李豪杰

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安 710032)

目前，光幕靶靶面已達到3 m×3 m，但可以投入實際應(yīng)用的只有2 m×2 m，隨著武器測試技術(shù)的發(fā)展要求，對測試靶面的大小和性能提出了更高的要求，軍方甚至提出了3 m×3 m～10 m×10 m靶面的要求，為此，有必要進行更大靶面的光幕性能進行分析［1－2］。

1 原理

文中的研究對象是發(fā)光二極管組成的線光源，研究的主要內(nèi)容是該線光源所形成光幕的光能分布以及該光幕的探測靈敏度［3－5］。該光幕靶的模型如圖1所示。

該光幕靶模型的左側(cè)為發(fā)光二極管組成的線光源，右側(cè)為光電接收單元，發(fā)光二極管陣列前有一個狹縫光闌，其作用是限制在垂直光幕面方向上的雜散光，當(dāng)有目標穿過光幕時，引起光電接收單元上光通量的變化，經(jīng)后續(xù)信號調(diào)理電路放大這個微弱信號，最終輸出一個脈沖［6－7］。

圖1 光幕靶模型

表征發(fā)光二極管的參數(shù)主要有:法線方向上的光強、發(fā)射角、發(fā)光強度的角分布等，考慮到光幕面光能量是多個發(fā)光二極管光能疊加的結(jié)果，每個發(fā)光二極管對整個光幕的能量貢獻僅占百分之幾，為簡化分析，建立模型假設(shè)每個發(fā)光二極管的發(fā)射角θ為常數(shù)，且在不同角度的光強分布均勻，發(fā)光二極管的排列間距為d［8］。

2 光能分布

設(shè)單個發(fā)光二極管法線方向上的光強為I0，在距離 x處的光強 I為［9］

其中，k為比例系數(shù)。

單個發(fā)光二極管的發(fā)光模型如圖2所示，在距離為x處的光照區(qū)域為m，由幾何關(guān)系可以得出

圖2 單個發(fā)光二極管發(fā)光模型

由于每個發(fā)光二極管的發(fā)光情況獨立，因此整個光幕面的發(fā)光能量情況是各發(fā)光二極管能量代數(shù)和的疊加［10－14］。

圖3 光能分布示意圖

根據(jù)圖1所示的光幕靶模型，可將整個有效探測靶面的光幕靶能量分布分成如圖3所示的3個區(qū)域。對于1#區(qū)域，由于收到光源發(fā)散角的限制，不可避免的存在測量盲區(qū)，當(dāng)目標正好從該測量盲區(qū)通過時，我們就不能檢測到目標的過靶信息。對于2#區(qū)域，由于既不存在測量盲區(qū)又能量損失過大的問題，因此比較適合作為探測區(qū)域。因為每個發(fā)光二極管都以間距d均勻排列，所以每個發(fā)光二極管的照射區(qū)域都以間距均勻疊加，則2#區(qū)域的光強。對于3#區(qū)域，由于光能量在空氣介質(zhì)傳播過程中存在散射、吸收等能量損失，故而目標通過該區(qū)域時由于目標過靶時引起的能量變化過小，淹沒在噪聲中，不能被提取出來，因此該區(qū)域不適合作為探測區(qū)域。

把式(1)和式(2)代入式(3)，可得

3 光幕性能

在光幕靶測量系統(tǒng)中，狹縫是形成光幕的必要條件，狹縫的寬度決定了光幕的寬度并且影響探測器件接收光能的多少，因此整個探測系統(tǒng)中狹縫光闌起到了重要作用。受到探測器接收角度的影響，一般設(shè)計狹縫的寬度與探測器件的感光面寬度一致即可。光幕的厚度L和運動目標的長度l，必然存在3種關(guān)系，光幕厚度大于、小于或者等于運動目標的長度，如圖4所示。在這3種情況下光幕靶的探測靈敏度和捕獲率不同，需要具體分析［15－17］。

圖4 光幕厚度與運動目標長度關(guān)系

光幕靶的工作原理是當(dāng)彈丸通過光幕時，對光路進行遮擋，進而光電轉(zhuǎn)換器件上的光能量將發(fā)生變化，引起光電轉(zhuǎn)換器件上的電流發(fā)生變化。由此可知光幕靶的靈敏度是指能探測到的最小光通量變化，它可表示為

其中，δ為光幕靶的靈敏度;φmin為能探測到的最小光通量變化;φ為光電轉(zhuǎn)換器件敏感面接收到的總能量。從光幕靶的靈敏度的定義可以看出，在信號放大調(diào)理電路確定的情況下，光幕靶的靈敏度與被遮擋的最小光能量有關(guān)，它是一個常量，如果光電器件接收到的總的光能量越多，它所占的比重越小，靈敏度就越高，捕獲率也相應(yīng)提高［18－19］。

假設(shè)目標在與光幕垂直平面上投影寬度為h，如果φmin為系統(tǒng)有信號輸出的最小光通量，對應(yīng)的探測距離為x'，那么在光幕厚度與運動目標長度3種關(guān)系下的最小變化光通量φmin為

從式(4)可以看出，在光幕能量均勻的情況下，當(dāng)光幕厚度小于等于目標長度時，φmin與目標的投影面積相關(guān);當(dāng)光幕厚度大于目標長度時，φmin與目標的投影寬度和幕厚有關(guān)。

在光幕靶探測系統(tǒng)中，根據(jù)目標穿越光幕的過程，目標在探測器件上產(chǎn)生的目標信號值可以表示為

其中，A為光電器件的平均響應(yīng)度;Δk為光電探測器的邊長;v為目標的飛行速度。

背景噪聲產(chǎn)生的信號值IB可表示為

其中，I1為背景噪聲值;有I1=AE0(Δk)2t;(Δk)2為光電探測器的感光面積;t為目標作用于光幕的時間;A為光電器件的平均響應(yīng)度;I2為光電器件的暗電流。

為能夠檢測出目標信息，目標信號與背景噪聲必須滿足一定的條件

其中，Imin為光電器件所能表示的最低信號值;Imax為光電器件飽和輸出的信號值。

假設(shè)目標穿越光幕時遮擋的光通量Δφ所引起的光電轉(zhuǎn)換輸出的信號幅值為V，有

其中，β為放大倍數(shù);κ為光電探測器的靈敏度;R為電流電壓轉(zhuǎn)換的等效電阻。從式(10)可以看出，探測電路輸出的信號幅值與目標所遮擋的光通量Δφ成正比，目標所遮擋的光通量Δφ又與目標穿越光幕的區(qū)間有關(guān)。

4 實驗分析

探測電路如圖5所示，為了提高光電轉(zhuǎn)換效率D1采用PIN。

圖5 光電探測電路

光電二極管陣列，Rf為反饋電阻，完成電流/電壓轉(zhuǎn)換，Cf可以抑制白噪聲;C3、C4、C5和 R2組成一個低通濾波電路，抑制高頻干擾;R2、R4和R8可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，進而控制目標信號輸出值的大小。通過示波器采集到的目標過靶信號，如圖6所示。

圖6 目標過靶信號

由圖6可以看出，該探測電路可以準確地檢測到目標。

5 結(jié)束語

從單個發(fā)光二極管出發(fā)，建立了整個光幕區(qū)域的光能分布模型;通過分析光幕厚度與目標長度的3種關(guān)系得出不同情況下的最小光通量;通過分析不同因素對目標信號幅值的影響得出探測電路輸出信號幅值的理論計算公式。為設(shè)計更大靶面的光幕靶提供了理論依據(jù)。

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