室内大靶面光电立靶技术研究

李 玥，王铁岭，董 涛

（西安工业大学，陕西 西安 710032）

1 引 言

在衡量弹道武器性能优劣时，立靶准确度、密集度试验是弹道试验的基本项目，准确度、密集度的好坏直接关系到有效射击距离上命中概率的高低。测量弹着点坐标是进行密集度计算的前提，其测量准确度直接关系到密集度的准确度[1]。目前国内靶场普遍使用的小靶面光幕靶，弹丸穿过的有效靶面一般不超过700 mm×800 mm，比如XGK-91-I型光幕靶有效面积为330mm×400mm，奥地利的B470和B471光幕靶的有效靶面为600 mm×800 mm，这些靶用于测试12.7 mm口径以下小口径弹丸能够满足要求，用于测试口径大于12.7mm的弹丸时，因靶面小，存在安全隐患[2]。

2 系统原理及硬件设计

2.1 光电大靶面立靶原理

系统采用基于激光阵列的测量方案，如图1所示。在水平方向上，左边布置一排10 m长的激光阵列，右边布置一排10m长的光电接收器件（光电二极管接收阵列），同样在高低方向也布置一排光源和接收器件。相邻光电二极管间隔5mm，各激光器发出的光线相互平行射出，组成一个10m×10m的光幕。当弹丸穿过该光幕面时，分别在X和Y方向上挡住了投射在某个或几个光电二极管上的光线，该光电二极管对应的信号放大处理电路，将该光电二极管产生的微弱电信号放大、整形，最后输出脉冲数字信号，经过后续信号识别电路，得到被挡住光线的光电二极管的编号，传送至计算机，计算得到弹丸穿过该光幕面的X和Y坐标。

2.2 光电立靶硬件设计

信号处理电路，主要设计完成光电转换、信号放大、比较输出以及抗干扰等功能。

前置电路设计选取了经典的负反馈放大电路，具有抗环境湿度变化、元器件参数的散布、自动稳定工作点和放大倍数，因此无论是环境温度从-20℃～+70℃变化，还是元件参数随使用时间增长的变化，都不会改变电路的工作状态。采用场效应管组成的放大电路，具有高的输入阻抗。若单级放大，当放大倍数较高时，可能会导致电路自激，要避免自激常用的方法就是压低放大电路对信号的放大倍数。因此在系统中用两个运算放大器进行两级放大。

经过放大的信号接入比较电路，电路如图2，输入信号为0时，电路处于稳定状态，LM311的7脚为高，此时LM311的2脚的电位可以由电位器调节，一般选为1V，当输入信号由0开始向正方向增加时，在LM311的3脚电位刚大于2脚的电位时，LM311的7脚翻转变位低电平[3]。

图2 比较电路

为了保证系统的可靠性，还要考虑到如何排除蚊虫人为等慢速移动物体对系统的干扰。利用蚊虫飞行的速度和弹丸飞行速度相差甚远，不是同一数量级的特点，采用数字滤波电路，加以识别和排除。利用单稳集成电路，只有当飞行物体穿过光幕，整形电路输出的负方波触发单稳后，负方波在单稳电路维持的时间内，调回到0电位时，与门的输出才为正，否则，一直保持为0。只有弹丸能实现这样的情况，与门产生输出，而蚊虫飞过时，与门不会改变输出状态，一直保持为0电位。抗干扰电路如图3所示。

经过放大整形滤波的信号，需要接收并传输至计算机。选用Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片（EP1C6），每片FPGA采集120路信号，通过接口连接至主控FPGA。系统将大靶面光源和光电接收装置均拆分成1 m长的单元装置，每个单元安装两片FPGA。所有FPGA通过接口接至主控FPGA芯片上，主控FPGA将全部数据通过串口传入计算机。图4为系统示意图，计算机上位机程序最主要的功能有两个：串口接收部分，通过串口接收FPGA发送的数据；坐标计算部分，将串口收到的数据进行处理，得到坐标值。上位机程序界面包括端口选择、波特率、测试位数及结果显示。可以显示弹序，有几路信号被中断，和最后的坐标计算结果。

3 影响立靶灵敏度及精度测量的因素

3.1 系统灵敏度

由于该室内用立靶靶面最大为10m×10m，即光源距离接收装置的距离最远为10m，所以系统灵敏度的高低是系统能否成功的基础。该设计选用激光作为光源，由于激光具有很小的发散角，一般为0.01毫弧度～0.1毫弧度，随着距离的变远，其能量损失很小；接收器件选用高灵敏度的光电二极管，其感光面为圆形，尺寸从2～5mm不等。选用功率为50mW、出瞳直径为50mm的激光平行光管，直径为2mm的光电二极管，进行了灵敏度实验，光源和接收装置相距10 m，分别在1 m、3 m、5 m和9 m处用气枪弹射击，信号均高于7 V，而噪声均小于1 V，此信噪比水平的模拟信号再处理为脉冲信号是非常稳定可靠的，因此，此方案的灵敏度完全满足要求。

