付永升 雷秉山 閆克丁

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021）

槍口火光探測(cè)系統(tǒng)研究?

付永升 雷秉山 閆克丁

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021）

針對(duì)槍口火光探測(cè)系統(tǒng)中存在的探測(cè)靈敏度低及系統(tǒng)信噪比低的主要問題，論文基于PBS探測(cè)器主要研究火光探測(cè)系統(tǒng)中的前端探測(cè)系統(tǒng)。建立了探測(cè)器遇到火光時(shí)的數(shù)學(xué)模型，通過分析探測(cè)器前端的電壓變化量，求得有最大電壓變化時(shí)的最佳匹配電阻，以便提高探測(cè)靈敏度與系統(tǒng)的信噪比。論文根據(jù)選擇的PBS探測(cè)器，經(jīng)過對(duì)12.7mm步槍槍口火光的探測(cè)證明了最佳匹配電阻數(shù)學(xué)模型的正確性。

槍口信號(hào)；槍口觸發(fā)器；靈敏度；SNR PBS探測(cè)器

1 引言

子彈飛離槍口伴隨有大量的火藥氣體沖出形成槍口火焰［1～2］，通過相關(guān)傳感器將這一火光的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)，再經(jīng)過放大、整形、驅(qū)動(dòng)、濾波等處理，將其轉(zhuǎn)換成幅值、脈寬固定的脈沖信號(hào)，這一信號(hào)即為槍口信號(hào)［3］。此信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)處理，輸出給外彈道測(cè)試設(shè)備以便統(tǒng)一外彈道多密集度測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)，為后續(xù)子彈飛行姿態(tài)的計(jì)算與彈丸密度的分布、空間坐標(biāo)等奠定基礎(chǔ)［4］。

常用的槍口信號(hào)產(chǎn)生裝置大多是采用斷靶線［5］。此方法安全性差，且影響彈丸在空中的飛行姿態(tài)。或者是利用槍口磁場(chǎng)分布規(guī)律檢測(cè)槍口信號(hào)，但此方法受到環(huán)境影響比較大，測(cè)量不是很準(zhǔn)確［6］，故在一些特定場(chǎng)合是不適用的。而最新的槍口信號(hào)由槍口的火光信號(hào)產(chǎn)生，但主要存在探測(cè)距離近的問題［7～8］。因此設(shè)計(jì)一種高靈敏度、高信噪比、探測(cè)距離遠(yuǎn)的非接觸式槍口觸發(fā)系統(tǒng)是彈道測(cè)試中必須具備的。

2 PBS探測(cè)器性能與參數(shù)

子彈飛離槍口時(shí)周圍會(huì)產(chǎn)生火焰信號(hào)形成槍口焰，槍口火焰發(fā)出的光大部分屬于紅外的近紅外區(qū)和中紅外區(qū)，其中最小的輻射波長(zhǎng)是0.94μm，最大的輻射波長(zhǎng)由SO2發(fā)射出的是8.69μm。但其中52%的能量在0.94μm～2.5μm之間。所以選擇的光電探測(cè)器所能接受的輻射波長(zhǎng)在0.94μm～3μm之間，能接受60%的火光能量［9～10］。硫化鉛探測(cè)器基本能滿足以上要求。圖1為某型號(hào)PBS紅外探測(cè)器的阻值與其溫度關(guān)系曲線。

圖1 Pbs紅外探測(cè)器阻值與溫度關(guān)系曲線

由圖1可知：PBS探測(cè)器的內(nèi)阻值隨著測(cè)試環(huán)境溫度的增加而下降，內(nèi)阻值呈指數(shù)函數(shù)上升，并且在一般的生活環(huán)境中，內(nèi)阻值在200k～500k之間。

3 火光信號(hào)的提取

火光信號(hào)的提取與放大原理圖如圖2：可知電路運(yùn)行的主要因素在于A點(diǎn)電壓瞬間變化的大小，如果A點(diǎn)電壓太小，輸出的電壓將可能被噪聲信號(hào)淹沒，無(wú)法得到有效信號(hào)。所以設(shè)計(jì)電路盡可能地將A點(diǎn)瞬間變化的電壓值越大越好，以便于噪聲信號(hào)的分離，提高系統(tǒng)的可靠性［11～12］。

影響A點(diǎn)電壓瞬間變化的主要因素是電阻R1的取值，如圖2。

圖2 火光信號(hào)采集電路

假設(shè)：當(dāng)PBS探測(cè)器沒有受到光照時(shí)其內(nèi)阻值為Rn。此時(shí)A點(diǎn)的電壓值為U1。當(dāng)PBS探測(cè)器受到紅外光的照射時(shí)其內(nèi)阻值為Rm。此時(shí)A點(diǎn)的電壓值為U2。

由PBS探測(cè)器性能可知Rn大于Rm。所以U1大于U2，此刻A點(diǎn)的電壓瞬變量為?U=U1-U2。

式中：U為外接電壓值，即為VCC+，單位V。R1，Rn，Rm單位都為歐姆。

當(dāng)外接電源一定，且PBS探測(cè)器接收到的紅外光一定的情況下，要是系統(tǒng)有很高的靈敏度和較高的抗干擾能力，要求?U取得極大值，那么R1為何值時(shí)才能使?U取得極大值？

