黃亮亮， 蔡榮立

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院， 陜西 西安 710000)

0 引 言

彈丸飛行速度是彈道特性的重要參數(shù)之一[1]， 也是槍、 炮、 火藥生產(chǎn)研制單位的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)， 基于光電探測器件構(gòu)建的光幕靶具有靈敏度高、 響應(yīng)速度快、 操作簡便、 試驗(yàn)成本低等優(yōu)勢及可準(zhǔn)確測量各類參數(shù)[2-3]等特點(diǎn)， 因此在相關(guān)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用. 近年來， 隨著相關(guān)行業(yè)技術(shù)的發(fā)展， 對試驗(yàn)測試儀器提出了更高的要求， 緊跟材料研究的發(fā)展趨勢研究小尺寸高速度飛行目標(biāo)的探測光幕已十分迫切. 國內(nèi)科研單位已經(jīng)研制了光束匯聚的鏡頭式光幕靶， 配合L型光源構(gòu)建大靶面探測光幕， 具有探測視場大、 靈敏度高、 結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)[4]. 但是在實(shí)際應(yīng)用過程中， 若只是簡單地增加光源和接收器件的數(shù)量和增大光源與接收裝置之間的距離來實(shí)現(xiàn)更大靶面， 則隨著靶面的逐步增大接收裝置接收到的光能量將逐漸減弱， 從而導(dǎo)致探測光幕靈敏度降低或分布不均勻， 系統(tǒng)的頻響特性降低， 從而導(dǎo)致無法測試高速小目標(biāo)物體的飛行速度[5-6]. 為了解決這一問題， 本文對現(xiàn)有的鏡頭式光幕靶信號(hào)處理電路進(jìn)行改進(jìn)， 引入程控帶通濾波電路、 程控放大電路、 程控觸發(fā)電路和狀態(tài)檢測電路， 配合數(shù)字電位器電路[7]、 MCU核心控制電路以及通信電路， 依據(jù)測試彈徑和探測靶面實(shí)時(shí)調(diào)整電路參數(shù)， 來彌補(bǔ)大靶面光幕靈敏度分布不均勻?qū)е聹y試精度降低的問題.

1 鏡頭式光幕靶原理

傳統(tǒng)光幕靶光電轉(zhuǎn)換電路原理如圖 1 所示， 通過對槍彈過幕遮光原理的分析推導(dǎo)出了彈丸穿過光幕時(shí)遮光量ΔΦ和信號(hào)處理電路電壓變化量ΔV(t)之間的關(guān)系[8]為

ΔV(t)=ΔΦ·ε·γ·R,

(1)

式中： ΔΦ為彈丸遮光量；ε為光電探測器的光照靈敏度；γ為電路增益；R為光電轉(zhuǎn)換電路的偏置電阻. 一般的光幕靶測速系統(tǒng)采用線性陣列光源， 接收信號(hào)裝置采用光電二極管線陣列， 裝置內(nèi)光源與光敏二極管一一對應(yīng).

圖 1 傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換電路Fig.1 Traditional photoelectric conversion circuit

圖 2 等效電路Fig.2 Equivalent circuit

單個(gè)光敏二極管等效電路如圖 2 所示.Cs為結(jié)電容；Rs為體電阻；RD為反向偏置電阻；RL為負(fù)載電阻. 完整的光電二極管線陣列是由若干圖 3 所示模塊并聯(lián)組成， 通過對光敏二極管頻率特性和光幕靶信號(hào)接收原理分析可推導(dǎo)出關(guān)系式

圖 3 光敏二極管并聯(lián)電路Fig.3 Photodiode parallel circuit

ΔVi(t)=ΔΦi·εi·γ·Ri.

(2)

圖 4 鏡頭式光幕靶原理Fig.4 The principle of the lens type lighe screen

實(shí)現(xiàn)大面積探測光幕的關(guān)鍵在于： 在保證探測面積足夠大的前提下保證足夠的靈敏度和頻響特性. 通過論證， 在保證高探測靈敏度的前提下， 為配合鏡頭式光幕靶搭建大型探測光幕， 設(shè)計(jì)出一種LED光源直射式大面積探測光幕， 其原理如圖 4 所示.

