基于PBS的远程火光红外探测系统研究*

雷　鸣　李　璐

(西安工业大学电子信息工程学院　西安　710032)



基于PBS的远程火光红外探测系统研究*

雷鸣李璐

(西安工业大学电子信息工程学院西安710032)

摘要针对靶场测试与试验中由于枪口火焰信号较小,远距离探测时难以探测的问题,分析了枪口火焰的光谱特性,以PBS红外探测器为核心,设计了一种远程火光信号探测系统。采用平凸镜聚光方式增加系统的远程探测能力,完成了相应的信号采集电路以及信号处理电路,同时对系统采取了一些抗干扰措施,以确保系统的稳定性。通过对鞭炮爆炸时的火光的测试,表明所设计的系统对远程火光具有很强的探测能力,满足靶场试验触发的要求。

关键词远程火光; 平凸镜; PBS探测器; 抗干扰

Remote Fire Infrared Detection System Based on PBS

LEI MingLI Lu

(School of Electronic Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710032)

AbstractIn view of the remote detection problem of hard to detect in shooting range test and trial because the muzzle flame signal is small, and the spectral characteristics of muzzle flame is analyzed, PBS IR detector as the core, a remote light signal detection system is designed. Using flat convex lens focusing means to increase the system’s ability to remote detection, the corresponding signal acquisition circuit and signal processing circuit are completed, and the system has made some anti-interference measures, in order to ensure the stability of the system. Through the test of the firecrackers exploded fire, it shows that the design of the system for remote light has strong detection ability, meet the requirements of shooting range test trigger.

Key Wordsremote fire, flat convex mirror, PBS detector, anti-interference

Class NumberTN971

1引言

靶场实验中基本的测试有:测速、测试立靶密集度、高速摄影等等。多数测试需要在同一时刻得出的性能参数才能作为性能评估的标准。所以需要给测试设备统一的基准时间,大多的测试中都采用枪口火焰信号作为测试设备的基准时间,对于整个测试系统来说,枪口火焰信号可以作为触发信号,用来启动整个系统。枪口火焰信号在作为触发信号的同时,也为整个测试系统提供了同步的时间基准信号,这在测试中是十分重要的,直接决定了后期测试系统是否能够获取测试信号,以及获取的测试信号间的匹配[1]。

2枪口火焰光谱特性

从图1中可以看出火焰的峰值强度主要集中在0.8μm~4μm之间[2],其中有一部分在近红外和中红外波段[3],这样就可以考虑采用红外探测器对枪口火焰进行探测[4~5]。分析常见的几种探测器的特性可知,PBS探测器的响应波段为0.8μm~3.2μm[6],包含了火焰中大部分的红外线波段,故本设计选取PBS探测器作为远程火光探测系统的探测器。

3系统设计

红外探测系统主要由光学部分、探测瞄准部分、信号处理部分和抗干扰部分组成。其中瞄准部分采用瞄准镜,信号处理部分采用桥式电路,抗干扰部分主要消除外界环境以及探测器自身的干扰。

图1　枪口火焰光谱图

图2　系统整体框图

3.1系统光学部分设计

本设计引进光学元件放大所探测到的火焰信号,选择一块焦距较大的平凸镜作为光学取景器,安装在探测器的前端,利用尽可能少的光学镜头,使得光线从平凸镜主光轴方向进入后得到充分利用。此平凸镜相当于望远镜的物镜,实际通过平凸镜看到的火焰是缩小了的,但是通过平凸镜拉近了火焰与探测器的距离,故使得探测器能够探测到火焰[7]。同时平凸镜的汇聚光线作用使得探测器探测到的信号增强[8~9]。

图3　光路原理图

图4　光学设计原理图

1) 光学中最基本的高斯成像公式:

1/u+1/v=1/f

式中u为物距,v为像距,f为焦距。即物距的倒数加上像距的倒数等于焦距的倒数。由于距离较远,1/u近似为零,火光经过平凸镜后的像位于平凸镜的焦点位置,故将探测器放置于平凸镜的焦点位置来探测信号。

