用于枪击探测的紫外光传感器技术指标分析

刘振吉，楚 盛，杨永辉，刘 金，袁小兵

（1.中国工程物理研究院 计算机应用研究所，四川 绵阳621900；2.中山大学 物理科学与工程技术学院，广东 广州510275）

引言

在维和、反恐行动中，利用枪击探测系统及时探测到敌对分子的枪击火力点可以避免或减小其危害。当前主流的枪击探测系统主要基于声学探测、红外探测或激光扫描探测，而这几类装备由于其实现原理及技术特点在实际应用中各自存在着无法克服的先天缺陷：声学探测受制于声速低于子弹速度，探测滞后；红外探测在白天受日光等环境的红外辐射影响大，虚警率高，而且红外探测器需要制冷，造成小型化困难；激光探测是主动扫描方式，枪手有可能在被发现之前已经开枪［1］。在12km以下近地空间，大气臭氧层对波长290nm以下的紫外光吸收强烈，使得该波段的太阳紫外辐射难以到达近地表面，受日光和空气中背景散射的影响小。紫外谱段中的C谱段为200nm～280nm，UVC 紫外探测符合“日盲”特点［2－3］。相比枪击产生的红外辐射，枪击产生的紫外光子数较少，对紫外探测传感器的性能要求高。随着近些年SiC、AlGaN、MgZnO等紫外探测器材的研究工作不断深入，该类器件禁带宽度大且连续可调、导热性好、功耗和体积大幅度降低［4－6］，研制小型化的枪击紫外探测装置趋向可能。

1 枪击探测实验

1.1 实验原理

利用放大电路和示波器检验日盲型紫外光探测器对枪击火焰的探测性能，若测得日盲型紫外光探测器有响应，则根据紫外光探测器的性能指标和紫外光传输特性概略计算出枪击光谱在日盲段的能量。

1.2 实验仪器及配件

实验用主要仪器及配件见表1。

表1 主要仪器及配件Table 1 Primary instruments and fittings

1.3 实验方法

用7.62mm口径81式步枪击发验证仪器连接是否正常，连接SG01M－C5和放大电路的示波器测试到枪击引起的触发信号。设置示波器FLUKE99B上升沿触发（触发上升沿为30mv），通过比较发现纵坐标设置为每格100mv、横坐标设置为每格200μs时波形显示比较清楚。利用SG01M－C5、放大电路和示波器来测试枪击光亮度。

在日盲型紫外光探测器SG01M－C5与枪口距离0.5m、2m、4m、6m处进行测试，测试效果较好。在6m处没有触发，0.5m、2m、4m处都有触发，其中以2m处效果最好。

1.4 实验数据分析

根据测试结果，传感器与枪口距离越远测试效果越差，传感器与枪口膛线的夹角越小，测试效果越好。对紫外光测量严格意义上是需要设计完善的实验，并要充分分析测量不确定度［7－8］，本次实验主要进行物理验证，通过分析获得相关技术指标的大体范围，所以对测量结果不再进行不确定度分析。图1所示为传感器距离枪口2m处进行枪击探测时示波器捕捉的触发结果。

图1 距离枪口2m处测试结果图Fig.1 Test pattern at interval of 2m away from gunpoint

由图1中示波器触发波形可看出，触发的峰值电压为120mV。信号放大电路板Multiboard的电流－电压放大倍数为106（匹配电阻为1M），日盲型紫外光探测器SG01M－C5的峰值响应率为0.12 AW－1，有效响应面积为0.2mm2，响应波长范围为225nm～287nm。由于SG01M－C5的响应波长范围很小，在后续估算中取峰值响应率为波段平均响应率。

根据光辐射亮度E、光通量lm、响应率S、响应面积A等相关定义可得公式（1）。

式中：U为响应电压；R为匹配电阻。

由此可得到测试点峰值亮度

Emax＝（（120×10－3÷106）÷0.12）÷（0.2×10－6）＝5（Wm－2）

根据点光源在微面源上产生的亮度E与点光源的发光强度Ei和大气透射比T成正比，与距离L2成反比［2］，如公式（2）所示。

参考海平面上紫外光不同传输距离的大气透射比T值表，在1km处波长200nm对应T为0.007，220nm对应T 为0.04，250nm 对应T 为0.22，280nm对应T 为0.45［2］。估算时取日盲波段T为0.3。

测试点2m处峰值亮度为5W／m2，如果考虑12.7mm口径步枪、火炮或火箭等更强的光源亮度至少增大10倍，根据（2）式，距离枪口1km处亮度为

SA＝ （U／R）／E＝ （100×10－3／106）／0.6×10－4＝0.001 7（AW－1·m2）

要在1km处检测到该信号，放大电路不变且响应电压达到100mV，则根据（1）式可得紫外探测传感器响应率和响应面积的乘积：

SA＝ （U／R）／E＝ （100×10－3／106）／0.6×10－4＝0.001 7（AW－1·m2）

影响近地层紫外探测系统探测距离的主要因素：被探测目标紫外辐射特性、紫外光大气传输特性，器件特性等［9］。考虑到上述一些影响因素，SA至少为0.002AW－1·m2。

2 紫外传感器技术指标分析

用于枪击探测的日盲型紫外探测传感器的技术指标不仅包含材料的响应率与响应面积，还有透光率、响应波长、响应时间、入射角、短路电流、暗电流等。下面仅对几项关键指标进行分析。

2.1 透光率及响应波长

紫外探测相对于红外探测等方式的关键优点就是其日盲特性，能有效保证不受日光、生活热源等干扰。所以用于枪击探测的紫外光传感器响应谱应落在UVC谱段200nm～280nm，而对其它谱段的光具备响应弱与透光率较高的特点。

