一种改进型红外光幕靶测速系统

王红宇 孟立凡 黄广炎 刘春美 王博

摘 要： 使用光幕测速系统对弹丸速度进行检测时，背景干扰光线对测试结果影响较大，为此通过试验分析背景光照强度、狭缝结构、光电二极管封装类型对测速效果的影响。提出使用双层狭缝结构以及黑色树脂封装光电二极管来进一步减弱干扰光线的影响，同时进行信号处理电路的设计，搭建完整的红外光幕测速系统，并进行了弹丸速度测试试验。试验测速范围是200～1 500 m/s，通过与高速摄影、丝网断靶测速数据进行对比，证明改进型红外光幕靶测速系统测速相对误差小于1%。

关键词： 光幕靶； 干扰光线； 狭缝结构； 光电二极管封装； 微弱光电信号处理； 弹丸速度测试

中图分类号： TN219?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）08?0174?06

Abstract： During the detection of projectile velocity by using the light screen velocity measurement system， background interference light has a great impact on measurement results. Therefore， a test was conducted to analyze the influence of background light intensity， slit structure and photodiode encapsulation type on velocity measurement effect. The double?layer slit structure and black resin are proposed for encapsulating the photodiode to further weaken the influence of interference light. A signal processing circuit was designed， a complete infrared light screen velocity measurement system was established， and a projectile velocity measurement test was conducted with the velocity measurement range of 200 m/s to 1 500 m/s. By means of comparison with the velocity measurement data of high?speed photography and copper mesh target breaking， it proves that the relative velocity measurement error of the improved infrared velocity measurement system with light?screen target is less than 1%.

Keywords： light?screen target； interference light； slit structure； photodiode encapsulation； weak photoelectric signal processing； projectile velocity measurement

0 引 言

在武器系統毁伤性能评价中，弹丸的飞行速度参数是一项重要指标。目前针对弹丸速度测试的研究，主要是非接触式测试[1]，如：线圈靶[2]、天幕靶[3]、光幕靶[4]。其中线圈靶测试靶面较小、天幕靶受测试条件影响较大，而光幕靶具有测试靶面较大、测试精度高、对测试环境要求低、可重复测试的特点，因此光幕靶在测试靶场被广泛应用[5]。

在光幕测速系统中，对变化的微弱光信号的提取与处理是关键。而在对弱电信号进行放大时，系统本身固有噪声也会被放大，特别是试验场地中太阳光照带来的背景噪声，严重影响光幕测速系统的测试性能。

为了研究背景光照对测速系统的干扰，在北京理工大学测试靶场进行光幕测速实验，利用火药弹道枪进行实弹射击。实验中使用的弹丸为8 mm钢珠。通过对比不同背景光照强度下测速试验结果的差异，优化了光阑狭缝结构，选择光电二极管黑色树脂封装类型来减小背景光线的干扰，并设计了信号处理电路，搭建了测速系统，完成了弹丸测速精度的验证。

1 光幕靶测试原理

光幕靶应用光电效应，主要由发射光源、接收装置、信号调理电路和计时器构成，如图1所示。当弹丸穿过光幕靶时，会引起光通量变化，接收装置把光通量的变化转换为电信号的变化，再经过微弱光电信号处理，提取出弹丸的过靶时刻，利用弹丸通过两个光幕靶的平均速度作为弹丸飞行速度[6]。

2 单层光阑狭缝对测速结果的影响

在野外实验场中，光线环境比较复杂，复杂的背景光对光电探测器的探测效果有较大干扰[7]，为此通常设计单层光阑狭缝来减少干扰光线对测试系统的影响。图2为单层狭缝结构视场俯视图。

从图2中可以看出使用单层光阑狭缝时，虽然部分干扰光线被遮挡，但是由于单层狭缝的视场过大[7]。仍然有较多干扰光线进入狭缝，导致光电接收管上接收到较多干扰光线。甚至在同一天的不同时刻，随着光照强度的不同，测试结果有较大差异。

2.1 强背景光照对测速结果的影响

在野外环境中进行弹丸测速试验时，当太阳光照强度较大，背景光照过于复杂时，会出现过靶信号的信噪过低，甚至出现采集不到过靶信号的情况。图3为强背景光照下测速波形，具体试验时间为夏令时13：30，此时是一天中太阳光照最强的时刻，从图中可以看出信号干扰过大，过靶信号无法进行识别提取。

2.2 弱背景光照对测速结果的影响

当太阳光照较低时，背景光照复杂度降低，测试信号会有所改善。图4为弱背景光下测速波形，具体时间为夏令时16：00，此时太阳光照较低，背景光照较低。从图4中看出信号干扰有所减小，可以看见过靶信号波形，但是仍然不利信号的识别，不利于准确获取过靶时刻。

为了减小干扰光线，通常采用的措施为减小单层光阑狭缝宽度，但是减小狭缝宽度，使得光电接收管上有效光敏面积减小，降低了灵敏度[8]。

3 光阑狭缝结构的优化

进一步减少复杂背景光线的干扰，对光阑狭缝结构进行了优化，提出了双层光阑狭缝结构。图5为双层狭缝结构视场俯视图。为了提高光电接收管接收光线的效率，使狭缝1、狭缝2宽度和光电接收管表面宽度一致[7] ，保证过靶信号有效视场不变，而干扰光线的入射视场减小，减少了干扰光线，提高了测试效果，降低了外来噪声的干扰。图6为双层光阑狭缝下测速波形，试验时间为夏令时13：30，此时太阳光照强度大，但从图中可以看出过靶信号信噪比有很大提高。