由于LED器件技術(shù)比較成熟， 作為光源使用時(shí)， 具有發(fā)光效率高、 光照穩(wěn)定、 使用方便、 成本低廉等優(yōu)點(diǎn)， 因此直射式光源選用LED發(fā)光器件構(gòu)成L形光源[9]. 圖4中， 多個(gè)LED器件組合形成LED光源基板， 每個(gè)光源基板的光軸指向光敏探測器， 多個(gè)光源基板組成L形光源， 在光源的指向焦點(diǎn)安裝鏡頭式光幕探測器. 鏡頭式光幕探測器由光學(xué)鏡頭、 光敏元件、 信號(hào)處理電路組成.

在光電探測器各參數(shù)確定的情況下， 由式(1)可知光電傳感器的偏置電阻及電路增益的確定與電壓變化量正相關(guān)， 由預(yù)期所需電壓變化量ΔV(t)， 即可為光電轉(zhuǎn)換電路的偏置電路以及電路增益的設(shè)計(jì)提供依據(jù). 最后， 也為光電傳感器的選型提供了依據(jù).

2 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)方案

結(jié)合文獻(xiàn)[5]中對鏡頭式光幕靈敏度分布規(guī)律的研究， 綜合考慮電路放大倍數(shù)、 噪聲以及比較器閾值對探測靈敏度的影響， 為了使該測試裝置能夠滿足不同彈種和不同探測視場的測試要求， 在后續(xù)電路中引入程控放大單元， 實(shí)時(shí)改變電路增益. 但提高放大倍數(shù)的同時(shí)也使噪聲信號(hào)得到放大， 實(shí)際測試過程中， 不同環(huán)境下噪聲頻率有大有小， 盡可能地提高系統(tǒng)的信噪比將有利于有效信號(hào)的提取， 因此引入程控帶通濾波電路， 根據(jù)現(xiàn)場噪聲的不同， 對其進(jìn)行方便的帶通濾波， 一定程度上避免了蚊蟲、 沖擊波或靶架和光源支架的抖動(dòng)引起的誤觸發(fā)對測試結(jié)果的影響. 由于電路本身存在的固有噪聲很難被濾除， 在對輸出信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)， 當(dāng)觸發(fā)電路中的比較閾值設(shè)定較小時(shí)， 噪聲信號(hào)將很容易超過設(shè)定的閾值電壓， 引起誤觸發(fā)[10]， 為了增加系統(tǒng)的可靠性， 引入可編程觸發(fā)單元.

綜上所述， 得出鏡頭式光幕靶信號(hào)處理電路總體設(shè)計(jì)方案， 如圖 5 所示. 由光電轉(zhuǎn)換電路及前級(jí)耦合放大電路、 可編程濾波電路、 可編程放大電路、 可編程觸發(fā)電路、 單片機(jī)控制電路與通信電路以及上位機(jī)組成. 彈丸在進(jìn)入光幕的過程中遮擋光幕， 引起光電傳感器接收到的光通量產(chǎn)生變化， 使光電探測器輸出電信號(hào). 當(dāng)彈丸飛離光幕后， 光電探測器接收到的光通量恢復(fù)到原先狀態(tài)， 不再有輸出信號(hào). 將此電流輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓輸出信號(hào)之后， 就得到了彈丸過幕信號(hào)， 經(jīng)過可編程帶通濾波電路進(jìn)行濾波， 剔除噪聲， 保留有用信號(hào)， 利用可編程放大電路將此信號(hào)進(jìn)行放大. 一路輸出模擬信號(hào)； 一路返回給噪聲監(jiān)測電路， 判斷電路的狀態(tài)是否正常； 一路通過可編程觸發(fā)電路整形、 抗干擾后輸出數(shù)字脈沖信號(hào)并進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電路. 上位機(jī)通過通信電路與單片機(jī)連接， 單片機(jī)通過改變電路中程控放大器的放大參數(shù)來調(diào)節(jié)整個(gè)電路的放大特性， 且單片機(jī)也可改變程控濾波電路的濾波帶寬以及觸發(fā)電路的比較電壓閾值.

