镜头式光幕靶可编程信号处理电路设计

黄亮亮， 蔡荣立

(西安工业大学 光电工程学院， 陕西 西安 710000)

0 引 言

弹丸飞行速度是弹道特性的重要参数之一[1]， 也是枪、 炮、 火药生产研制单位的一个重要技术指标， 基于光电探测器件构建的光幕靶具有灵敏度高、 响应速度快、 操作简便、 试验成本低等优势及可准确测量各类参数[2-3]等特点， 因此在相关行业得到了广泛应用. 近年来， 随着相关行业技术的发展， 对试验测试仪器提出了更高的要求， 紧跟材料研究的发展趋势研究小尺寸高速度飞行目标的探测光幕已十分迫切. 国内科研单位已经研制了光束汇聚的镜头式光幕靶， 配合L型光源构建大靶面探测光幕， 具有探测视场大、 灵敏度高、 结构简单等优点[4]. 但是在实际应用过程中， 若只是简单地增加光源和接收器件的数量和增大光源与接收装置之间的距离来实现更大靶面， 则随着靶面的逐步增大接收装置接收到的光能量将逐渐减弱， 从而导致探测光幕灵敏度降低或分布不均匀， 系统的频响特性降低， 从而导致无法测试高速小目标物体的飞行速度[5-6]. 为了解决这一问题， 本文对现有的镜头式光幕靶信号处理电路进行改进， 引入程控带通滤波电路、 程控放大电路、 程控触发电路和状态检测电路， 配合数字电位器电路[7]、 MCU核心控制电路以及通信电路， 依据测试弹径和探测靶面实时调整电路参数， 来弥补大靶面光幕灵敏度分布不均匀导致测试精度降低的问题.

1 镜头式光幕靶原理

传统光幕靶光电转换电路原理如图 1 所示， 通过对枪弹过幕遮光原理的分析推导出了弹丸穿过光幕时遮光量ΔΦ和信号处理电路电压变化量ΔV(t)之间的关系[8]为

ΔV(t)=ΔΦ·ε·γ·R,

(1)

式中： ΔΦ为弹丸遮光量；ε为光电探测器的光照灵敏度；γ为电路增益；R为光电转换电路的偏置电阻. 一般的光幕靶测速系统采用线性阵列光源， 接收信号装置采用光电二极管线阵列， 装置内光源与光敏二极管一一对应.

图 1 传统光电转换电路Fig.1 Traditional photoelectric conversion circuit

图 2 等效电路Fig.2 Equivalent circuit

单个光敏二极管等效电路如图 2 所示.Cs为结电容；Rs为体电阻；RD为反向偏置电阻；RL为负载电阻. 完整的光电二极管线阵列是由若干图 3 所示模块并联组成， 通过对光敏二极管频率特性和光幕靶信号接收原理分析可推导出关系式

图 3 光敏二极管并联电路Fig.3 Photodiode parallel circuit

ΔVi(t)=ΔΦi·εi·γ·Ri.

(2)

图 4 镜头式光幕靶原理Fig.4 The principle of the lens type lighe screen

实现大面积探测光幕的关键在于： 在保证探测面积足够大的前提下保证足够的灵敏度和频响特性. 通过论证， 在保证高探测灵敏度的前提下， 为配合镜头式光幕靶搭建大型探测光幕， 设计出一种LED光源直射式大面积探测光幕， 其原理如图 4 所示.

由于LED器件技术比较成熟， 作为光源使用时， 具有发光效率高、 光照稳定、 使用方便、 成本低廉等优点， 因此直射式光源选用LED发光器件构成L形光源[9]. 图4中， 多个LED器件组合形成LED光源基板， 每个光源基板的光轴指向光敏探测器， 多个光源基板组成L形光源， 在光源的指向焦点安装镜头式光幕探测器. 镜头式光幕探测器由光学镜头、 光敏元件、 信号处理电路组成.

在光电探测器各参数确定的情况下， 由式(1)可知光电传感器的偏置电阻及电路增益的确定与电压变化量正相关， 由预期所需电压变化量ΔV(t)， 即可为光电转换电路的偏置电路以及电路增益的设计提供依据. 最后， 也为光电传感器的选型提供了依据.