通过对比单层光阑狭缝与双层光阑狭缝的测速信号波形可以看出，双层光阑狭缝结构对背景干扰光线的滤除效果较好。

4 光电探测器封装对探测效果的影响

光电探测器作为感应光通量变化的器件，其性能直接影响到测速效果，因此在选择光电探测器时要选择响应速度高、光电流大、暗电流小的光电探测器。本试验使用2CU101型光电二极管作为光电探测器，2CU101光电二极管具有透明和黑色树脂封装两种封装类型。

透明封装的光电二极管的光谱范围大，黑色树脂封装的光电二极管光谱范围主要在红外波段，可以滤除红外波段以外的光线，有利于对于干扰光线的去除。图7为使用透明封装光电探测器时信号波形，使用的的发射光源为[14] W功率红外发射管，峰值波长为940 nm。从图7中可以看出信号干扰较大，增加了后续信号处理的难度。

图8为黑色树脂封装探测器的波形。本试验使用[14]W功率红外发射管，峰值波长为940 nm，从图中可以清楚看到，使用黑色树脂封装的光电二极管探测得到的过靶信号较好，便于信号的进一步放大、滤波处理。

通过对比图7与图8中信号测试波形，可以明显看出黑色树脂封装类型的二极管有利于提升测速结果。

5 微弱电信号处理电路

在光幕测速系统中，当弹丸通过光幕靶面时，由于弹丸对光线的遮挡，使得光电二极管上接收到的通量发生变化，光电二极管把光信号转换成电信号，由于电信号的变化比较微弱，无法直接对其进行测量，为此需要对微弱电信号进行处理。

5.1 光电转换电路

当弹丸穿过光幕靶时，光电二极管感应变化的光通量而产生变化的光电流，经过光电转换电路把光电流转换成电压信号[9]，再经过后续放大电路的处理提取出有效过靶信号。图9为光电转换电路，C1，C2为滤波电容，R1为偏置电阻，R2为取样电阻，C3提供交流耦合，IN端为放大电路提供输入信号。

5.2 放大电路

经光电转换后获取的电信号比较微弱，需要对其进行进一步的放大、滤波处理，从而提取出有效的过靶电信号。

本设计使用2片AD823运算放大器顺序级联，组成3级放大电路以及一个电压跟随器电路，总放大倍数在1 000倍左右。AD823是双通道运算放大器，具有输入失调电压低、压摆率大、带宽范围大等特点，满足信号放大电路的使用要求。图10为第一级放大电路图，图11为第二级放大电路图，图12为第三级放大电路图。

其中图12中第三级放大电路输出端直接与一个电压跟随器相连，然后经过一个无源低通滤波器后输出信号。第一级为前置放大电路，具有低噪声、低输出阻抗、信号带宽大的特點[9] ，对信号进行低噪声前置放大处理，为减少引入噪声干扰采用5倍放大，第二级、第三级分别采用10倍、20倍放大；对微弱信号进行放大的过程中，同时使用有源滤波和无源滤波，组成了带通滤波器，在对信号进行放大的同时进行滤波处理[7]。图13为经过信号处理的过靶信号波形图。图中弹丸目标过靶信号明显，完全满足速度测试要求。

6 对比实验

通过对比单层光阑狭缝和双层光阑狭缝的测速结果，确定了双层光阑狭缝结构。通过对比两种光电二极管封装类型的测试结果，选择黑色树脂封装的光电二极管作为探测器，并使用设计的信号处理电路搭建了完整的红外光幕靶测速系统。在北京理工大学测试靶场对其测速精度进行测试，具体是利用火药弹道枪进行实弹射击，实验布局如图14所示。试验中分别使用高速摄影和丝网靶对红外光幕靶测速精度进行测试。

其中高速攝影相机是用来获取飞行物体每一特定时刻空间图像信息的光学仪器[10]，通过把弹丸飞行过程的空间信息和时间信息联系起来，并根据拍摄得到的相邻二幅或多幅弹丸的像距确定飞行距离，通过高速摄影[11]的拍摄速度确定飞行时间，从而计算出弹丸平均速度。丝网断靶是利用弹丸飞行过程对通电细铜丝网进行破坏，铜丝断开瞬间获取过靶电压信号，并根据过靶时刻以及两个丝网断靶间的距离，计算出弹丸飞行的平均速度。因其测速稳定性较高，广泛应用于军工靶场测试中。这里使用丝网断靶测速数据作为弹丸速度测试标准。对比光幕测速靶、高速摄影测速、铜丝网断靶的测速数据，测试数据如表1所示，图15为测速数据线性拟合曲线。

通过对比表1中高速摄影测速数据与丝网断靶测速数据，可以计算出在试验中使用高速摄影测速时，相对丝网靶测速的相对误差范围为1%～3%，而且从图15中拟合曲线可以看出随着弹丸速度越高测量相对误差越大，而本实验是在照明光线良好条件下进行，基本可以排除照明条件对测速结果的影响。通过对比表1中光幕靶测速数据与丝网断靶测速数据，可以计算出在试验中使用光幕靶测速时，相对丝网靶测速的相对误差在1%以内，而且弹丸的速度越高，测速精度越高。

通过对比对比光幕测速靶、高速摄影测速、铜丝网断靶的测速数据，可以看出设计的红外光幕靶测试精度比高速摄影测速要高，相对丝网靶测速误差在1%以内，误差较小。

7 结 语

本设计分析了不同背景光照对测速结果的影响，通过优化光阑狭缝的结构，选择黑色树脂封装的红外光电位二极管作为探测器，减少了干扰光线对测速结果的影响。同时设计的信号处理电路，搭建了红外光幕靶测速系统，并进行了枪击实验。通过对比测速数据，验证了设计的红外光幕测速靶测试精度符合测试要求。

注：本文通讯作者为黄广炎。

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