雷 挺，賀 偉

(西安郵電大學(xué)研究生院通信與信息工程學(xué)院，陜西西安710061)

1 引言

紅外輻射探測器是彈藥、武器系統(tǒng)測試時接收發(fā)射炸點(diǎn)輻射的計時零點(diǎn)輸出裝置。隨著國防工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各型口徑的彈藥及武器系統(tǒng)層出不窮，使用要求也不斷變化，對彈藥及武器系統(tǒng)列裝前的靶場測試過程也提出了更高的要求。如何更加及時有效地檢測炸點(diǎn)信息或由此精確測量彈藥的飛行時間或調(diào)整、控制彈藥的成分，更加有效地提升彈藥的品質(zhì)就成為研究各彈藥及引爆系統(tǒng)的重要課題。

傳統(tǒng)紅外輻射探測裝置的調(diào)理電路由場效應(yīng)管和高阻抗運(yùn)放組成，探測靈敏度較低、輸出不穩(wěn)定且場效應(yīng)管極易損壞，后續(xù)附帶設(shè)備較多且使用不方便。本文在借鑒已有檢測設(shè)備的諸多優(yōu)點(diǎn)后，提出了一種差分信號輸出的具有遠(yuǎn)觸發(fā)距離、遠(yuǎn)傳輸距離、小延遲誤差特點(diǎn)的便攜式炮口焰探測裝置。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

根據(jù)設(shè)備使用要求:

(1)視場角:±3°;

(2)觸發(fā)距離:130 mm，≤300 m;

(3)觸發(fā)信號輸出線長度:≥200 m屏蔽線;

(4)工作溫度:－40～50℃;

(5)工作環(huán)境:室外任意地形。

據(jù)此，設(shè)計檢測裝置由光學(xué)系統(tǒng)、探測器件、調(diào)理電路和輔助器件組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Systematic diagram

2.1 探測器件

彈藥出膛及爆炸物爆炸后釋放出大量的光和熱，不同的彈藥產(chǎn)生不同的火焰溫度，對應(yīng)不同的火焰光譜強(qiáng)度，光譜主要集中在可見光和近紅外區(qū)域。為了避免可見光區(qū)域背景光干擾強(qiáng)烈的缺點(diǎn)，選擇位于大氣窗口的1～3 μm波長探測器件較為適合。

PbS紅外探測器作為1～3 μm大氣窗口的探測設(shè)備，在紅外跟蹤、紅外制導(dǎo)、非接觸測溫、火焰探測、光電開關(guān)等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［1］。隨著生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，溫度、振動、沖擊等影響因素也得到了較好的解決。實(shí)際中采用帶濾光片的MG9306型PbS探測器，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 MG9306型PbS探測器技術(shù)指標(biāo)Tab.1 MG9306 type PbS detector technology indicators

2.2 光學(xué)系統(tǒng)［2］

彈藥及爆炸物爆炸時伴隨有大量的熱和沖擊波，為了保護(hù)人員及測試設(shè)備的安全都必須遠(yuǎn)離爆點(diǎn)，但距離越遠(yuǎn)接收到的有用信號就越弱且背景環(huán)境的干擾也就越強(qiáng)［3］。為此，摒棄傳統(tǒng)大視場角光學(xué)系統(tǒng)測量的方法，利用凸透鏡成像規(guī)律，提出帶有瞄準(zhǔn)具的±3°小視場光學(xué)系統(tǒng)［4］的方法。

根據(jù)公式:

其中，f為焦距;u為物距;v為像距;nL為透鏡材料折射率;r1為凸透鏡物方球面的曲率半徑;r2為凸透鏡像方球面的曲率半徑，選取凸透鏡作為光學(xué)鏡頭。

PbS紅外探測器的探測窗口與透鏡的圓心處于同一基準(zhǔn)線上且垂直于基準(zhǔn)線并平行放置，相距f，由于u遠(yuǎn)大于f，像距落在1～2 f之間，由于所用探測器的圓面半徑為，且小視場角為 ±3°，由相對折射率公式:

其中，θ1為介質(zhì)1的入射角;θ2為介質(zhì)2的折射角;n1為介質(zhì)1的折射率;n2為介質(zhì)2的折射率。

圖2 凸透鏡成像規(guī)律圖Fig.2 Figure convex imaging laws

因此，探測器在加與未加光學(xué)系統(tǒng)時，光敏面接收到的光功率發(fā)生變化，產(chǎn)生光增益［5］:

其中，τ為光學(xué)系統(tǒng)透射率;A為光學(xué)系統(tǒng)入瞳面積;Ad為探測器光敏面面積。該光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)透射率0.92，光學(xué)系統(tǒng)入瞳面積4213.88 mm2，探測器光敏面面積36 mm2，光增益為107.68。