2 信号处理电路设计方案

结合文献[5]中对镜头式光幕灵敏度分布规律的研究， 综合考虑电路放大倍数、 噪声以及比较器阈值对探测灵敏度的影响， 为了使该测试装置能够满足不同弹种和不同探测视场的测试要求， 在后续电路中引入程控放大单元， 实时改变电路增益. 但提高放大倍数的同时也使噪声信号得到放大， 实际测试过程中， 不同环境下噪声频率有大有小， 尽可能地提高系统的信噪比将有利于有效信号的提取， 因此引入程控带通滤波电路， 根据现场噪声的不同， 对其进行方便的带通滤波， 一定程度上避免了蚊虫、 冲击波或靶架和光源支架的抖动引起的误触发对测试结果的影响. 由于电路本身存在的固有噪声很难被滤除， 在对输出信号进行处理时， 当触发电路中的比较阈值设定较小时， 噪声信号将很容易超过设定的阈值电压， 引起误触发[10]， 为了增加系统的可靠性， 引入可编程触发单元.

综上所述， 得出镜头式光幕靶信号处理电路总体设计方案， 如图 5 所示. 由光电转换电路及前级耦合放大电路、 可编程滤波电路、 可编程放大电路、 可编程触发电路、 单片机控制电路与通信电路以及上位机组成. 弹丸在进入光幕的过程中遮挡光幕， 引起光电传感器接收到的光通量产生变化， 使光电探测器输出电信号. 当弹丸飞离光幕后， 光电探测器接收到的光通量恢复到原先状态， 不再有输出信号. 将此电流输出信号转换成电压输出信号之后， 就得到了弹丸过幕信号， 经过可编程带通滤波电路进行滤波， 剔除噪声， 保留有用信号， 利用可编程放大电路将此信号进行放大. 一路输出模拟信号； 一路返回给噪声监测电路， 判断电路的状态是否正常； 一路通过可编程触发电路整形、 抗干扰后输出数字脉冲信号并进入驱动电路. 上位机通过通信电路与单片机连接， 单片机通过改变电路中程控放大器的放大参数来调节整个电路的放大特性， 且单片机也可改变程控滤波电路的滤波带宽以及触发电路的比较电压阈值.

图 5 信号处理电路整体设计方案Fig.5 The overall design of the signal processing circuit

2.1 光电转换电路与滤波电路

光电转换电路的作用是将光电探测器接收到的变化的光信号即弹丸信号转换为电信号输出， 但由于此信号极为微弱， 对后续滤波电路来说不易处理， 所以还需对其进行一定的预放大， 这样便引入了前级放大电路. 其中前级放大电路与光电探测器件的耦合方式是电路设计的关键， 主要目的是为了降低前级放大电路的噪声， 不仅要考虑其与光电探测器件的阻抗匹配， 兼顾其频率响应特性， 还需要考虑抑制共模噪声. 由于光电流过于微弱， 所以需要选取低噪声且具有良好输出波形的放大器， OPA656是比较常见的用于光电探测的跨阻放大器[11]， 能良好实现理想的带宽以及高灵敏度的光电转换和初级放大. 在对有用信号进行后级放大之前， 必须一定程度上滤除噪声， 提高系统信噪比. 因此， 选用噪声低、 双电源供电、 输入失调电压较低的运算放大器OP07作为滤波电路的主控芯片.

如图 6 所示， 通过电阻R1的跨阻接法， 使得光电探测器S3588-08输出的电流变化量转换为电压变化量. 考虑到光电探测器的灵敏度以及探测电路的频响特性， 为了使滤波电路处理前的弹丸信号为mV级， 选用R1为1 kΩ. 利用数字电位器替代RC环节中的电阻R2和R5， 通过单片机控制数字电位器改变电阻的大小， 从而实现截止频率的可程控变化.

