某型紫外接收灵敏度测试设备设计与开发研究

2022-08-19叶青

中国设备工程 2022年15期

叶青

（国营芜湖机械厂，安徽芜湖 241007）

紫外接收机探测导弹发动机工作时羽烟中的紫外辐射信号，在经过信号处理实现对来袭导弹的威胁告警。紫外接收机采用面阵凝视成像体制。紫外接收机通过RS422接口向控制器传输告警信号，控制器将两路告警信号进行坐标转换和畸变校正后形成告警信息再通过1553B 电子战总线将其上报电子战系统。告警方位信息由电子战系统送至显示控制管理分系统综合显控器上显示。紫外接收机接收紫外信号灵敏度性能好坏，直接影响飞机战场生存的安全性。为了实现紫外接收灵敏度的性能测试，开展紫外接收灵敏度测试设备设计研究，有利于及时有效诊断产品完好状态、及时故障排除，恢复产品正常工作状态，提高产品的使用可靠性，具有重要意义。

1 设计需求

研制一台紫外接收灵敏度测试设备，模拟空中威胁环境下，飞机对于紫外信号的告警性能测试。

2 设计方案

2.1 总体设计

紫外告警灵敏度测试设备主要由1个光学平台、紫外平行光管1 台、紫外控制器1 台、紫外辐射计1 台。紫外接收机紫外告警灵敏度的测试通过光学测试平台与测试系统主机柜结合实现。光学平台上装有三维转台，通过三维转台可以调整紫外接收机方位角、俯仰角，并通过紫外控制器来控制紫外平行光管输出告警能量，由紫外辐射计标定能量后进行紫外告警模拟测试。测试连接框图，如图1 所示。

图1 紫外接收机告警灵敏度测试连接框图

2.2 硬件设计

（1）光学平台。光学平台是光学装调和测试的安装平台，设计选用精密阻尼隔振光学平台，基础支撑采用符合材料固体阻尼隔振，结构稳固可靠，适用于环境良好的实验场所。尺寸为1500mm×1000mm×800mm，最大振幅2um、固有频率2Hz、平面度平台。

（2）紫外平行光管。紫外平行光管是内场紫外测试的重要组成，也是光学度量仪器的重要组成部分。利用紫外平行光管产生的平行光束，可以模拟无穷远的目标，供被测设备测试以及辐射灵敏度测试。

（3）紫外控制器。紫外控制器的主要功能为产生并输出控制信号，控制紫外平行光管按照能够模拟导弹逼近时尾烟辐射特性出光。控制器由1 台主机、1 根电源电缆和1 根控制电缆组成。主机是控制器实现其功能的主要部分。电源电缆用于连接外部AC220V/50Hz 电源，为主机供电。控制电缆用于连接平行光管，传输控制信号，使平行光管出光。接口采用GX16-2P 插头连接平行光管。控制器主机通过电源电缆连接外部AC220V/50Hz 电源，通过控制电缆连接平行光管。接通电源后，按动一次控制器主机上的触发按钮，控制器主机就通过控制电缆输出一次控制信号给平行光管，使平行光管出光。控制器主机电路部分必须能够控制控制器主机正常工作，主要有接受触发、产生指示脉冲、驱动光源、指示状态和电源转换等功能，包括主控、控制信号产生、状态指示和电源转换四个功能模块。

主控模块接受用户按动启动按钮产生的触发，来控制控制信号产生模块开始和结束工作，同时控制状态指示模块指示相应的状态。主控模块采用AT89C 系列的精简型微控制器为主控芯片AT89C2051，这款微控制器体积较小，性能稳定可靠。

连接电源后，主控模块首先进行初始化。初始化结束后，用户才可以进行正常操作。用户按动触发按钮产生的触发信号，连接于主控芯片的外部中断输入端，中断触发后及时关闭主控芯片的中断功能，防止误触发。触发后，主控模块控制控制信号产生模块开始工作，同时控制状态指示模块指示出“控制信号输出中”的状态。工作结束后，主控模块控制状态指示模块指示出“无控制信号输出”的状态，同时打开主控芯片的中断功能，接受下一次触发，直到电源开关关闭。

控制信号产生模块受主控模块控制，采用PWM 脉宽调制技术控制功率MOS 管的通断来产生控制信号。状态指示模块采用带有反射腔的发光二极管，安装在机箱外壳上，能够指示电源和控制信号输出的状态。电源转换模块采用单路输出开关电源模块EPS-45S-12，将交流电源（AC220/50Hz）转换为12V 直流电源，之后再由两个三端稳压芯片LM1084 和LM1117，将12V 直流电源分别转换为5.3 ～10.5V 可调直流电源和5V 直流电源，为主控、控制信号产生和状态指示3个模块供电。

（4）紫外辐射计。ZWFSJ-Ⅰ日盲紫外辐射计（以下简称“紫外辐射计”）可以对各型紫外辐射模拟源和紫外平行光管的辐射照度进行测量标定。紫外辐射计主要由光学探头及电缆组成，其中光学探头包含光电转换系统和测量控制系统。辐射计组成框图如图2 所示。

