陳毛寧，吳玲玲

（西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安710021）

武器評估時彈丸速度是一個重要的參數(shù)，目前測試彈丸速度的方法主要分為接觸法和非接觸法[1]，其中新型測速系統(tǒng)非接觸式光幕靶由于其高穩(wěn)定性和精確性的優(yōu)點，在光電測試領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。

光幕靶是一種以光電轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的非接觸式彈丸飛行速度測量系統(tǒng)，由發(fā)射裝置、接收裝置、靶架組成。在發(fā)射裝置和接收裝置中間形成均勻光幕，目標(biāo)穿過光幕時會使接收裝置中光電探測器輸出過靶信號，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波、整形輸出一個方波觸發(fā)信號，再進一步處理計算出目標(biāo)的飛行速度[2]。在實際彈丸飛行速度測試中，由于外界干擾信號的存在，會影響測試系統(tǒng)的精度[3]。為剔除測速過程中干擾信號對測試結(jié)果的影響，結(jié)合光幕靶測速原理，設(shè)計抗干擾信號處理電路，使電路滿足有效抑制干擾信號的需求。

1 干擾信號分析與解決方案

1.1 干擾來源分析

光幕靶工作時任何外界干擾信號作用在光幕上，會使光電探測器接收到的光通量發(fā)生變化，直接影響信號輸出結(jié)果[4]。外界干擾信號如蚊蟲、雜散光、炮口火光等，都會使光電探測器輸出干擾信號，影響測速結(jié)果準(zhǔn)確性，在實際使用光幕靶測速時，須剔除這些干擾信號，以提高光幕靶測速的準(zhǔn)確性。

1.2 抗干擾設(shè)計方案

針對彈丸出射時產(chǎn)生的火光干擾信號，提出一種雙通道光電轉(zhuǎn)換解決方案，彈丸穿過光幕時引起光通量的變化僅作用在彈道位置上的探測器，火光引起光通量的變化作用在接收裝置的全部探測器件上。彈道位置的探測器為主探測器，非彈道位置探測器為補償探測器，兩個通道信號經(jīng)過放大后做減法運算，可有效削減火光對彈丸信號的干擾。

外界激波、雜散光以及隨機的干擾信號由于速度存在差異，這些干擾信號脈沖寬度要小于彈丸信號脈沖寬度；蚊蟲飛過光幕靶所產(chǎn)生的干擾信號脈沖寬度大于彈丸信號脈沖寬度[5]。實測中通過對彈丸過靶信號進行傅里葉分析，可以得出彈丸信號的頻帶寬度。利用這一特點，設(shè)計對應(yīng)的帶通濾波電路來濾除干擾信號，抗干擾電路設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 雙通道光電轉(zhuǎn)換抗干擾電路設(shè)計方案Fig.1 Dual-channel optoelectronic conversion anti-interference circuit design scheme

2 信號處理電路設(shè)計

光幕靶信號處理電路分為四大部分，如圖2 所示。

圖2 抗干擾信號處理電路原理Fig.2 Anti-jamming signal processing circuit principle

光電轉(zhuǎn)換電路將微弱變化的光信號轉(zhuǎn)換為電信號；放大電路將信號有效放大，再進行相應(yīng)的減法運算實現(xiàn)抗干擾性；濾波電路從頻域上將干擾信號濾除，此時輸出信號為不規(guī)則的波形，整形電路將信號整形成一個方波觸發(fā)信號輸出。

2.1 光電轉(zhuǎn)換電路

光電轉(zhuǎn)換電路要求輸出速度快，不僅跟光電探測器的靈敏度有直接關(guān)系，跟偏置電路的形式也存在很大關(guān)系，每一種偏置電路使探測器工作在伏安特性的不同區(qū)域，從而使探測器轉(zhuǎn)換電路的輸出具有不同特性。

電路選用PIN 光電二極管（C30807E），是一種快速光電二極管，具有小的時間常量，結(jié)電容小，響應(yīng)速度快，有較大的線性響應(yīng)動態(tài)范圍，其主要性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 C30807E 相關(guān)性能參數(shù)Tab.1 C30807E related performance parameters

電路采用光電二極管反向偏置工作方式，傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換電路如圖3 所示。

圖3 光電轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Photoelectric conversion circuit