图 6 光电转换电路及滤波电路Fig.6 Photoelectric conversion circuit and filter circuit

2.2 程控放大电路

经过前级放大电路放大输出的信号幅值依然比较微弱， 不利于后续触发电路的处理， 所以在设计中需要可编程放大电路将信号继续放大并输出给可编程触发电路， 经可编程放大电路直接输出的信号可作为弹丸过光幕的模拟信号. 由于数字电位器能代替增益电阻， 使电路结构简便. 因此， 选取能够在有噪声的环境下放大微弱信号的仪表放大器INA128[12]， 此放大器具很多优点， 包括： 低漂移、 低功耗、 高共模抑制比、 宽电源供电范围以及体积小等， 利用差分小信号在较大的共模信号之上叠加的原理， 在去除共模信号的同时， 还可以有效放大差分信号. 根据实际经验可知： 光电转换电路输出电压量一般为几毫伏到十几毫伏左右， 而后续处理电路的数据采集卡， 比如常用的9812系列的模拟量输入范围为±5 V， 总放大倍数的设计指标须在几千倍之内可调控. 如果仅靠单级放大电路， 增益过大时可能会产生自激， 将会使噪声过大， 不利于有用信号的获取[13]. 因此， 结合运算放大器OP27构成程控放大电路以满足增益设计要求.

图 7 程控放大电路Fig.7 Programmable amplifier circuit

放大电路如图 7 所示， 运用3级放大结构， 因为当单级放大倍数过高时容易使电路产生自激， 使得噪声过大而淹没有用信号， 一般用较低增益的单级运放串联构成多级放大避免自激. 实际电路中用数字电位器INA128代替外部增益电阻R12. 则3级放大倍数为

G=(R9/R8+1)(R11/R10+1)(50 kΩ/R12+1).(3)

在设计中将第1级放大电路设定为放大3倍， 第2级放大电路设定为放大10倍， 第3级的放大电路采用仪表放大器 INA128进行最后的放大处理, 通过单片机控制数字电位器来代替R12， 即可实现对放大倍数的调控， 以满足不同情况下的测试要求.

2.3 噪声监测与触发电路

噪声监测电路主要由单片机、 A/D采集电路、 可编程触发电路、 程控放大电路等组成， 如图 8 所示. 噪声采集点为图 8 的OUT3， 电路上电之后噪声采集点的输出信号为模拟量， 首先通过A/D采集电路上传给单片机， 然后通过RS485通信上位机显示噪声信号， 以此来判断电路工作是否正常. 单片机利用I2C总线协议控制数字电位器电路， 依据噪声的大小， 通过控制数字电位器调节触发电路的阈值电压， 减小噪声对试验测量结果的影响. 与此同时， 还可以依据被测弹丸的弹径和光幕面的尺寸大小， 参考测得噪声幅值， 通过程序控制数字电位器自动调节可编程滤波电路和程控放大电路调节相应的电路参数.

图 8 噪声监测与触发电路Fig.8 The noise monitoring and trigger circuit

3 试验结果与分析

为了验证电路设计是否正确， 在实验室内搭建实验平台进行实弹测试. 实验设备包括2.5 m×2.5 m L型光源， 光源电源， 光幕靶电源， 示波器， 镜头式光幕靶等器材. 连接好设备对电路供电并开启示波器， 根据噪声幅值调节触发电压. 不改变电路参数的前提下， 实弹测试靶面不同位置的灵敏度特性， 多次测量结果如表 1 所示， 分析可知， 多次试验由于弹丸通过探测光幕的位置不同， 可能会导致实弹信号的幅值或频率存在一些差异， 主要是由于大靶面光幕灵敏度分布不均匀的问题所造成的， 若由于灵敏度低使实弹信号幅值小于阈值电压， 就会导致无法产生触发信号， 直接影响试验结果. 可以根据实际接收到的光能量来调节可编程触发电路触发电压， 从而提高靶的抗干扰能力； 与此同时， 根据实际测量需要来适当调节电路放大倍数， 以此来提高设备的灵敏度和频响特性.

表 1 实弹测试记录

4 结 论

把数字电位器电路应用于镜头式光幕靶的信号处理电路设计中， 实现信号处理电路的可编程性， 即可满足对不同弹种、 不同环境下的测试要求. 文中设计的这种利用上位机观测电路状态以及单片机进行程序控制来改变电路参数的方法， 相较于一般的镜头式光幕靶信号处理电路而言具有广泛的适用性， 并且从实弹测试结果也可以看出该设计增加了整个电路的抗干扰能力， 一定程度上解决了由于大靶面探测光幕灵敏度分布不均匀导致设备测试精度降低的问题.

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