劉振吉，楚 盛，楊永輝，劉 金，袁小兵

（1.中國(guó)工程物理研究院 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，四川 綿陽621900；2.中山大學(xué) 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510275）

引言

在維和、反恐行動(dòng)中，利用槍擊探測(cè)系統(tǒng)及時(shí)探測(cè)到敵對(duì)分子的槍擊火力點(diǎn)可以避免或減小其危害。當(dāng)前主流的槍擊探測(cè)系統(tǒng)主要基于聲學(xué)探測(cè)、紅外探測(cè)或激光掃描探測(cè)，而這幾類裝備由于其實(shí)現(xiàn)原理及技術(shù)特點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中各自存在著無法克服的先天缺陷：聲學(xué)探測(cè)受制于聲速低于子彈速度，探測(cè)滯后；紅外探測(cè)在白天受日光等環(huán)境的紅外輻射影響大，虛警率高，而且紅外探測(cè)器需要制冷，造成小型化困難；激光探測(cè)是主動(dòng)掃描方式，槍手有可能在被發(fā)現(xiàn)之前已經(jīng)開槍［1］。在12km以下近地空間，大氣臭氧層對(duì)波長(zhǎng)290nm以下的紫外光吸收強(qiáng)烈，使得該波段的太陽紫外輻射難以到達(dá)近地表面，受日光和空氣中背景散射的影響小。紫外譜段中的C譜段為200nm～280nm，UVC 紫外探測(cè)符合“日盲”特點(diǎn)［2－3］。相比槍擊產(chǎn)生的紅外輻射，槍擊產(chǎn)生的紫外光子數(shù)較少，對(duì)紫外探測(cè)傳感器的性能要求高。隨著近些年SiC、AlGaN、MgZnO等紫外探測(cè)器材的研究工作不斷深入，該類器件禁帶寬度大且連續(xù)可調(diào)、導(dǎo)熱性好、功耗和體積大幅度降低［4－6］，研制小型化的槍擊紫外探測(cè)裝置趨向可能。

1 槍擊探測(cè)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

利用放大電路和示波器檢驗(yàn)日盲型紫外光探測(cè)器對(duì)槍擊火焰的探測(cè)性能，若測(cè)得日盲型紫外光探測(cè)器有響應(yīng)，則根據(jù)紫外光探測(cè)器的性能指標(biāo)和紫外光傳輸特性概略計(jì)算出槍擊光譜在日盲段的能量。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及配件

實(shí)驗(yàn)用主要儀器及配件見表1。

表1 主要儀器及配件Table 1 Primary instruments and fittings

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

用7.62mm口徑81式步槍擊發(fā)驗(yàn)證儀器連接是否正常，連接SG01M－C5和放大電路的示波器測(cè)試到槍擊引起的觸發(fā)信號(hào)。設(shè)置示波器FLUKE99B上升沿觸發(fā)（觸發(fā)上升沿為30mv），通過比較發(fā)現(xiàn)縱坐標(biāo)設(shè)置為每格100mv、橫坐標(biāo)設(shè)置為每格200μs時(shí)波形顯示比較清楚。利用SG01M－C5、放大電路和示波器來測(cè)試槍擊光亮度。

在日盲型紫外光探測(cè)器SG01M－C5與槍口距離0.5m、2m、4m、6m處進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試效果較好。在6m處沒有觸發(fā)，0.5m、2m、4m處都有觸發(fā)，其中以2m處效果最好。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，傳感器與槍口距離越遠(yuǎn)測(cè)試效果越差，傳感器與槍口膛線的夾角越小，測(cè)試效果越好。對(duì)紫外光測(cè)量嚴(yán)格意義上是需要設(shè)計(jì)完善的實(shí)驗(yàn)，并要充分分析測(cè)量不確定度［7－8］，本次實(shí)驗(yàn)主要進(jìn)行物理驗(yàn)證，通過分析獲得相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的大體范圍，所以對(duì)測(cè)量結(jié)果不再進(jìn)行不確定度分析。圖1所示為傳感器距離槍口2m處進(jìn)行槍擊探測(cè)時(shí)示波器捕捉的觸發(fā)結(jié)果。

圖1 距離槍口2m處測(cè)試結(jié)果圖Fig.1 Test pattern at interval of 2m away from gunpoint

由圖1中示波器觸發(fā)波形可看出，觸發(fā)的峰值電壓為120mV。信號(hào)放大電路板Multiboard的電流－電壓放大倍數(shù)為106（匹配電阻為1M），日盲型紫外光探測(cè)器SG01M－C5的峰值響應(yīng)率為0.12 AW－1，有效響應(yīng)面積為0.2mm2，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為225nm～287nm。由于SG01M－C5的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍很小，在后續(xù)估算中取峰值響應(yīng)率為波段平均響應(yīng)率。

根據(jù)光輻射亮度E、光通量lm、響應(yīng)率S、響應(yīng)面積A等相關(guān)定義可得公式（1）。

式中：U為響應(yīng)電壓；R為匹配電阻。

由此可得到測(cè)試點(diǎn)峰值亮度

Emax＝（（120×10－3÷106）÷0.12）÷（0.2×10－6）＝5（Wm－2）

根據(jù)點(diǎn)光源在微面源上產(chǎn)生的亮度E與點(diǎn)光源的發(fā)光強(qiáng)度Ei和大氣透射比T成正比，與距離L2成反比［2］，如公式（2）所示。