光電二極管反向偏置時，PN 結(jié)勢壘區(qū)加寬，內(nèi)建電場增強，結(jié)電容降低，可得到較高的靈敏度[6]，C為隔直電容，輸出電壓為

式中：Ip為光電二極管輸出的光電流。

光電二極管輸出電流信號一般在微安級，實測中要求光電轉(zhuǎn)換電路的輸出信號一般為毫伏級，因此偏置電阻至少選用千歐級。

圖4 為光電二極管在反偏工作下的等效電路，外加反向偏壓時暗電流可忽略。光電流隨光照的增大而增大，光電流變化量可表示為

圖4 光電轉(zhuǎn)化等效電路Fig.4 Equivalent circuit of photoelectric conversion

式中：S 為光電靈敏度；φ 為光通量。因此，光電轉(zhuǎn)換電路輸出電壓變化量為

在實際測試中，根據(jù)有效靶面指標(biāo)要求，需要多個光電探測器組合工作，對于火光干擾信號的存在，設(shè)計雙通道光電轉(zhuǎn)換的方案進行削減，電路設(shè)計如圖5 所示。

圖5 雙通道光電轉(zhuǎn)換電路Fig.5 Dual-channel photoelectric conversion circuit

光電轉(zhuǎn)換電路不僅要求快速，而且對穩(wěn)定性要求也十分嚴(yán)格，通過改變光電二極管的光通量對光電轉(zhuǎn)換電路進行穩(wěn)定性測試，表2 中每個數(shù)據(jù)是經(jīng)10 次測試得到的均值。

表2 穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.2 Stability test data results

對輸出電壓變化量數(shù)據(jù)進行處理與分析，求得其平均值為1.512 mV，標(biāo)準(zhǔn)差為0.011662 mV，數(shù)據(jù)表明光電轉(zhuǎn)換電路表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

2.2 前置放大減法器電路

光電轉(zhuǎn)換電路輸出的信號較小，需進一步放大，同時為削減火光對信號的影響，結(jié)合雙通道光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計對應(yīng)的雙通道放大電路，再進行減法運算輸出一個有效的目標(biāo)信號。單級放大電路的誤差比較大，導(dǎo)致實際調(diào)試起來比較麻煩，為了防止信號失真，獲得好的信噪比，采用多級放大，每級電路都是單獨控制反饋量和補償?shù)?，電路設(shè)計、調(diào)試的難度也會大幅度的降低，電路設(shè)計如圖6所示。

圖6 前置放大減法器Fig.6 Preamplifier subtractor

前置放大減法器通道1 由放大器U1（OP37）和U2組成兩級放大電路，兩級放大倍數(shù)G 為

通道2 與通道1 的放大同理。兩路信號經(jīng)過放大后分別通過R7和R15加載到運放的同相端和反向端，輸出電壓經(jīng)R16反饋到反相輸入端。根據(jù)運放虛短、虛斷的概念，對運放U5構(gòu)成的電路進行分析可以得到：

根據(jù)U+=U-，當(dāng)R7、R8、R15、R16相等時，輸出信號為兩路信號的差值，即可實現(xiàn)兩路信號的減法運算。

實測中要求輸出信號的幅值在0～10 V 之間，在放大電路處理前的信號一般為毫伏級，因此放大電路需進行千倍以上的放大，利用Multisim 進行仿真，輸入振幅為1 mV、頻率為10 kHz 的正弦信號，占空比設(shè)置為50%，偏置電壓設(shè)置為0 V。

通過仿真波形可看出對信號實現(xiàn)了一千倍放大，如圖7（a）所示。對通道1 與通道2 放大后的兩路信號再進行減法運算仿真，結(jié)果如圖7（b）所示，圖中通道A、B 為輸入信號，通道C 為輸出信號。

圖7 放大模塊仿真Fig.7 Amplification module simulation

圖7（a）中示波器通道A 的值為兩級放大電路的輸出結(jié)果，為1.020 V，實現(xiàn)了一千倍放大。圖7（b）中示波器通道A、通道B 為兩路信號經(jīng)過相同放大電路后的輸出結(jié)果，電壓值分別為2.000 V、3.999 V。通道C 為兩路信號做減法處理后的輸出結(jié)果，電壓值為2.000 V，結(jié)果表明電路實現(xiàn)了兩路信號的減法運算，驗證了電路設(shè)計的合理性。

2.3 帶通濾波電路

不同物體穿過光幕靶時產(chǎn)生不同脈沖寬度，可有效區(qū)分出蚊蟲、沖擊波、彈丸等信號，設(shè)計帶通濾波電路可削減干擾信號對目標(biāo)信號的影響。不同速度的物體穿過光幕的脈沖寬度可利用式（7）進行計算：

式中：l 為飛行物體的長度；d 為光幕面的厚度；v 為飛行物體的速度。

利用式（7）對不同速度的飛行物體計算分析可以得出有效彈丸的脈沖寬度基本在40 μs 到200 μs之間，其蚊蟲等低速物體都高于200 μs，沖擊波、聲波等干擾信號的脈沖寬度都要小于40 μs。

