉青

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

紫外接收機探測導彈發動機工作時羽煙中的紫外輻射信號，在經過信號處理實現對來襲導彈的威脅告警。紫外接收機采用面陣凝視成像體制。紫外接收機通過RS422接口向控制器傳輸告警信號，控制器將兩路告警信號進行坐標轉換和畸變校正后形成告警信息再通過1553B 電子戰總線將其上報電子戰系統。告警方位信息由電子戰系統送至顯示控制管理分系統綜合顯控器上顯示。紫外接收機接收紫外信號靈敏度性能好壞，直接影響飛機戰場生存的安全性。為了實現紫外接收靈敏度的性能測試，開展紫外接收靈敏度測試設備設計研究，有利于及時有效診斷產品完好狀態、及時故障排除，恢復產品正常工作狀態，提高產品的使用可靠性，具有重要意義。

1 設計需求

研制一臺紫外接收靈敏度測試設備，模擬空中威脅環境下，飛機對于紫外信號的告警性能測試。

2 設計方案

2.1 總體設計

紫外告警靈敏度測試設備主要由1個光學平臺、紫外平行光管1 臺、紫外控制器1 臺、紫外輻射計1 臺。紫外接收機紫外告警靈敏度的測試通過光學測試平臺與測試系統主機柜結合實現。光學平臺上裝有三維轉臺，通過三維轉臺可以調整紫外接收機方位角、俯仰角，并通過紫外控制器來控制紫外平行光管輸出告警能量，由紫外輻射計標定能量后進行紫外告警模擬測試。測試連接框圖，如圖1 所示。

圖1 紫外接收機告警靈敏度測試連接框圖

2.2 硬件設計

（1）光學平臺。光學平臺是光學裝調和測試的安裝平臺，設計選用精密阻尼隔振光學平臺，基礎支撐采用符合材料固體阻尼隔振，結構穩固可靠，適用于環境良好的實驗場所。尺寸為1500mm×1000mm×800mm，最大振幅2um、固有頻率2Hz、平面度平臺。

（2）紫外平行光管。紫外平行光管是內場紫外測試的重要組成，也是光學度量儀器的重要組成部分。利用紫外平行光管產生的平行光束，可以模擬無窮遠的目標，供被測設備測試以及輻射靈敏度測試。

（3）紫外控制器。紫外控制器的主要功能為產生并輸出控制信號，控制紫外平行光管按照能夠模擬導彈逼近時尾煙輻射特性出光。控制器由1 臺主機、1 根電源電纜和1 根控制電纜組成。主機是控制器實現其功能的主要部分。電源電纜用于連接外部AC220V/50Hz 電源，為主機供電。控制電纜用于連接平行光管，傳輸控制信號，使平行光管出光。接口采用GX16-2P 插頭連接平行光管。控制器主機通過電源電纜連接外部AC220V/50Hz 電源，通過控制電纜連接平行光管。接通電源后，按動一次控制器主機上的觸發按鈕，控制器主機就通過控制電纜輸出一次控制信號給平行光管，使平行光管出光。控制器主機電路部分必須能夠控制控制器主機正常工作，主要有接受觸發、產生指示脈沖、驅動光源、指示狀態和電源轉換等功能，包括主控、控制信號產生、狀態指示和電源轉換四個功能模塊。

主控模塊接受用戶按動啟動按鈕產生的觸發，來控制控制信號產生模塊開始和結束工作，同時控制狀態指示模塊指示相應的狀態。主控模塊采用AT89C 系列的精簡型微控制器為主控芯片AT89C2051，這款微控制器體積較小，性能穩定可靠。

連接電源后，主控模塊首先進行初始化。初始化結束后，用戶才可以進行正常操作。用戶按動觸發按鈕產生的觸發信號，連接于主控芯片的外部中斷輸入端，中斷觸發后及時關閉主控芯片的中斷功能，防止誤觸發。觸發后，主控模塊控制控制信號產生模塊開始工作，同時控制狀態指示模塊指示出“控制信號輸出中”的狀態。工作結束后，主控模塊控制狀態指示模塊指示出“無控制信號輸出”的狀態，同時打開主控芯片的中斷功能，接受下一次觸發，直到電源開關關閉。

控制信號產生模塊受主控模塊控制，采用PWM 脈寬調制技術控制功率MOS 管的通斷來產生控制信號。狀態指示模塊采用帶有反射腔的發光二極管，安裝在機箱外殼上，能夠指示電源和控制信號輸出的狀態。電源轉換模塊采用單路輸出開關電源模塊EPS-45S-12，將交流電源（AC220/50Hz）轉換為12V 直流電源，之后再由兩個三端穩壓芯片LM1084 和LM1117，將12V 直流電源分別轉換為5.3 ～10.5V 可調直流電源和5V 直流電源，為主控、控制信號產生和狀態指示3個模塊供電。

（4）紫外輻射計。ZWFSJ-Ⅰ日盲紫外輻射計（以下簡稱“紫外輻射計”）可以對各型紫外輻射模擬源和紫外平行光管的輻射照度進行測量標定。紫外輻射計主要由光學探頭及電纜組成，其中光學探頭包含光電轉換系統和測量控制系統。輻射計組成框圖如圖2 所示。

圖2 輻射計組成框圖

光電轉換系統對入射光進行濾光后，將光信號轉換為脈沖電信號傳遞給測量控制系統。測量控制系統負責對電信號進行處理和計算，得出相應的能量值，隨后上傳至顯示設備進行顯示。同時，測量控制系統可對測量過程進行控制，能夠調節脈沖計數周期等。電纜負責輻射計供電及其與顯示設備之間的通訊。

