鄧麗華，葉 彪，劉國祥，孫福強，劉 宇

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展,鳥撞試驗越來越受到航空部門的重視。在鳥撞試驗中,鳥彈的速度是研究部件抗鳥撞特性的關(guān)鍵指標,試驗中必須準確可靠地測量出鳥彈的速度。

以前在飛機部件鳥撞試驗中，曾經(jīng)使用多組線激光束來測量計算鳥彈速度，但其存在可靠性差、容易誤觸發(fā)等缺點，常常引起錯誤的速度測量結(jié)果。

目前流行的速度測量區(qū)截裝置因被測物、環(huán)境等的差別有天幕靶、線圈靶、網(wǎng)靶和金屬泊靶等普通通、斷靶，且各有特點。激光光幕區(qū)截測量速度的方法因其高可靠度、非接觸測量、精度高、響應(yīng)速度快等特點在鳥撞試驗中獨具優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

大面積激光光幕速度測試系統(tǒng)（如圖1所示）采用半導(dǎo)體激光發(fā)生器為光源，用菲涅耳透鏡形成平行激光幕單元，通過多個平行激光幕單元的無縫拼接形成大面積靶面,根據(jù)實際所需要的光幕靶面的大小選擇平行光幕單元模塊的個數(shù)。光幕靶的另一邊選用大面積PIN光敏二極管作為光電檢測器件，以確保在實現(xiàn)大面積光幕區(qū)的同時，平行激光的全部接收。當(dāng)高速飛行物體穿越激光光幕時，光通量的變化通過信號處理電路被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⒉杉接嬎銠C進行波形顯示及數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)由啟動光幕和停止光幕兩套相同的激光光幕靶構(gòu)成一套區(qū)截裝置。當(dāng)高速飛行物體穿越啟動光幕靶時產(chǎn)生一個測速的啟動信號，穿越停止光幕靶時產(chǎn)生一個測速的停止信號。啟動光幕和停止光幕之間預(yù)設(shè)一個靶距，根據(jù)區(qū)截測速原理可以實現(xiàn)彈丸過靶速度的測試。

2 大面積平行光幕的形成

菲涅爾透鏡 (Fresnel lens)是一種精密的光學(xué)系統(tǒng)，它是根據(jù)對接收靈敏度和接收角度的要求設(shè)計制造的，通常由聚乙烯材料注塑成薄紋片，再刻上精細的鏡面和紋理。其技術(shù)精度要求甚高，優(yōu)質(zhì)透鏡必須紋理清晰、表面光潔、厚度在0.65 mm左右。紅外光的透過率應(yīng)大于65%。與傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃透鏡相比，菲涅爾透鏡具有重量輕，材料來源豐富，成本低，制作方便，口徑大，厚度薄等特點。菲涅爾透鏡在成像上有一個突出的優(yōu)點——有非球面透鏡的作用，可以消除球差。菲涅耳透鏡是一塊其中一面刻有一系列同心棱形槽的輕薄光學(xué)塑料片，其每個環(huán)帶都相當(dāng)于一個獨立的折射面，這些棱形環(huán)帶都能使入射光線會聚到一個共同的焦點。在平行光垂直入射的情況下，在其焦面上能得到一個無像差的會聚點。根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇長焦距消球差的柱面菲涅耳透鏡(見圖2)。

平行光幕是利用經(jīng)準直擴束后的“一”字線半導(dǎo)體激光器作為光源，經(jīng)菲涅耳透鏡形成平行光幕單元，然后由若干個平行光幕單元模塊無縫拼接形成大面積光幕靶面。該光幕具有良好的平行性。大面積平行光幕靶的原理如圖3所示。

圖1 大面積激光光幕速度測試系統(tǒng)

圖2 菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)光路圖

圖3 大面積平行光幕

3 高速飛行物速度計算

用兩套相同的激光光幕靶可構(gòu)成一套區(qū)截裝置。

當(dāng)鳥彈穿過激光光幕時，進入光電檢測器的光通量將發(fā)生變化，由光電檢測器將變化的光信號轉(zhuǎn)化為電信號。經(jīng)觸發(fā)整形成為具有一定脈沖寬度的觸發(fā)計時信號。以ti時刻的鳥彈通過啟動靶的信號為起始信號，以ti′時刻鳥彈通過停止靶的信號為結(jié)束信號，得到鳥彈通過兩靶間距離Δx上所消耗的時間為Δti=ti′-ti，同時已知靶距為Δx，，因此可以根據(jù)V=Δx/Δti，計算出被測運動物體通過該段距離的平均速度。激光測速靶系統(tǒng)工作框圖如圖4所示。