濾波電路選用NE5532 放大器，是一種雙運放高性能低噪聲運算放大器，主要性能參數(shù)如表3 所示。

表3 NE5532 相關(guān)性能參數(shù)Tab.3 NE5532 related performance parameters

根據(jù)實際指標(biāo)與試驗可得到目標(biāo)信號的頻帶寬度，為留有一定余量且防止某些偶然噪聲，此次設(shè)計的帶通濾波電路的上限頻率為74 kHz，下限頻率為6 kHz。帶通濾波電路設(shè)計如圖8 所示，濾波電路的截止頻率計算公式為

圖8 帶通濾波電路Fig.8 Bandpass filter circuit

電路采用一階有源濾波電路，相比于無源濾波電路可補償各次諧波，能自動跟蹤處于補償變化中的諧波，具有高度可控性和良好的響應(yīng)性能[7]。把高通濾波電路與低通濾波電路串聯(lián)起來組成帶通濾波電路，高通濾波電路的截止頻率為fP1，低通濾波電路的截止頻率為fP2，可得到帶通濾波電路的通帶為fP2-fP1。根據(jù)式（8）可得到：

電路中C1、R1構(gòu)成高通濾波器，C2、R4構(gòu)成低通濾波器，C3、C4、C5、C6用于電源濾波。根據(jù)實際指標(biāo)要求，可計算出相應(yīng)的電阻、電容值，文中實現(xiàn)帶寬為6 kHz～74 kHz 的濾波電路，借助Multisim 軟件對濾波電路進行仿真，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 濾波電路仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of the filter circuit

使用信號發(fā)生器加載正弦輸入信號，仿真軟件模擬計算在-3 dB 時帶寬約為6.3 kHz～74.7 kHz，可使前置放大減法器電路輸出的信號穩(wěn)定通過，滿足設(shè)計要求。

2.4 信號整形電路

信號整形電路主要用來對那些變化緩慢或不規(guī)則的信號進行整形，也可用于剔除輸入信號中的干擾信號，設(shè)計信號整形電路可輸出有效的方波觸發(fā)信號[6]。電壓比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準(zhǔn)電壓相比較，結(jié)果用比較器輸出的數(shù)字邏輯電平來表示，其傳輸特性如圖10 所示。

圖10 傳輸特性Fig.10 Transmission characteristics

UR為參考電壓，ui為被比較電壓。當(dāng)ui＞UR時，uo＝+Uom；當(dāng)ui＜UR時，uo=-Uom。

整形電路設(shè)計如圖11 所示，采用LM311 單限電壓比較芯片，通過調(diào)節(jié)可變電阻R2來控制2 端口的參考電壓，當(dāng)輸入的目標(biāo)信號高于參考電壓時，輸出端口輸出高電平，當(dāng)輸入的目標(biāo)信號低于參考電壓時，輸出端口輸出低電平。由于輸出信號穩(wěn)定性差，所以在比較電路后面通過運放U2構(gòu)成一個電壓跟隨器，可將輸出信號真實的傳遞給負(fù)載，在電路中也可以用作緩沖級。

圖11 信號整形電路原理圖Fig.11 Schematic diagram of signal shaping circuit

使用Multisim 軟件對電路進行模擬仿真，使用信號發(fā)生器將濾波電路輸出帶寬為6 kHz～74 kHz內(nèi)的信號加載到整形電路中，并在電路中調(diào)節(jié)可變電阻R2使參考電壓約為500 mV，其仿真結(jié)果如圖12 所示。

圖12 仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results

上圖中通道A 為輸出電壓，結(jié)果為3.376 V（TTL高電平為2.4～5.0 V）；通道B 為被比較電壓，結(jié)果為712.868 mV，大于設(shè)置的參考電壓。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出信號整形電路正常工作，輸入信號在閾值為500 mV 左右時實現(xiàn)了預(yù)期的功能，可輸出有效的方波觸發(fā)信號，驗證了電路設(shè)計的合理性。

3 結(jié)語

本文針對光幕靶過靶信號處理時存在外界干擾信號的問題，基于雙通道光電轉(zhuǎn)換設(shè)計了抗干擾信號處理電路，并進行仿真分析。仿真結(jié)果表明，利用雙通道光電轉(zhuǎn)換與減法運算處理，可使火光干擾信號有效的削減，達(dá)到抗干擾的目的。其次設(shè)計6 kHz～74 kHz 的帶通濾波電路，從頻域上對蚊蟲、沖擊波等干擾信號進行一定的濾除。最后目標(biāo)信號通過信號整形電路輸出一個規(guī)則的方波觸發(fā)信號。文中電路設(shè)計簡單可靠，既滿足了電路有效抑制干擾信號的需求，也為其他相關(guān)領(lǐng)域的電路設(shè)計提供了參考。