2.3 基本調(diào)理電路

PbS紅外探測器為光導(dǎo)型傳感器，當(dāng)接收到外界紅外輻射時其阻值下降，外界輻射消失后阻值恢復(fù)。因此，將PbS紅外探測器看做一個可變電阻并串聯(lián)恒流偏置電路，將外界輻射信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。但實(shí)際中，PbS紅外探測器接收到的輻射信號是比較微弱的且為反向輸出，因此，將已轉(zhuǎn)化好的電壓信號再經(jīng)過反向放大、電壓比較，成為一定幅值的脈沖信號后再輸出，電路圖如圖3所示。

圖3 基本調(diào)理電路Fig.3 Basic conditioning circuit

其中，LM 2902用作反相放大并將電壓基準(zhǔn)上提，設(shè)計為單極性運(yùn)算放大電路，再通過LM 2903電壓比較器后輸出脈沖信號。

通過調(diào)整放大倍數(shù)和電壓比較器的閾值實(shí)現(xiàn)對該探測器靈敏度的調(diào)節(jié)與控制。

2.4 輔助器件

由于該探測裝置多用于戶外遠(yuǎn)程探測，使用小視場光學(xué)系統(tǒng)，增加測試距離，減小背景光干擾，提高透過率及成像質(zhì)量的同時將輻射能量盡可能多地匯聚在帶有濾光片的PbS紅外探測器的探測窗口上，減少干擾的同時也大大提高了系統(tǒng)的靈敏度。由于探測裝置靈敏度較高，在使用過程中不能抖動。

設(shè)計中，在探測裝置外部加裝瞄準(zhǔn)具，用于瞄準(zhǔn)探測區(qū)域的同時，使用三腳架作為固定裝置，將整個探測裝置與三腳架云臺上的固定板相連，有效去除抖動問題。使用時將帶有固定板的探測裝置裝入云臺，再依次調(diào)整三腳架上的各固定裝置，通過瞄準(zhǔn)具瞄準(zhǔn)探測區(qū)域即可，如圖4所示。

圖4 探測裝置整體工作狀態(tài)圖Fig.4 State diagram of the overall detecting means

3 仿真分析及改進(jìn)

3.1 基本調(diào)理電路仿真分析

光導(dǎo)器件的PbS紅外探測器根據(jù)工作原理，可以將其看做一個可變電阻，它和一個匹配電阻串聯(lián)將接收來的紅外輻射信號轉(zhuǎn)化為電壓信號［6］。

PbS紅外探測器接收到微弱的紅外輻射后，自身電阻會出現(xiàn)微弱的變化，仿真時，使用電壓源串聯(lián)耦合電容并聯(lián)電阻代替。根據(jù)所用PbS探測器的頻率響應(yīng)曲線及輸入測試電路［6］得到的結(jié)果，此處，假定紅外輻射信號引起的電壓源頻率400 Hz、幅值50 mV，并進(jìn)行仿真分析，如圖5所示。

圖5 基本仿真電路及其仿真結(jié)果Fig.5 Basic simulation circuit and the simulation results

實(shí)際中，受到檢測距離及紅外輻射信號強(qiáng)度等諸多因素的影響，PbS紅外探測器會有不同的輸出情況，依次改變等效電路的參數(shù)可以模擬不同的輸出情況。但值得注意的是，只要經(jīng)過調(diào)理電路的輸出電壓大于電壓比較器的閾值電壓，輸出是同幅值的方波信號。

3.2 電路改進(jìn)

至此，檢測裝置功能基本實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際中，炮口焰的紅外輻射信號會隨著火光的閃爍出現(xiàn)跳變［7］，等效于仿真過程中的電壓源頻率、幅值及其并聯(lián)電阻阻值發(fā)生瞬間變化，最終導(dǎo)致基本調(diào)理電路的輸出方波信號時而密集時而松散，對后續(xù)分析及處理造成很大的麻煩。

在基本調(diào)理電路的基礎(chǔ)上，輸出端首先連接高亮LED，再經(jīng)過高精度單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路［8］，最后連接線路收發(fā)器，構(gòu)成系統(tǒng)調(diào)理電路，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)調(diào)理電路圖Fig.6 The system condition circuit

其中，高亮LED主要用于直觀的觀察電路是否有輸出脈沖，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路通過外接電容及電阻從第一個接收來方波的上升沿開始輸出脈寬為tw≈0.7 RC的方波信號，結(jié)束之后再由第二個接收來方波的上升沿產(chǎn)生同樣脈寬的方波信號［7］。線路收發(fā)器再將這部分的輸出以差分信號、RS 422的通信類型輸出，連接單片機(jī)就可以很容易地對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理，且采用差分信號輸出，提高了長距離傳輸脈沖信號的能力［9］。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及系統(tǒng)完善

4.1 實(shí)際測試

由上所述，加工光學(xué)系統(tǒng)和PCB板以及整個檢測裝置的殼體，焊接PCB板所有元件后，依次安裝PbS紅外探測器及光學(xué)系統(tǒng)，并調(diào)整焦距使其剛好落在探測器的探測窗口上。再分別安裝電源接插件、輸出端接插件、高亮LED燈、檢測裝置電源開關(guān)，并全部封裝在檢測裝置的殼體內(nèi)部，如圖7所示。