图3 抗干扰电路

图4 数据采集系统示意图

提高灵敏度措施，激光器光斑直径为50mm，由于激光器外形直径为56mm，所以如果将激光器挨个排布，则两个激光器光束之间会存在6 mm的漏区，如图5所示。

图5 激光器排列

所以系统准备采用如图5所示的排布方法，将相邻两个激光器错位排列，则无论弹丸从哪个位置穿过都会遮挡住部分激光光束。按照该排布方法会带来一定的问题，即两排激光不在同一个平面内，要解决该问题可以采取以下方法：如图6所示，将光电二极管排成两排，两排二极管之间的距离和两排激光器之间的距离相等，将两排光电二极管中，编号相同的使用同一放大电路，这样两个编号相同的光电二极管必定有一个被激光照射，当弹丸穿越两排激光形成的光幕时，至少有其中的一排光电二极管上的光被挡住，无论是哪一排，都可以测得弹丸穿越光幕时的坐标。

3.2 测量准确度

图6 光电二极管排列示意图

由系统测量原理可知，该系统的测量准确度主要取决于两点，第一，各激光器发出的光相互平行，这就需要每一束激光自身为平行光，具有较小的发散角，而且各激光束相互平行；第二，光电探测器件排列的密集程度，市面上的光电探测器件感光面最小有直径为2 mm，可以满足10 m×10 m靶面的测量要求。所以从以上分析可以得出结论，采用平行激光管为发光器件，光电二极管为光电接受器件，坐标测量精度完全可以满足10m×10m靶面的测量要求。

4实 验

实验样机由500 mm高激光光源和500 mm高光电接收装置组成，激光光源与光电接收装置相距10m，在10m范围内，在光电靶面后面放一纸靶，光电靶靶面与纸靶靶面平行。气枪垂直靶面射击，先穿过光电靶靶面，再穿过纸靶，光电靶自动记录下弹丸的高低位置，而纸靶下留下弹孔，将弹孔高低位置与光电靶所测弹丸高低位置比较，以验证样机的高低坐标测试精度，同时验证系统灵敏度。

为了证明10m宽靶面的一致性，纸靶放在距离激光光源1m，5m，9m三个不同位置，每个位置分别射击10发，可得到3组实验数据。激光光源与光电接收装置相距10 m，要求误差应在1 cm以内，由表1，表2和表3可见，三组数据误差均在10mm以内，满足精度要求。

表1 第1组实验数据（纸靶距离光源1m）

表2 第2组实验数据（纸靶距离光源5m）

表3 第3组实验数据（纸靶距离光源9 m）

5 结束语

为了满足测量高射频、大弹径的要求，采用平行点激光光束形成10 m×10 m的大靶面光栅光幕立靶，以FPGA构成数据采集系统，通过计算机上位机坐标识别软件，得到弹着点坐标，并提出了提高大靶面系统灵敏度和精度的措施。室内靶场实弹测量实验结果表明，利用大靶面光幕靶来测立靶精度是可行的，并且位置坐标测量精度高，能够达到立靶精度的测试要求。

[1] 黄正祥.弹丸实验技术[M].南京：南京理工大学出版社，2004：36-43.

[2] 刘群华，施浣芳，等.红外密集度光电立靶精度分析[J].光学技术，2001，30（6）：758-760.

[3] 倪晋平，蔡荣立，崔长青，等.弹丸着靶坐标测试系统的原理与信号处理电路[J].测试技术学报，2005，19（1）：11-17.

[4] 倪晋平，蔡荣立.基于大靶面光幕靶30mm口径弹丸速度测试技术[J].测试技术学报，2008，22（1）：18-23.

[5]倪晋平，王铁岭.高稳定性光幕靶研制[J].西安工业学院学报，1997，17（1）：41-45.

[6] 刘群华.射击密集度光电立靶测试系统的研究[J].西安工业学院学报，2004（3）：266-269.

[7] 赵冬娥.基于大面积激光光幕的弹丸速度测试技术研究[J].测试技术学报，2000，20（4）：1-4.

[8] 邬 晶，王铁玲，王 松.天幕靶测速系统标定技术的研究[J].中国测试，2009，35（1）：114-117.

[9] 王弘钰，任春燕.立靶坐标定位测量系统研究[J].长春邮电学院学报，1997，15（3）：64-68.

[10]郝晓剑，周汉昌，潘德恒.分离型激光启动靶光电探测系统及信号处理电路 [J].应用基础与工程科学学报，2002，10（2）：103-108.

[11]王铁岭，安 莹.立靶精度测量方法研究[J].测试技术学报，1996，10（2，3）：10-17.

[12]席 峰，倪晋平.一种用于测速光幕靶的数字电路设计[J].西安工业学院学报，2004，20（3）：182-186.

[13]周卫华，周汉昌.编码式光幕立靶测试系统的研究[J].电子设计工程，2009，17（3）：32-33.