參考海平面上紫外光不同傳輸距離的大氣透射比T值表，在1km處波長(zhǎng)200nm對(duì)應(yīng)T為0.007，220nm對(duì)應(yīng)T 為0.04，250nm 對(duì)應(yīng)T 為0.22，280nm對(duì)應(yīng)T 為0.45［2］。估算時(shí)取日盲波段T為0.3。

測(cè)試點(diǎn)2m處峰值亮度為5W／m2，如果考慮12.7mm口徑步槍、火炮或火箭等更強(qiáng)的光源亮度至少增大10倍，根據(jù)（2）式，距離槍口1km處亮度為

SA＝ （U／R）／E＝ （100×10－3／106）／0.6×10－4＝0.001 7（AW－1·m2）

要在1km處檢測(cè)到該信號(hào)，放大電路不變且響應(yīng)電壓達(dá)到100mV，則根據(jù)（1）式可得紫外探測(cè)傳感器響應(yīng)率和響應(yīng)面積的乘積：

SA＝ （U／R）／E＝ （100×10－3／106）／0.6×10－4＝0.001 7（AW－1·m2）

影響近地層紫外探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)距離的主要因素：被探測(cè)目標(biāo)紫外輻射特性、紫外光大氣傳輸特性，器件特性等［9］?？紤]到上述一些影響因素，SA至少為0.002AW－1·m2。

2 紫外傳感器技術(shù)指標(biāo)分析

用于槍擊探測(cè)的日盲型紫外探測(cè)傳感器的技術(shù)指標(biāo)不僅包含材料的響應(yīng)率與響應(yīng)面積，還有透光率、響應(yīng)波長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間、入射角、短路電流、暗電流等。下面僅對(duì)幾項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析。

2.1 透光率及響應(yīng)波長(zhǎng)

紫外探測(cè)相對(duì)于紅外探測(cè)等方式的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)就是其日盲特性，能有效保證不受日光、生活熱源等干擾。所以用于槍擊探測(cè)的紫外光傳感器響應(yīng)譜應(yīng)落在UVC譜段200nm～280nm，而對(duì)其它譜段的光具備響應(yīng)弱與透光率較高的特點(diǎn)。

2.2 響應(yīng)時(shí)間

人的反應(yīng)時(shí)間在150ms～400ms之間，經(jīng)過訓(xùn)練的士兵從感知警報(bào)到做出躲避動(dòng)作所需時(shí)間一般平均在300ms左右［10］。根據(jù)光速值299 792 458±1.2m／s，紫外光幾百米距離內(nèi)的傳播時(shí)間可以忽略。步槍子彈飛行速度一般在500m／s～900m／s之間，如果傳感器響應(yīng)時(shí)間（上升至70%峰值）能在50ms內(nèi)，后續(xù)處理電路能在50ms內(nèi)給出告警信號(hào)，對(duì)于距離子彈飛行時(shí)間在0.5s～1s處槍擊，留給人員的躲避時(shí)間為400ms～900ms，應(yīng)能滿足預(yù)警要求。基于紫外探測(cè)技術(shù)的槍擊探測(cè)裝置工作原理見圖2。

圖2 槍擊探測(cè)裝置工作原理Fig.2 Principium of fire detector equipment

2.3 入射角

探測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)360°全方位的紫外光實(shí)時(shí)響應(yīng)，傳感器若在360°范圍內(nèi)均勻布置12個(gè)，則符合響應(yīng)率要求的入射角應(yīng)不小于30°。

3 紫外探測(cè)傳感器研制

3.1 MgZnO薄膜制備

只有得到禁帶寬度適當(dāng)?shù)摹㈦娮杪矢叩腗gZnO薄膜才可能獲得探測(cè)能力高、波長(zhǎng)選擇性強(qiáng)的日盲型紫外傳感器。分子束外延法在許多文獻(xiàn)中都有介紹［11］，實(shí)驗(yàn)室中使用一臺(tái)美國(guó)SVTA分子束外延系統(tǒng)（型號(hào)：35－V－3規(guī)格：背景真空＜8e－11Torr）在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)MgZnO薄膜，主要是抽真空和控制溫度及生長(zhǎng)時(shí)間。

用一臺(tái)島津的紫外－可見光光譜儀對(duì)樣品薄膜進(jìn)行透光性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3中樣品1、樣品2、樣品3分別指生長(zhǎng)溫度為600℃、700℃、750℃的薄膜產(chǎn)品。從圖中可看出樣品透射率的邊緣值在240nm～280nm范圍內(nèi)，達(dá)到了日盲性要求。