2) 根据公式s/f=S/u

式中s为物体经过凸透镜后所成像的大小,S为物体的大小,f为凸透镜的焦距,u为物距,即像的大小比上焦距的大小等于物体的大小比上物距的大小。

s应与探测器的有效接收面积相同,S由于瞄准镜在瞄准时仍会存在微小的误差,故平凸镜的视场应大于物体的大小,以确保探测器可以探测到火光,u即探测距离。综合考虑探测距离及平凸镜的视场大小,根据上述公式可以得出应选取一块长焦凸透镜,即可以满足我们的设计需求。

3.2探测瞄准部分

本设计中将探测器对准枪口是一个很重要的部分。由于探测距离较远,通过肉眼直接瞄准误差会过大。假设瞄准时探测器对准方向偏离目标1°时,根据公式Tanα=y/x,在200m远时,探测器的对准方向已经偏离枪口3.5m。同理得出当α=5°时探测器的方向将偏离枪口17.5m。此时探测器探测到的信号将十分微弱甚至是探测不到信号。故应将探测器尽可能地对准探测目标,以减小误差。

图5　误差示意图

本设计利用瞄准镜作为瞄准器件,在枪口火焰红外探测器上安装一个瞄准镜,将其对准被探测目标,利用云台或丝杠等设备调整红外探测器的位置,最终使得红外探测器对准被探测目标,即完成了瞄准工作。

图6　瞄准框图

3.3信号采集部分

微小火光信号的提取是信号采集电路的基础,也是核心部分。当探测器检测到有火光信号时,探测器的电阻值会减小。由于在室外环境下采集信号,干扰会比较大,所以应该加入滤波电路。同时采集到的信号会很微弱,所以应经过放大电路放大信号。

惠斯通电桥在电子学发展的早期用来精确测量电阻值,无需精确的电压基准或高阻仪表。实际应用中,电阻电桥很少按照最初的目的使用,而是广泛用于传感器检测领域。在本设计中采用惠斯通电桥来检测探测器的信号。当红外探测器探测到信号之后,探测器的电阻值瞬间会发生变化,会使惠斯通电桥的输出电压发生瞬间变化,其变化的大小决定了信号采集系统的性能。

惠斯通电桥计算公式:

Vo=Ve(R4/(R3+R4)-R1/(R1+R2))

式中Vo为输出电压,Ve为工作电压,R1、R2、R3为固定阻值电阻,R4为探测器的电阻值。

由于采集到的信号非常微弱,故电路中引入放大元件放大所采集到的信号。

图7　电路原理图

3.4抗干扰部分

电源系统作为电子电路系统的心脏,是电路工作的基础,同时也是引起电路工作障碍的主要因素。一个电路系统中电源系统是电路的核心部分,电源系统不适当的设计会给电路系统的调试带来不可预测的麻烦,对电路板带来的干扰会使电路不正常工作甚至不工作。为避免电路受到其他用电设备的干扰,采用电池供电,将电路电源和市电区分开来,有效地避免了因其他用电设备使用时产生干扰而使设备误触发[10~11]。

在系统的整体结构设计中电路本身容易受到外界来自各个方面的干扰,在系统的整体结构设计中将容易受到干扰的电路系统放置于屏蔽盒中,避免来自各个方面的电磁干扰[12]。

4实验与分析

图8　探测器试验结果

对所设计系统进行试验,试验采用鞭炮爆炸时的火光模拟枪口的火光,探测系统距鞭炮的直线距离为200m。图8为探测系统在试验条件下的波形图。

从图中可以看出电路对火焰信号的处理满足要求,2通道信号为探测器的直接输出信号,信号幅值为12V,脉宽为8.0ms。

5结语

本论文概述了基于PBS的远程火光红外探测系统的工作原理,分析了系统的组成,在分析枪口火焰光谱特性的基础上为系统选取了合适的探测器,设计了红外探测器的光学系统,探测器的瞄准系统,信号的采集处理电路,以及对系统有可能会受到的一些干扰做了分析并提出了解决措施。通过实际试验,论证了系统对于瞬态火焰的采集和处理能力,尤其是对远距离的火焰信号也能够进行准确的采集,符合测试要求。

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中图分类号TN971

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.020

作者简介:雷鸣,男,硕士,副教授,研究方向:智能控制与应用。李璐,男,硕士研究生,研究方向:智能控制与应用。

*收稿日期:2015年8月12日,修回日期:2015年9月25日