圖 5 信號(hào)處理電路整體設(shè)計(jì)方案Fig.5 The overall design of the signal processing circuit

2.1 光電轉(zhuǎn)換電路與濾波電路

光電轉(zhuǎn)換電路的作用是將光電探測器接收到的變化的光信號(hào)即彈丸信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出， 但由于此信號(hào)極為微弱， 對后續(xù)濾波電路來說不易處理， 所以還需對其進(jìn)行一定的預(yù)放大， 這樣便引入了前級(jí)放大電路. 其中前級(jí)放大電路與光電探測器件的耦合方式是電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵， 主要目的是為了降低前級(jí)放大電路的噪聲， 不僅要考慮其與光電探測器件的阻抗匹配， 兼顧其頻率響應(yīng)特性， 還需要考慮抑制共模噪聲. 由于光電流過于微弱， 所以需要選取低噪聲且具有良好輸出波形的放大器， OPA656是比較常見的用于光電探測的跨阻放大器[11]， 能良好實(shí)現(xiàn)理想的帶寬以及高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換和初級(jí)放大. 在對有用信號(hào)進(jìn)行后級(jí)放大之前， 必須一定程度上濾除噪聲， 提高系統(tǒng)信噪比. 因此， 選用噪聲低、 雙電源供電、 輸入失調(diào)電壓較低的運(yùn)算放大器OP07作為濾波電路的主控芯片.

如圖 6 所示， 通過電阻R1的跨阻接法， 使得光電探測器S3588-08輸出的電流變化量轉(zhuǎn)換為電壓變化量. 考慮到光電探測器的靈敏度以及探測電路的頻響特性， 為了使濾波電路處理前的彈丸信號(hào)為mV級(jí)， 選用R1為1 kΩ. 利用數(shù)字電位器替代RC環(huán)節(jié)中的電阻R2和R5， 通過單片機(jī)控制數(shù)字電位器改變電阻的大小， 從而實(shí)現(xiàn)截止頻率的可程控變化.

圖 6 光電轉(zhuǎn)換電路及濾波電路Fig.6 Photoelectric conversion circuit and filter circuit

2.2 程控放大電路

經(jīng)過前級(jí)放大電路放大輸出的信號(hào)幅值依然比較微弱， 不利于后續(xù)觸發(fā)電路的處理， 所以在設(shè)計(jì)中需要可編程放大電路將信號(hào)繼續(xù)放大并輸出給可編程觸發(fā)電路， 經(jīng)可編程放大電路直接輸出的信號(hào)可作為彈丸過光幕的模擬信號(hào). 由于數(shù)字電位器能代替增益電阻， 使電路結(jié)構(gòu)簡便. 因此， 選取能夠在有噪聲的環(huán)境下放大微弱信號(hào)的儀表放大器INA128[12]， 此放大器具很多優(yōu)點(diǎn)， 包括： 低漂移、 低功耗、 高共模抑制比、 寬電源供電范圍以及體積小等， 利用差分小信號(hào)在較大的共模信號(hào)之上疊加的原理， 在去除共模信號(hào)的同時(shí)， 還可以有效放大差分信號(hào). 根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知： 光電轉(zhuǎn)換電路輸出電壓量一般為幾毫伏到十幾毫伏左右， 而后續(xù)處理電路的數(shù)據(jù)采集卡， 比如常用的9812系列的模擬量輸入范圍為±5 V， 總放大倍數(shù)的設(shè)計(jì)指標(biāo)須在幾千倍之內(nèi)可調(diào)控. 如果僅靠單級(jí)放大電路， 增益過大時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生自激， 將會(huì)使噪聲過大， 不利于有用信號(hào)的獲取[13]. 因此， 結(jié)合運(yùn)算放大器OP27構(gòu)成程控放大電路以滿足增益設(shè)計(jì)要求.

