红外光幕靶信号采集与调理电路设计

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在兵器研制、生产以及射表编制中，需要经常测试弹丸的速度，传统方法主要有区截装置和多普勒雷达2种，区截测速法由于安装简便、仪器设备成本低等优点，已得到普遍应用。光幕靶是一种以光电转换技术为基础的弹丸速度测量区截装置，采用人工光源，因此操作简便稳定性好，灵敏度和测试精度较高。这里提出一种新型红外光幕靶光电探测系统与信号调理电路设计，采用红外发光二极管作为发光光源，通过光电二极管阵列进行接收信号，将该信号处理后再接到测试仪器上，从而得到弹丸过靶速度。1 发光系统    设计中采用红外发光二极管阵列发射红外光，形成光幕，相邻的发光二极管的直径为5 mm，则紧密排列后其中心间距为5 mm。根据红外发光二极管的压降，工作电流，额定电压等，设计出能使发光管发光强度满足要求，并能稳定工作的电路。

    以往的光幕靶大多采用恒压源的设计方法，但是由于影响红外发光二极管发光亮度与稳定性的主要因素是为流经其电流大小，因而采用LM317设计恒流源电路，具体电路图如图1所示。该电路设计采用LM317的标准恒流源电路接法，其输出电流Iout为：   

2 光电转换电路    利用红外光敏二极管作为光电转换器件完成光信号到电信号转换。这种器件具有响应速度快、体积小等优点，广泛应用于光电检测。该电路设计采用由50只光敏二极管连接起来组成阵列，如图2所示，图2只给出其中2路，其余各路连接方法相同。其中，电阻R1、R2为取样电阻，阻值可稍大一些，有利于增加电路灵敏度以提高整个测试系统的灵敏度；电容C5、C6主要用于交流耦合。

3 放大电路    在测试系统中，当弹丸穿过靶面时，由由光敏二极管输出的电信号比较微弱，如果此输出信号直接输出到后续电路往往会被噪声淹没，因此要有效利用该输出信号，必须对其进行放大。放大电路的作用就是放大光敏二极管输出的微弱电信号，使之满足后续处理电路的需要。电路需放大1 000倍左右，以往的光幕靶设计采用两级放大(图3)，由于放大倍数过高，导致两级放大噪声和温漂等比较严重，因而该设计采用三级放大电路，如4图所示。其中每一级放大10倍，由于是阻容耦合，因而放大l 000倍左右。其中每一级后连接有低通滤波电路。该电路设计为低于50 kHz的信号才可通过。
                          
                       
                          
                               



4 触发电路    在系统中，弹丸穿过靶面时产生的信号将触发后续的计时电路，产生触发计时脉冲的时刻应该不受输入信号幅度的影响。一般枪炮弹丸垂直穿过靶面时，波形前沿变化较缓慢，而波形后沿陡峭，如图5所示。

    弹尖触发方式就是利用弹丸过靶信号的波形前沿触发后续计时电路。这种触发方式由于过靶信号的波形前沿斜率较小，同时不同光幕靶的光幕厚度存在差异，使得弹丸在穿过不同光幕时产生的触发时刻一致性较差，因而造成较大的触发误差；而弹底触发方式则是利用弹丸过靶信号的波形后沿来触发后续计时电路。常规过靶信号处理会采用波形后沿信号二次微分零值点作为触发点。相比较而言，弹底触发方式具有较强的抗干扰能力。适用于一般的弹丸测试。    在触发电路设计时，首先利用电压比较器将弹丸过靶信号变为脉冲信号，电压比较器的门限可以根据实际情况进行调节，然后再利用CPLD器件进行弹尖、弹底选择，当选择弹尖触发时，让经过电压比较器后的脉冲信号直接输入到后续电路中；当选择弹底触发时，经过电压比较器后的脉冲信号，再经滤波电路，最后输出一个固定脉宽的脉冲到后续电路。这里采用电压比较器LM311设计比较电路，将弹丸过靶信号设计变为脉冲信号，其具体电路原理图如图6所示。


                          
                       
                          
                                5 滤波电路    光电靶在工作过程中，当靶面内的光通量发生足够大的变化时，光电传感器就会响应这种变化而产生电信号，也就是说，一些非弹丸物体在穿过靶面时也会使得光幕内光通量发生变化以至光电传感器产生电信号。根据光电靶的工作原理，穿过靶面的飞行物体速度不同，遮挡的时间就不同，在电路中表现为比较器后产生的方波脉冲的宽度不同。   

式中，l为飞行物的长度，d为光幕面的厚度，v为飞行物的速度。    冲击波以声速计算，v为340 m／s，d=3 mm，则可知冲击波穿过光幕产生的方波信号脉冲宽度为：

；若v=330 m／s，则t1≌9．1 μs。蚊虫等飞行物飞行速度v为20 m／s，物体长度l约为10 mm，则可知蚊虫飞过光幕产生的方波信号脉冲宽度

。红外密集度立靶测试系统测试弹丸弹速范围为200～l 200m／s，主要用于5．8、7．62、9 mm 3种弹，冲击波的影响主要产生于对9 mmx19 mm的手枪弹的测量，该弹丸弹速约为320 m／s。根据弹速和弹长，可知弹丸穿过光幕产生的方波信号脉冲宽度

。    根据靶场实际测试情况，弹丸穿过光幕时产生的方波信号脉冲宽范围为150～10μs则认为脉冲宽度为该范围内的信号为无效，则需剔除，此时可将蚊虫干扰信号和冲击波信号滤除，从而达到抗干扰的目的。6 实验结果    在重庆某靶场，厂方对红外密集度光电立靶进行实弹射击验收试验，测试数据如表1所示。

    由表1可看出本系统在实弹测试中数据稳定，没有出现脱靶与数据不合理的情况，达到靶场测试要求。7 结论    通过理论分析和实弹测试，证明了该光电探测系统及信号处理电路已成功地获取了弹丸过靶信号并能触发测时仪，能够得到稳定的弹丸过靶信号，其抗干扰能力较强。适用于各类口径的弹丸测试。