該激光光幕測速系統(tǒng)的測速軟件為R3030測時儀（如圖5所示）。R3030測時儀是新一代的武器試驗專用智能測時/測速儀器，它主要負責(zé)對各信號進行采集及對數(shù)據(jù)進行分析處理。該系列儀器可以在使用很長的測試線路和電磁干擾信號較強的情況下準確可靠地工作。信號的輸入端接光幕靶OC門電路輸出，如圖6白線所示。

圖4 激光測速靶系統(tǒng)工作框圖

4 光幕靶的靈敏度分析

在光幕靶的實際使用中，往往會發(fā)生誤觸發(fā)的情況。如蚊蟲干擾，是指在室外使用光幕靶時,由于蚊蟲等低速物體穿過光幕靶的靶面時引起的誤觸發(fā)現(xiàn)象。光幕靶的有效視場越大,這種干擾出現(xiàn)的幾率也就越高,有時甚至使得測試無法進行,給測試工作帶來了很大的不便。為了提高該測速系統(tǒng)的抗干擾能力，可根據(jù)被測物的大小選擇靈敏度（如圖6所示）。

圖5 R3030測時儀

圖6 光幕靶接收端的控制面板

光幕靶信號處理電路的工作原理如下:當(dāng)鳥彈穿過光幕靶時,光電傳感器響應(yīng)光通量的變化,信號處理電路將這個變化信號經(jīng)過交流放大后進入電壓比較器,當(dāng)幅值高于預(yù)定設(shè)置的比較電壓時,比較器就翻轉(zhuǎn),產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。因此,無論什么因素,只要能使光幕靶的光通量產(chǎn)生足夠大的變化,測試系統(tǒng)就會有相應(yīng)的輸出。根據(jù)彈形不同,可分別采用彈底觸發(fā)和彈尖觸發(fā)。脈沖信號的前沿為彈尖觸發(fā)時刻,脈沖信號的后沿為彈底觸發(fā)時刻。該光幕靶的靈敏度是根據(jù)光通量變化的大小來分辨的。靈敏度調(diào)的越低，使光幕靶觸發(fā)所需的光通量變化就要越大。飛行小物體（如蚊蟲）穿過激光光幕時，由于其擋光面積小，產(chǎn)生的光通量的變化也小，當(dāng)靈敏度調(diào)節(jié)到低檔時，小物體穿過激光光幕時所產(chǎn)生的光通量不足以將光幕靶觸發(fā)。所以在鳥撞試驗測速中，靈敏度應(yīng)該盡可能調(diào)到低檔，以防止由于蚊蟲、微塵所引起的誤觸發(fā)。靈敏度與被測物要求關(guān)系見表1。

表1 靈敏度與被測物要求

5 試驗驗證

試驗證明光幕靶的靈敏度調(diào)到低檔時，小物體穿過激光光幕時不會引起誤觸發(fā)，極大提高了試驗的可靠性。

試驗時，設(shè)置好R3030測時儀的各項參數(shù)，如靶距、通道等，準備計時。當(dāng)彈丸穿過啟動靶時，計時開始；當(dāng)彈丸穿過停止靶時，計時結(jié)束。顯示器顯示整個測速過程的時間（如圖7）所示。為了驗證計時儀的準確性，用瞬態(tài)波形記錄儀采集到鳥彈穿越啟動靶與停止靶的波形，如圖8所示。采集到的波形經(jīng)放大，可精確地顯示出鳥彈穿過靶區(qū)的脈沖波形，穿過啟動靶時的脈沖波形如圖9所示，穿過停止靶的脈沖波形如圖10所示。根據(jù)兩波形下降沿的時間間隔，可以讀出整個測速過程的時間。

圖7 計時儀采集到的時間

圖8 彈丸穿過兩靶區(qū)的波形

圖9 彈丸穿過啟動靶的脈沖波形

圖10 彈丸穿過停止靶的脈沖波形

為驗證測速誤差，我們通過10次試驗比較了兩套設(shè)備的所測時間，驗證了時間的準確性，試驗中計時儀與瞬態(tài)記錄儀所測時間對比見表2。試驗證明，用瞬態(tài)波形記錄儀采集到的時間和計時儀采集到的時間誤差≤0.2‰。

表2 試驗中計時儀與瞬態(tài)記錄儀所測時間對比

6 結(jié)論

試驗證明該激光光幕測速系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、精度高、工作可靠、光幕區(qū)面積大、靈敏度高、非接觸等特點。為飛機鳥撞試驗提供了一種更可靠更先進的鳥彈速度測試方法。

[1]鄧均.大面積平行光幕著點系統(tǒng).光電工程,2010,3.

[2]康建毅.激光測量子彈速度研究,激光與紅外,2002,2.