圖 7 程控放大電路Fig.7 Programmable amplifier circuit

放大電路如圖 7 所示， 運(yùn)用3級(jí)放大結(jié)構(gòu)， 因?yàn)楫?dāng)單級(jí)放大倍數(shù)過高時(shí)容易使電路產(chǎn)生自激， 使得噪聲過大而淹沒有用信號(hào)， 一般用較低增益的單級(jí)運(yùn)放串聯(lián)構(gòu)成多級(jí)放大避免自激. 實(shí)際電路中用數(shù)字電位器INA128代替外部增益電阻R12. 則3級(jí)放大倍數(shù)為

G=(R9/R8+1)(R11/R10+1)(50 kΩ/R12+1).(3)

在設(shè)計(jì)中將第1級(jí)放大電路設(shè)定為放大3倍， 第2級(jí)放大電路設(shè)定為放大10倍， 第3級(jí)的放大電路采用儀表放大器 INA128進(jìn)行最后的放大處理, 通過單片機(jī)控制數(shù)字電位器來代替R12， 即可實(shí)現(xiàn)對放大倍數(shù)的調(diào)控， 以滿足不同情況下的測試要求.

2.3 噪聲監(jiān)測與觸發(fā)電路

噪聲監(jiān)測電路主要由單片機(jī)、 A/D采集電路、 可編程觸發(fā)電路、 程控放大電路等組成， 如圖 8 所示. 噪聲采集點(diǎn)為圖 8 的OUT3， 電路上電之后噪聲采集點(diǎn)的輸出信號(hào)為模擬量， 首先通過A/D采集電路上傳給單片機(jī)， 然后通過RS485通信上位機(jī)顯示噪聲信號(hào)， 以此來判斷電路工作是否正常. 單片機(jī)利用I2C總線協(xié)議控制數(shù)字電位器電路， 依據(jù)噪聲的大小， 通過控制數(shù)字電位器調(diào)節(jié)觸發(fā)電路的閾值電壓， 減小噪聲對試驗(yàn)測量結(jié)果的影響. 與此同時(shí)， 還可以依據(jù)被測彈丸的彈徑和光幕面的尺寸大小， 參考測得噪聲幅值， 通過程序控制數(shù)字電位器自動(dòng)調(diào)節(jié)可編程濾波電路和程控放大電路調(diào)節(jié)相應(yīng)的電路參數(shù).

圖 8 噪聲監(jiān)測與觸發(fā)電路Fig.8 The noise monitoring and trigger circuit

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)是否正確， 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)彈測試. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括2.5 m×2.5 m L型光源， 光源電源， 光幕靶電源， 示波器， 鏡頭式光幕靶等器材. 連接好設(shè)備對電路供電并開啟示波器， 根據(jù)噪聲幅值調(diào)節(jié)觸發(fā)電壓. 不改變電路參數(shù)的前提下， 實(shí)彈測試靶面不同位置的靈敏度特性， 多次測量結(jié)果如表 1 所示， 分析可知， 多次試驗(yàn)由于彈丸通過探測光幕的位置不同， 可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)彈信號(hào)的幅值或頻率存在一些差異， 主要是由于大靶面光幕靈敏度分布不均勻的問題所造成的， 若由于靈敏度低使實(shí)彈信號(hào)幅值小于閾值電壓， 就會(huì)導(dǎo)致無法產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)， 直接影響試驗(yàn)結(jié)果. 可以根據(jù)實(shí)際接收到的光能量來調(diào)節(jié)可編程觸發(fā)電路觸發(fā)電壓， 從而提高靶的抗干擾能力； 與此同時(shí)， 根據(jù)實(shí)際測量需要來適當(dāng)調(diào)節(jié)電路放大倍數(shù)， 以此來提高設(shè)備的靈敏度和頻響特性.

表 1 實(shí)彈測試記錄

4 結(jié) 論

把數(shù)字電位器電路應(yīng)用于鏡頭式光幕靶的信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)中， 實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理電路的可編程性， 即可滿足對不同彈種、 不同環(huán)境下的測試要求. 文中設(shè)計(jì)的這種利用上位機(jī)觀測電路狀態(tài)以及單片機(jī)進(jìn)行程序控制來改變電路參數(shù)的方法， 相較于一般的鏡頭式光幕靶信號(hào)處理電路而言具有廣泛的適用性， 并且從實(shí)彈測試結(jié)果也可以看出該設(shè)計(jì)增加了整個(gè)電路的抗干擾能力， 一定程度上解決了由于大靶面探測光幕靈敏度分布不均勻?qū)е略O(shè)備測試精度降低的問題.

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