2.2 响应时间

人的反应时间在150ms～400ms之间，经过训练的士兵从感知警报到做出躲避动作所需时间一般平均在300ms左右［10］。根据光速值299 792 458±1.2m／s，紫外光几百米距离内的传播时间可以忽略。步枪子弹飞行速度一般在500m／s～900m／s之间，如果传感器响应时间（上升至70%峰值）能在50ms内，后续处理电路能在50ms内给出告警信号，对于距离子弹飞行时间在0.5s～1s处枪击，留给人员的躲避时间为400ms～900ms，应能满足预警要求。基于紫外探测技术的枪击探测装置工作原理见图2。

图2 枪击探测装置工作原理Fig.2 Principium of fire detector equipment

2.3 入射角

探测系统要实现360°全方位的紫外光实时响应，传感器若在360°范围内均匀布置12个，则符合响应率要求的入射角应不小于30°。

3 紫外探测传感器研制

3.1 MgZnO薄膜制备

只有得到禁带宽度适当的、电阻率高的MgZnO薄膜才可能获得探测能力高、波长选择性强的日盲型紫外传感器。分子束外延法在许多文献中都有介绍［11］，实验室中使用一台美国SVTA分子束外延系统（型号：35－V－3规格：背景真空＜8e－11Torr）在蓝宝石衬底上生长MgZnO薄膜，主要是抽真空和控制温度及生长时间。

用一台岛津的紫外－可见光光谱仪对样品薄膜进行透光性测试，测试结果见图3。

图3中样品1、样品2、样品3分别指生长温度为600℃、700℃、750℃的薄膜产品。从图中可看出样品透射率的边缘值在240nm～280nm范围内，达到了日盲性要求。

图3 MgZnO薄膜透光率测试结果Fig.3 Transmittance test of MgZnO film

3.2 电极的沉积

在日盲型MgZnO薄膜上沉积电极是加工光电探测传感器必不可少的步骤，光电导型探测器常用的电极形式为叉指式电极。在镀铬的玻璃板上做出叉指式的明暗图样的掩模版后用曝光机对MgZnO薄进行光刻，然后再进行镀膜，完成电极制作。

3.3 器件封装

电极沉积后在测试中仍很难将电极固定在金属薄膜电极上，只能将样品放置在一个PCB板上进行连接，如图4所示。

图4 传感器封装照片Fig.4 Picture of encapsulated sensor

图4中间部分是一个MgZnO晶片，大小约1cm＊1cm，由其上可见阵列型的叉指式电极。PCB板外围为一圈接线点，方便连线。使用超声丝焊机将样品上的电极与这一圈接线点连接起来以完成器件制作。超声丝焊机利用超声波融化金属而达到焊接效果，不需要将实际温度升至金属熔化的温度。

最终状态的传感器封装工艺还应进一步改进，只提供正负极引线即可。此外MgO遇到空气中的水容易水解，需要镀一层SiO2或Al2O3材料进行保护。

3.4 性能测试

光响应性能用450W的氙灯、单色仪及显微镜探针台组成的光谱响应测试系统进行表征，其中单色光的光功率由紫外增强Si功率计标定。

图5为基于4种MgZnO薄膜样品制备的4种紫外探测器的归一化响应谱。

图5 4种紫外探测器的归一化响应谱Fig.5 Normalized spectral responses of four kinds of ultraviolet sensors

样品1的响应峰值波长为360nm，落在了UV－A紫外波段，其响应谱延续到了深紫外波段。样品2的响应峰值波长为288nm，落在了UV－B紫外波段，响应截止波长为305nm，整个响应谱横跨UV－B和UV－C两个波段。样品3的响应峰值波长在264nm，落在UV－C日盲波段，响应截止边在280nm，也在日盲区域，响应谱覆盖了整个日盲波段。样品4响应峰在235nm，响应截止边在250nm，响应谱完全落在日盲波段。样品3的数据与文献［5］中采用同样比例的 Mg0.51Zn0.49O测试数据相比，效果相对更优，后者的响应峰值波长为250nm，截至边在273nm处。

在10V偏压下，上述4种传感器样品的响应率测试结果详见表2。

表2 4种紫外光传感器响应率测试数据Table 2 Responsivity data of four kinds of UV sensors

通过上述测试结果，可看出样品3从日盲特性和对紫外光的响应率2个方面综合来看是接近理想的日盲型紫外探测传感器材料。对其响应时间特性进行测量，测试结果如图6所示，图中仪器显示部分为拍摄的示波器屏幕照片，坐标中的数据曲线为根据示波器实测数据进行的响应电压随时间变化的对比度拟和结果（峰值响应电压归一化后以100表示）。由图6可看出上升时间很陡，不足250μS，明显满足用于枪击探测的日盲型紫外探测传感器的响应时间指标（响应电压上升至70%峰值电压在50ms），反而是电压消去时间较长。

图6 紫外探测器的响应时间特性Fig.6 Response time speciality of UV sensor

4 结论

针对反狙击技术发展的需求，通过实弹射击实验，用标准日盲型紫外探测传感器探测到了枪击紫外辐射。利用紫外光传输理论对实验数据进行分析，估算出了枪击紫外辐射能量的范围。结合提出的用于枪击探测的概略型探测原型装置，提出了用于探测枪击火焰的紫外光传感器的相关技术指标。用分子束外延法制备了一种MgZnO紫外探测传感器，对其透光率、响应率和响应时间进行了测量，其日盲特性和响应时间满足枪击探测要求。响应率虽然达到了0.21AW－1，但是离实现枪击探测的工程需求尚有一定差距。如何进一步提高MgZnO材料对日盲段紫外光的响应率和准确测得各类枪击火焰的紫外光谱，是下一步研究枪击探测等反狙击装备的基础。

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