田　會，金朋剛，田亞男，袁　云

(1. 西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021； 2. 中國兵器工業(yè)集團 第二〇四研究所，陜西 西安 710061)

0　引　言

在各類身管武器以及戰(zhàn)斗部的研制和生產(chǎn)中，為有效評判該類武器的毀傷效能，需準(zhǔn)確測量彈丸或破片在特定位置的飛行速度[1-3]. 傳統(tǒng)測速方法大多采用區(qū)截測速原理，在預(yù)定彈道線上間隔一定距離放置兩臺探測器，通過測量彈丸穿過兩個探測器的時間，依據(jù)定距測時原理計算出彈丸飛行速度，光電探測設(shè)備具有響應(yīng)時間快、探測靈敏度高、非接觸測試等優(yōu)點，已成為主力測試裝置，現(xiàn)有光電類探測器包括天幕靶、光幕靶以及激光靶等[4,5]. 在戰(zhàn)斗部靜爆時，會產(chǎn)生沿任意方向飛行的破片，若使用上述探測裝置來測量破片飛行速度將具有一定的局限性，其主要表現(xiàn)在破片在鉛垂面上沿任意角度飛行，穿過兩個光幕間的飛行距離大于預(yù)先測量的垂直距離，測量速度存在較大誤差； 現(xiàn)有探測裝置形成的探測面為平面，其視場有限，對任意方向飛行的破片存在較高的漏測率[6,7]. 通過在破片飛行四周區(qū)域放置多套探測裝置來提高捕獲率的方法[8]需耗費較多人力、物力，且實驗現(xiàn)場設(shè)備布放繁瑣. 為了解決上述問題，本文提出一種探測面為環(huán)形的光幕測速裝置，以實現(xiàn)在水平面內(nèi)任意方向飛行的破片速度測量.

1　探測光幕的形成與工作原理

圖 1　矩形探測光幕的典型構(gòu)成方式Fig.1　The typical composition of rectangular detection light screen

光源、接收裝置、信號處理電路以及支撐結(jié)構(gòu)在空間形成非接觸式探測光幕[9]. 常用的探測光幕有矩形光幕和扇形光幕，光幕面為具有一定厚度的平面. 圖 1 為典型的光幕探測器構(gòu)成形式，長為S1的LED線陣列光源發(fā)出的光能被距離為S2與其相向安裝的線陣列光電探測器件接收，在空間形成探測面積為S1S2的矩形探測光幕. 飛行彈丸從該探測光幕內(nèi)任意位置穿過時，引起部分光電探測器件接收的光能量變化，輸出微弱變化的電信號，該信號經(jīng)前級放大電路及放大電路處理輸出幅值不小于3 V的模擬信號； 觸發(fā)電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，其中脈沖信號的上升沿對應(yīng)彈丸開始進入光幕的時刻，下降沿對應(yīng)彈丸完全離開光幕的時刻； 數(shù)字濾波電路根據(jù)干擾信號與彈丸過幕信號在時間寬度上的差異[10]，濾除彈頭激波和蚊蟲等產(chǎn)生的干擾信號，提高探測器工作的可靠性，最終輸出的脈沖信號傳輸給后續(xù)測時裝置.

在對飛行軌跡已知的破片測速時，因破片的散布區(qū)域較大，為有效獲取破片穿過探測光幕的信號幅值，需制作具有更大探測光幕的測速裝置. 當(dāng)通過增加光源與探測器件的數(shù)量及增大光源與探測器件之間距離的方式來實現(xiàn)較大的探測光幕時，隨著光源與探測器件之間的距離增大，到達光電轉(zhuǎn)換器件上的光通量隨之減少，最終導(dǎo)致探測裝置的探測靈敏度、頻率響應(yīng)特性、可靠性急劇下降. 因此，傳統(tǒng)矩形或扇形探測光幕無法滿足飛行方向與軌跡不確定的破片測速要求.

2　環(huán)形光幕靶結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)在有效探測區(qū)域內(nèi)無遺漏的對任意方向飛行破片測速，研究了環(huán)形光幕靶. 采用直徑為 5 mm，發(fā)光波長為940 nm，發(fā)光立體角為15°的子彈頭形LED，按照一定的安裝角度和距離構(gòu)成如圖 2 所示半徑為R的環(huán)形LED陣列； 使用外形尺寸、響應(yīng)波長、視場角與光源相匹配的光電探測器件作為接收器件，其安裝方式與光源的安裝方式相對應(yīng)如圖 3 所示，為半徑為R的環(huán)形接收器件陣列. 環(huán)形陣列中的每個LED的法線均指向?qū)?yīng)位置接收器件的中心.

如圖 4 所示，接收器件陣列按照特定距離與角度排布呈環(huán)形，接收LED發(fā)出的光能時，單個接收器件與環(huán)形LED陣列存在一定的幾何關(guān)系.