圖7 探測裝置主體實(shí)物圖Fig.7 Detection device body physical map

室內(nèi)常溫情況下，將示波器連接至檢測裝置正向輸出端，用打火機(jī)代替炮口火焰，通過檢測裝置上的瞄準(zhǔn)具瞄準(zhǔn)虛擬探測點(diǎn)，使用打火機(jī)進(jìn)行單次觸發(fā)或連續(xù)單次觸發(fā)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 打火機(jī)觸發(fā)輸出Fig.8 Lighter trigger output

保持檢測裝置不動，以光學(xué)系統(tǒng)中軸線為準(zhǔn)，在平行于光學(xué)系統(tǒng)的平面內(nèi)任意偏離3°角均可以檢測到，且探測距離為0～8 m。

靶場測試條件為室外強(qiáng)光、30℃情況下，使用105 mm火炮，以炮口焰作為探測目標(biāo)，連接400 m輸出線，分別在距離炮口84 m、300 m處進(jìn)行探測，其結(jié)果如圖9所示，在300 m處時，保持檢測裝置水平視場不變，通過瞄準(zhǔn)具結(jié)合三腳架上的水平羅盤，水平于炮口焰處將檢測裝置分別向左向右轉(zhuǎn)動3°角，均有有效輸出。

由于考慮經(jīng)濟(jì)原因，靶場測試只做了84 m、300 m及其各自±3°視場角實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)室中使用打火機(jī)作為觸發(fā)設(shè)備做了大量測試，同一個打火機(jī)最遠(yuǎn)觸發(fā)距離可達(dá)到(8±0.5)m，但同一觸發(fā)設(shè)備、不同的觸發(fā)距離的輸出方波個數(shù)各異但均有輸出。其關(guān)系如表2所示。

圖9 105 mm火炮84 m、300 m處觸發(fā)輸出Fig.9 105 mm artillery’s trigger output at 84 m，300 m

表2 不同觸發(fā)設(shè)備在不同觸發(fā)距離的輸出Tab.2 The output of different trigger equipment in different trigger distance

4.2 輸出分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬檢測點(diǎn)及真實(shí)檢測點(diǎn)均可以有效觸發(fā)且均滿足設(shè)計指標(biāo)。但由于探測距離或火焰的閃動，致使紅外輻射信號發(fā)生變化，在示波器上反映為出現(xiàn)一個方波信號、兩個方波或更多個方波，但脈寬相同且均為tw≈0.7 RC(本文為8 ms)。由于調(diào)理電路整體原因，正向或反向輸出時基準(zhǔn)電壓1.2 V，后續(xù)處理時只需要相應(yīng)的抬高電壓門限即可。差分輸出時，脈寬相同，基準(zhǔn)電壓為0 V，幅值為 7.8 V。

4.3 系統(tǒng)完善

在調(diào)試過程中，將整個調(diào)理電路的地線與檢測裝置的殼體共地并將整個調(diào)理電路部分噴涂三防漆，整個裝置共地的同時也增加了系統(tǒng)的抗干擾性能。

在室外強(qiáng)光、高溫，檢測裝置長時間暴曬且持續(xù)工作的情況下，由于密閉的檢測裝置殼體內(nèi)溫度急劇升高，致使PbS紅外探測器的阻值、電壓靈敏度、探測度長時間處于最小值處，不能正常工作［10］。使用時，避免長時間暴曬或遮光即可避免該問題發(fā)生。

4.4 功能復(fù)用

至此，達(dá)到并實(shí)現(xiàn)了所需炮口焰紅外觸發(fā)器的所有功能。但顯然該設(shè)備的功能不會如此局限。

由于炮口焰非均勻氣體紅外輻射特性的不同，連接前級放大器的輸出端至示波器，通過不同作用時間、幅值的輸出波形便可準(zhǔn)確地記錄每次紅外輻射持續(xù)的時間，使用積分的方法計算不同輸出波形的面積，結(jié)合紅外成像技術(shù)及以概率論為基礎(chǔ)的等效分子黑體的方法［11］，計算出的輻射通量與輸出波形的面積成正比關(guān)系。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)紅外輻射信號檢測裝置使用場效應(yīng)管加高阻抗運(yùn)放的調(diào)理方式［1］，輸出信號不便于后續(xù)處理且場效應(yīng)管極易損壞。

本文檢測裝置依次通過信號轉(zhuǎn)換、反相放大、電壓比較、高亮LED、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)、線路收發(fā)器，結(jié)合帶有瞄準(zhǔn)具的小視場光學(xué)系統(tǒng)及三腳架。輸出以差分信號、RS422的通信類型輸出，連接單片機(jī)就可以很容易地對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理且具有長距離傳輸輸出信號的能力，同時通過高亮LED的閃爍可直觀地觀察觸發(fā)狀況。檢測裝置靈敏度高、探測精度及抗干擾能力強(qiáng)且輕巧、便于攜帶。不僅適用于炮口焰檢測，經(jīng)過改進(jìn)后，也可適用于槍口焰、彈藥、引爆系統(tǒng)及區(qū)域防火。

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