图2 辐射计组成框图

光电转换系统对入射光进行滤光后，将光信号转换为脉冲电信号传递给测量控制系统。测量控制系统负责对电信号进行处理和计算，得出相应的能量值，随后上传至显示设备进行显示。同时，测量控制系统可对测量过程进行控制，能够调节脉冲计数周期等。电缆负责辐射计供电及其与显示设备之间的通讯。

①光学设计。辐射计的工作波长范围为250 ～280nm，属日盲紫外波段，与现有各型号紫外辐射模拟设备的工作波段一致。考虑到被测量的紫外辐射很微弱，入射光功率极低，光电探测器上的光电子脉冲呈现出不连续的随机分布，形成了辐射的离散入射方式，因此采用高增益、低噪声、高灵敏度的单光子计数检测方式，选用光子计数探头作为探测器，这是一种采用单光子计数技术的光电倍增管模块。

同时，由于探测器在设计波段外存在响应，即使有少量光入射也会引起极大误差。为避免其他波段的入射光产生干扰，光电倍增管前采用吸收式深截止窄带滤光器，深度抑制长波辐射，且在日盲区保持较高透射率。系统原理图见图3。

图3 光电转换系统原理图

辐射计选用日本滨松的H8259 型光子计数探头作为探测器。选用蓝臣的SBF-3A 型日盲滤光器，与紫外告警设备所用滤光器厂家相同，性能统一，可以保证辐射计所探测的入射光与紫外告警设备接收的信号在波段范围、入射能量上一致。由于滤光器不易清洁，且其性能在很大程度上影响辐射计的探测能力，故考虑在最外层增加保护玻璃，采用JGS1 石英玻璃，在短波紫外区有良好透过率。

②电路设计。测量控制系统由信号处理电路、计数器模块和数据处理模块组成，由一块印制板完成。脉冲信号首先进入信号处理电路，整形后由计数器模块采集，并按照数据处理模块下发的控制要求进行计数，随后将计数结果返回数据处理模块进行计算，最后辐照度值上传至显示设备完成显示。脉冲的采集计数由CPLD 实现，数据处理模块采用基于ARM7 的微控制器。测量控制系统原理图见图4。

图4 测量控制系统原理图

信号处理电路主要用于对输入信号的整形与滤波，去除信号中的噪声和杂波，平滑波形，便于后续计数器模块的统计计数。

计数器模块由触发器、计数器、锁存器、读数器及相关的门电路组成，主要完成单位时间内对光电子脉冲的计数功能，并接收上级控制命令来调整光电子脉冲的计数时间，当计数时间到达时产生中断信号触发上级ARM 处理器中断程序读取计数值。计数器模块采用美国Altera 公司的EPM7256AE-TI144-7 可编程器件进行设计，EPM7256AETI144-7 是基于第二代多阵列MatriX 构架的高性能3.3 伏E2PROM 的可编程逻辑器件，是具有5000可用门的高密度PLD，管脚到管脚延迟7ns，计数频率可高达140MHz，满足高频脉冲频率计数的要求。

ARM 处理器采用PHILIPS 公司的LPC2148，LPC2148是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16 位ARM7TDMI-S CPU。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在最大时钟速率下运行。

LPC2148 拥有两个标准的硬件I2C 接口，最高可支持400kb/s 总线速率（高速I2C），拥有多达47个通用I/O 接口，可分别控制其输入与输出属性。辐射计中I2C 接口用于控制外接的串行E2PROM 来存储设备校准数据，I/O 接口可用于使能控制并作为数据位采集数值。辐射计中用到了多种元器件，且各自的工作电压并不相同，故采用多个电压转换模块组合的方式满足供电要求。此外，光电倍增管对输入电压的稳定性也有一定的要求，当输入电压产生的脉冲噪声过大时，可能会引起光电倍增管模块故障或工作异常，只有当输入电压在样本标明的范围内变化时，光电倍增管上所施加的电压才可以保持稳定。因此在电压转换前加入滤波器，以提供稳定的电压。供电模块原理示意图见图5。

图5 供电模块原理示意图

③结构设计。结构设计上，为方便日常测量使用，辐射计优先采用轻量设计。同时考虑到光子计数探头对入射光过于敏感，光学部分还需着重进行密封设计。辐射计主体采用航空铝材2A12 机械加工制作而成，整体设计依据标准化要求进行，具有较强的互换性和工艺加工性能。航空铝材2A12 机械性能良好，且具备优良的力学性能，常用来制造高负载零件，同时其工作温度可达到150℃以下，充分满足环境适应性要求。辐射计壳体多处采用镂空减重设计，既保证整体的结构和密封性能要求，又兼顾到整机的轻量化需求。

密封设计方面，辐射计采用多种手段协同配合，大大降低了杂散光对探测结果的影响。首先，光学镜筒利用60°细牙螺纹进行密封，镜筒与光子计数探头的连接处增设1mm 柔性橡胶，

主机前面板采用凹陷式设计，使光子计数探头沉于前面板中，进一步降低噪声的输入。另外，在前面板的外部用压圈对光学镜筒进行固定，辐射计各面板之间连接采用企口式设计，既保证了壳体整体的密封性，又保证了箱体的有效接地。