圖3 MgZnO薄膜透光率測(cè)試結(jié)果Fig.3 Transmittance test of MgZnO film

3.2 電極的沉積

在日盲型MgZnO薄膜上沉積電極是加工光電探測(cè)傳感器必不可少的步驟，光電導(dǎo)型探測(cè)器常用的電極形式為叉指式電極。在鍍鉻的玻璃板上做出叉指式的明暗圖樣的掩模版后用曝光機(jī)對(duì)MgZnO薄進(jìn)行光刻，然后再進(jìn)行鍍膜，完成電極制作。

3.3 器件封裝

電極沉積后在測(cè)試中仍很難將電極固定在金屬薄膜電極上，只能將樣品放置在一個(gè)PCB板上進(jìn)行連接，如圖4所示。

圖4 傳感器封裝照片F(xiàn)ig.4 Picture of encapsulated sensor

圖4中間部分是一個(gè)MgZnO晶片，大小約1cm＊1cm，由其上可見陣列型的叉指式電極。PCB板外圍為一圈接線點(diǎn)，方便連線。使用超聲絲焊機(jī)將樣品上的電極與這一圈接線點(diǎn)連接起來以完成器件制作。超聲絲焊機(jī)利用超聲波融化金屬而達(dá)到焊接效果，不需要將實(shí)際溫度升至金屬熔化的溫度。

最終狀態(tài)的傳感器封裝工藝還應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)，只提供正負(fù)極引線即可。此外MgO遇到空氣中的水容易水解，需要鍍一層SiO2或Al2O3材料進(jìn)行保護(hù)。

3.4 性能測(cè)試

光響應(yīng)性能用450W的氙燈、單色儀及顯微鏡探針臺(tái)組成的光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行表征，其中單色光的光功率由紫外增強(qiáng)Si功率計(jì)標(biāo)定。

圖5為基于4種MgZnO薄膜樣品制備的4種紫外探測(cè)器的歸一化響應(yīng)譜。

圖5 4種紫外探測(cè)器的歸一化響應(yīng)譜Fig.5 Normalized spectral responses of four kinds of ultraviolet sensors

樣品1的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)為360nm，落在了UV－A紫外波段，其響應(yīng)譜延續(xù)到了深紫外波段。樣品2的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)為288nm，落在了UV－B紫外波段，響應(yīng)截止波長(zhǎng)為305nm，整個(gè)響應(yīng)譜橫跨UV－B和UV－C兩個(gè)波段。樣品3的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)在264nm，落在UV－C日盲波段，響應(yīng)截止邊在280nm，也在日盲區(qū)域，響應(yīng)譜覆蓋了整個(gè)日盲波段。樣品4響應(yīng)峰在235nm，響應(yīng)截止邊在250nm，響應(yīng)譜完全落在日盲波段。樣品3的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)［5］中采用同樣比例的 Mg0.51Zn0.49O測(cè)試數(shù)據(jù)相比，效果相對(duì)更優(yōu)，后者的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)為250nm，截至邊在273nm處。

在10V偏壓下，上述4種傳感器樣品的響應(yīng)率測(cè)試結(jié)果詳見表2。

表2 4種紫外光傳感器響應(yīng)率測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Responsivity data of four kinds of UV sensors

通過上述測(cè)試結(jié)果，可看出樣品3從日盲特性和對(duì)紫外光的響應(yīng)率2個(gè)方面綜合來看是接近理想的日盲型紫外探測(cè)傳感器材料。對(duì)其響應(yīng)時(shí)間特性進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，圖中儀器顯示部分為拍攝的示波器屏幕照片，坐標(biāo)中的數(shù)據(jù)曲線為根據(jù)示波器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的響應(yīng)電壓隨時(shí)間變化的對(duì)比度擬和結(jié)果（峰值響應(yīng)電壓歸一化后以100表示）。由圖6可看出上升時(shí)間很陡，不足250μS，明顯滿足用于槍擊探測(cè)的日盲型紫外探測(cè)傳感器的響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)（響應(yīng)電壓上升至70%峰值電壓在50ms），反而是電壓消去時(shí)間較長(zhǎng)。

圖6 紫外探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間特性Fig.6 Response time speciality of UV sensor

4 結(jié)論

針對(duì)反狙擊技術(shù)發(fā)展的需求，通過實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn)，用標(biāo)準(zhǔn)日盲型紫外探測(cè)傳感器探測(cè)到了槍擊紫外輻射。利用紫外光傳輸理論對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，估算出了槍擊紫外輻射能量的范圍。結(jié)合提出的用于槍擊探測(cè)的概略型探測(cè)原型裝置，提出了用于探測(cè)槍擊火焰的紫外光傳感器的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。用分子束外延法制備了一種MgZnO紫外探測(cè)傳感器，對(duì)其透光率、響應(yīng)率和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了測(cè)量，其日盲特性和響應(yīng)時(shí)間滿足槍擊探測(cè)要求。響應(yīng)率雖然達(dá)到了0.21AW－1，但是離實(shí)現(xiàn)槍擊探測(cè)的工程需求尚有一定差距。如何進(jìn)一步提高M(jìn)gZnO材料對(duì)日盲段紫外光的響應(yīng)率和準(zhǔn)確測(cè)得各類槍擊火焰的紫外光譜，是下一步研究槍擊探測(cè)等反狙擊裝備的基礎(chǔ)。

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