圖 2　環(huán)形光源陣列示意圖Fig.2　The schematic diagram of circular ring light source array

圖 3　環(huán)形接收陣列示意圖Fig.3　The schematic diagram of circular ring received device array

圖 4　單個接收器覆蓋光源范圍幾何示意圖Fig.4　The geometric schematic diagram of signal received device covers the light range

單個接收器件經(jīng)狹縫光闌限制后的視場角為φ，同一規(guī)格的每個接收器件在空間的視場范圍均相等，結(jié)合圖 4 中的幾何關(guān)系可計算出單個接收器件視場在環(huán)形LED陣列中對應(yīng)的圓心角θ為

(1)

圓心角θ所對應(yīng)的弧長上LED數(shù)目為

(2)

式中：d為單個接收器件的直徑. 單個接收器件所接收到的光照度值為

(3)

式中：Eall為單個接收器件所接收到的光照度值；I(λ)為單個LED的發(fā)光強度；M為單個接收視場所覆蓋的LED數(shù)目.

圖 5　環(huán)形探測光幕面內(nèi)的光能分布示意圖Fig.5　The schematic diagram of light energy distribution in circular ring detection light screen

依據(jù)上述公式，結(jié)合LED與接收器件安裝特點分析可知：當(dāng)使用同一規(guī)格的LED與接收器件時，每個接收器件在環(huán)形LED陣列上所覆蓋的弧長均相等 ，即環(huán)形接收器件陣列中每個接收器件的視場所覆蓋LED的數(shù)目均相等. 因LED的發(fā)光強度一致且互不干擾，依據(jù)距離平方反比定律[11]，在距離光源H處的單個接收器件所接收的光照度為其視場所覆蓋的LED光照度的疊加，即環(huán)形接收陣列上每個接收器件所接收到的光照度值均可用式(3)表示，整個環(huán)形探測光幕面的光能量分布如圖 5 所示.

與傳統(tǒng)矩形探測光幕相比，該方式形成的環(huán)形探測光幕其光能量在探測面分布均勻，探測靈敏度幅值差異小，可完全消除傳統(tǒng)矩形探測光幕因兩端光能衰減引起探測靈敏度差異大的缺陷[12].

3　環(huán)形探測光幕的設(shè)計

環(huán)形光幕靶整體結(jié)構(gòu)如圖 6 所示，主要由同圓心的內(nèi)側(cè)環(huán)形光源與內(nèi)側(cè)環(huán)形接收裝置及外側(cè)環(huán)形光源與外側(cè)環(huán)形接收裝置組成. 各部分裝置分別通過連桿相向安裝于上水平面、下水平面上，在空間形成內(nèi)側(cè)圓柱形探測光幕面(即啟動探測光幕)、外側(cè)圓柱形探測光幕面(即停止探測光幕)，構(gòu)成了接收與發(fā)射一體化的環(huán)形光幕靶，在空間形成密實的圓柱形光幕探測面.

對戰(zhàn)斗部爆炸所產(chǎn)生的破片進行測速時，將待測戰(zhàn)斗部放置于環(huán)形光幕靶裝置的圓心軸處載物臺上，當(dāng)戰(zhàn)斗部爆炸所產(chǎn)生的任意方向飛行的破片先后穿過同圓心不同半徑的內(nèi)、外側(cè)圓柱形探測光幕，可遮擋部分到達接收器件光敏面上的光能量，由信號處理電路輸出對應(yīng)破片過幕的信號幅值. 設(shè)計的環(huán)形光幕靶中的信號處理電路與現(xiàn)有的XGK-2002型光幕靶電路相同[13,14]，因此，設(shè)計的環(huán)形光幕靶可直接使用. 當(dāng)多個破片同時穿過內(nèi)側(cè)或外側(cè)圓柱形探測光幕面時，信號處理電路僅能輸出1個過幕信號，無法對信號進行有效配對，因此也不能準(zhǔn)確計算每個破片的速度，僅能大致測量出多個破片的平均飛行速度.

圖 6　環(huán)形光幕靶裝置示意圖Fig.6　Schematic diagram of circular ring detection light screen device

一體化的環(huán)形光幕靶其整體結(jié)構(gòu)更為緊湊、成本低廉，內(nèi)、外側(cè)圓柱形探測光幕面間的固定連桿確定了兩個探測光幕的間距，減少了靶距測量帶來的誤差，提高了探測精度. 通過改變固定連桿2的長度，可調(diào)節(jié)光源與接收裝置的距離，增大探測靶面，滿足有效探測靶面大且全方位無死角的探測需求.

4　結(jié)　論

針對現(xiàn)有平面形光幕探測裝置無法測量任意方向飛行的破片速度問題，本文設(shè)計了一種環(huán)形光幕靶裝置. 環(huán)形光幕靶在空間中形成內(nèi)、外側(cè)兩個圓柱形光幕探測面，可測量空間任意方向飛行破片的速度； 采用環(huán)形發(fā)光二極管陣列配接對應(yīng)的環(huán)形光電接收器件陣列構(gòu)成的環(huán)形探測光幕，光能量在同一高度上分布均勻，幕面內(nèi)任意位置的探測靈敏度相同，消除了傳統(tǒng)光幕面兩端探測靈敏度逐步減弱的不足； 該裝置的光源和接收裝置通過連桿固定連接，結(jié)構(gòu)簡單，易于工程實現(xiàn).