以上式（1）?U為函數(shù)，R1為其自變量，對(duì)R1求偏導(dǎo)數(shù)可得：

要使?U取得極大值，只有?U對(duì)R1的偏導(dǎo)數(shù)等于0。

所以當(dāng)PBS探測(cè)器受到紅外光照內(nèi)阻值變化不大時(shí)可以取R1=Rn。即PBS探測(cè)器的匹配電阻可以選擇與探測(cè)器的暗電阻相當(dāng)?shù)碾娮柚?，而且Rn的阻值容易測(cè)定，方便于做實(shí)驗(yàn)。

4 最佳匹配電阻實(shí)驗(yàn)與仿真分析

4.1 探測(cè)器匹配電阻實(shí)驗(yàn)

由于探測(cè)器的暗電阻值在試驗(yàn)中容易測(cè)得，如圖3。

圖3 探測(cè)器內(nèi)阻測(cè)試圖

在A點(diǎn)用示波器DC耦合可直接讀出A點(diǎn)的電壓值，根據(jù)歐姆定律可計(jì)算出PBS的暗電阻值：

其中Rn為PBS探測(cè)器暗電阻，U為電源電壓VCC+的值，單位V。

圖3是R1為240k，外接電源為12V時(shí)，示波器使用DC耦合用小炮做實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)過適當(dāng)放大后得出的波形圖，由圖3可知PBS探測(cè)器的暗電阻大約為240k左右。

圖4 探測(cè)器內(nèi)阻值測(cè)試波形

4.2 探測(cè)器匹配電阻仿真分析

通過上圖3匹配電阻 R1分別取210k，240k，270k，300k，330k，360k，390k，420k幾個(gè)阻值時(shí)，通過對(duì)12.7mm槍口火焰提取的實(shí)驗(yàn)得到如圖5所示幾個(gè)典型波形。

圖5 探測(cè)器性能測(cè)試波形圖

圖5 所示以上圖形，由式（3）計(jì)算可得當(dāng)外部匹配電阻分別為

表2 探測(cè)器內(nèi)阻值測(cè)試結(jié)果

由式R1=Rm可得最佳的外接匹配電阻值如圖6：

圖6 最佳外接電阻值擬合曲線

圖6 中☆為當(dāng)外部匹配電阻不同時(shí)由式（3）計(jì)算所得的最佳外部匹配電阻，□是將其進(jìn)行線性擬合以后的外接匹配電阻值。

由以上可得知當(dāng)紅外光輻射量一定且與12.7mm槍口焰強(qiáng)度相近時(shí)探測(cè)器受光照時(shí)的內(nèi)阻在225.7k～227.6k之間。Rm取當(dāng)探測(cè)器有紅外光照時(shí)電阻的平均值：（225.7+226.8+225.7+226.6+226.9+226.1+227.6+227.2）/8=226.5k

即：取 Rn=240k，Rm=226.5k時(shí)，通過 R1在210k、240k、270k、300k、330k、360k、390k、420k 取值畫出壓差的圖形如圖7。

圖7 壓差值與外接電阻值關(guān)系圖

由圖7可知：其在外接匹配電阻為240k時(shí)由最大壓差值可以達(dá)到199mv，其電阻值與以上推論復(fù)合，且幅值接近實(shí)驗(yàn)波形。

5 結(jié)語(yǔ)

由以上原理圖搭建的電路以12.7mm機(jī)槍產(chǎn)生的火光信號(hào)作為探測(cè)目標(biāo)，探測(cè)距離可達(dá)到10m以外，且有較高的靈敏度和抗干擾力，滿足靶場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)要求。

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System Research Based on Muzzle Flame

FU Yongsheng LEI Bingshan YAN Keding
（School of Electronic Information Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710032）

Focused on the problem of low sensitivity and low signal to noise ratio（SNR）in the detection system of muzzle flame，this paper mainly researches froe-end detection circuit of muzzle detection system which is based on PBS detector.The math?ematical model of the detector is established and through analyzing the voltage change ratio at front of the detector，the best match?ing resistance has obtained with the maximum voltage change ratio，which is improve the detection sensitivity and SNR of the sys?tem.The paper chooses the PBS detector and best matching resistance mathematical model is proved by detecting the flame of 12.7mm rifle.

muzzle signal，muzzle trigger，sensitivity，SNR，PBS Detector

Class Number TN215

TN215

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.12.019

2017年6月20日，

2017年7月23日

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“彈道多目標(biāo)參數(shù)測(cè)量與識(shí)別方法及目標(biāo)光學(xué)特性研究”（編號(hào)：61575155）；校長(zhǎng)基金項(xiàng)目（編號(hào)：XAGDXJJ5013）；西安工業(yè)大學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃資助。

付永升，男，碩士，助教，研究方向：檢測(cè)與控制、電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。雷秉山，男，博士研究生，助教，研究方向：探測(cè)與制導(dǎo)、紅外與激光檢測(cè)等。閆克丁，男，博士，講師，研究方向：檢測(cè)與控制、大數(shù)據(jù)融合等。