①光學設計。輻射計的工作波長范圍為250 ～280nm，屬日盲紫外波段，與現有各型號紫外輻射模擬設備的工作波段一致。考慮到被測量的紫外輻射很微弱，入射光功率極低，光電探測器上的光電子脈沖呈現出不連續的隨機分布，形成了輻射的離散入射方式，因此采用高增益、低噪聲、高靈敏度的單光子計數檢測方式，選用光子計數探頭作為探測器，這是一種采用單光子計數技術的光電倍增管模塊。

同時，由于探測器在設計波段外存在響應，即使有少量光入射也會引起極大誤差。為避免其他波段的入射光產生干擾，光電倍增管前采用吸收式深截止窄帶濾光器，深度抑制長波輻射，且在日盲區保持較高透射率。系統原理圖見圖3。

圖3 光電轉換系統原理圖

輻射計選用日本濱松的H8259 型光子計數探頭作為探測器。選用藍臣的SBF-3A 型日盲濾光器，與紫外告警設備所用濾光器廠家相同，性能統一，可以保證輻射計所探測的入射光與紫外告警設備接收的信號在波段范圍、入射能量上一致。由于濾光器不易清潔，且其性能在很大程度上影響輻射計的探測能力，故考慮在最外層增加保護玻璃，采用JGS1 石英玻璃，在短波紫外區有良好透過率。

②電路設計。測量控制系統由信號處理電路、計數器模塊和數據處理模塊組成，由一塊印制板完成。脈沖信號首先進入信號處理電路，整形后由計數器模塊采集，并按照數據處理模塊下發的控制要求進行計數，隨后將計數結果返回數據處理模塊進行計算，最后輻照度值上傳至顯示設備完成顯示。脈沖的采集計數由CPLD 實現，數據處理模塊采用基于ARM7 的微控制器。測量控制系統原理圖見圖4。

圖4 測量控制系統原理圖

信號處理電路主要用于對輸入信號的整形與濾波，去除信號中的噪聲和雜波，平滑波形，便于后續計數器模塊的統計計數。

計數器模塊由觸發器、計數器、鎖存器、讀數器及相關的門電路組成，主要完成單位時間內對光電子脈沖的計數功能，并接收上級控制命令來調整光電子脈沖的計數時間，當計數時間到達時產生中斷信號觸發上級ARM 處理器中斷程序讀取計數值。計數器模塊采用美國Altera 公司的EPM7256AE-TI144-7 可編程器件進行設計，EPM7256AETI144-7 是基于第二代多陣列MatriX 構架的高性能3.3 伏E2PROM 的可編程邏輯器件，是具有5000可用門的高密度PLD，管腳到管腳延遲7ns，計數頻率可高達140MHz，滿足高頻脈沖頻率計數的要求。

ARM 處理器采用PHILIPS 公司的LPC2148，LPC2148是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16 位ARM7TDMI-S CPU。128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。

LPC2148 擁有兩個標準的硬件I2C 接口，最高可支持400kb/s 總線速率（高速I2C），擁有多達47個通用I/O 接口，可分別控制其輸入與輸出屬性。輻射計中I2C 接口用于控制外接的串行E2PROM 來存儲設備校準數據，I/O 接口可用于使能控制并作為數據位采集數值。輻射計中用到了多種元器件，且各自的工作電壓并不相同，故采用多個電壓轉換模塊組合的方式滿足供電要求。此外，光電倍增管對輸入電壓的穩定性也有一定的要求，當輸入電壓產生的脈沖噪聲過大時，可能會引起光電倍增管模塊故障或工作異常，只有當輸入電壓在樣本標明的范圍內變化時，光電倍增管上所施加的電壓才可以保持穩定。因此在電壓轉換前加入濾波器，以提供穩定的電壓。供電模塊原理示意圖見圖5。

圖5 供電模塊原理示意圖

③結構設計。結構設計上，為方便日常測量使用，輻射計優先采用輕量設計。同時考慮到光子計數探頭對入射光過于敏感，光學部分還需著重進行密封設計。輻射計主體采用航空鋁材2A12 機械加工制作而成，整體設計依據標準化要求進行，具有較強的互換性和工藝加工性能。航空鋁材2A12 機械性能良好，且具備優良的力學性能，常用來制造高負載零件，同時其工作溫度可達到150℃以下，充分滿足環境適應性要求。輻射計殼體多處采用鏤空減重設計，既保證整體的結構和密封性能要求，又兼顧到整機的輕量化需求。

密封設計方面，輻射計采用多種手段協同配合，大大降低了雜散光對探測結果的影響。首先，光學鏡筒利用60°細牙螺紋進行密封，鏡筒與光子計數探頭的連接處增設1mm 柔性橡膠，

主機前面板采用凹陷式設計，使光子計數探頭沉于前面板中，進一步降低噪聲的輸入。另外，在前面板的外部用壓圈對光學鏡筒進行固定，輻射計各面板之間連接采用企口式設計，既保證了殼體整體的密封性，又保證了箱體的有效接地。

3 結語

本檢測平臺能夠滿足某型飛機紫外接收機紫外靈敏度的性能測試，以此形成產品的測試能力和故障排查能力，保證飛機紫外接收機的修理質量，提升工廠飛機修理產量和經濟效益。