亞毫米級彈丸光電探測技術

任磊生, 羅錦陽, 羅 慶, 龍 耀, 黃 潔

(中國空氣動力研究與發展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

通過在地面靶室進行航天器抗空間碎片防護性能試驗研究是提高航天器防護水平和生存能力的有效途徑之一。就目前國內外的技術水平而言，開展航天器抗空間碎片防護性能和毀傷機理試驗最成熟的設備是超高速碰撞靶。在超高速碰撞靶的模擬試驗中，只有成功探測彈丸，才能對彈丸進行速度測量和控制其他測試設備測量撞擊過程的瞬態參數。

目前國內外對彈丸無干擾探測的方法主要有高速攝影法、磁感應法和光電探測法等多種技術途徑。高速攝影法是采用炮口火光啟動高速攝影機，利用高速相機，拍攝彈丸姿態，然后通過計算照片中彈丸位置的改變量和拍攝間隔時間，得到彈丸速度。該方法一是價格太高，一般要幾百萬元；二是亞毫米彈丸在高速攝影底片中判讀難度較大，測量誤差較大，導致測速精度較低。磁感應法是在發射裝置附近安裝多個感應線圈，線圈中通有電流，這樣便在線圈周圍形成一個電磁場，當飛行彈丸經過線圈時就會引起磁場的變化產生信號，根據信號的間隔時間及線圈的距離計算出彈丸在兩個線圈區段的速度均值，達到測速的目的。磁感應法要求彈丸必須為金屬材料或增加磁環，對材料要求較高。光電探測法是以光電轉換為基礎的高速彈丸速度測量裝置。它以平行激光光幕為靶面，當彈丸高速穿過光幕時，光電接收部分收到的光通量發生變化，經過光電轉換元件轉換成電信號的變化，根據信號的間隔時間及激光光幕的距離計算出彈丸通過光幕的平均速度。它具有測試精度高、靈敏度調節靈活、便于維護操作和成本低等特點，是最好的高速彈丸探測方法[1-3]。

國內用于高速彈丸速度測量的光電探測系統主要是針對大尺寸彈丸，如中國空氣動力研究與發展中心用于不同口徑二級輕氣炮的TC-300、TC-100和TC-50光電探測器[4]，西安工業大學電子信息工程學院研制的光電探測靶[5]，西北核技術研究所用于毫米級彈丸速度測量的光電檢測裝置等。其中中國空氣動力研究與發展中心的TC-50光電探測器可以探測Φ0.5mm的彈丸，但在探測Φ0.5～1.0mm的彈丸時，彈丸信號幅值小。為適應1mm以下彈丸超高速碰撞試驗的需要，中國空氣動力研究與發展中心的自由飛彈道靶研究室開展光電陣列探測技術研究，以滿足試驗和研究的需要。

本文對光電陣列探測方法的探測光路和探測電路進行設計，并對驗證裝置的設計和驗證試驗結果進行介紹。

1 片光遮擋法的光電探測原理

片光遮擋法的彈丸探測采用點激光光源作為探測光源，圖1為片光遮擋法彈丸探測示意圖。半導體激光器能量主要集中束腰半徑內，通過光闌對光束進行約束后，可近似認為在矩形探測視場范圍內光強呈均勻分布[6]。

圖1 片光遮擋法彈丸探測原理圖

其工作原理為當光電二級管在光電導工作模式下，且工作在線性區域時，光電二極管產生的光電流與其接收的光通量成正比；當彈丸高速穿越探測光路時，彈丸遮擋部分光線，使得光電二極管接收的光通量發生改變、光電二極管產生變化的光電流，從而使得負載電阻產生變化的電壓信號。

設片光光強為φ，片光寬度為D，彈丸直徑為d，在彈丸高速穿越探測光路時光電探測模塊所產生的變化電壓為：

(1)

式中：β=ηq/hυ為響應系數，η為量子效率，q為電子電荷，h為玻爾茲曼常數，υ為光波頻率，R為轉換電路電阻阻值。

由公式(1)可見，產生的電壓信號與d成正比關系。當探測彈丸直徑逐漸減小，彈丸對片光的遮擋程度將逐漸減弱，U值也將逐漸減小，當U值小到與噪聲信號接近時，將無法識別彈丸信號。

2 光電陣列探測技術原理

2.1光電陣列探測亞毫米彈丸的設計原理

根據式(1)，小彈丸對片光遮擋效應產生的電壓信號與β、φ、d/D和R等參數成正比關系。但是對于探測電路而言，增大β、φ、R等3個參數時，對應的噪聲信號也隨之增加，難以達到改善這種遮擋效應的抗噪聲干擾的目的，所以在此考慮通過增大d/D來提高小彈丸對片光遮擋效應產生的電壓信號，從而提出了光電陣列探測技術。

2.2光電陣列探測技術原理

光電陣列探測技術的原理是改變傳統光電探測器接收端的單個光電接收模塊模式，在光電探測器的接收端用光電二極管陣列接收來自發射端的光信號，并進行光電轉換，光電二極管陣列輸出的多路電信號經過處理后成為一路電信號。在光電探測器的接收端將來自發射端的平行片光拆分成多路光束后匯聚到光電二極管陣列的多個接收窗口，以減小單個探測視場的寬度。圖2為光電陣列探測原理圖。當小彈丸穿過探測光路的任意一路分光路時，接收該分光路的光電二極管的光通量發生改變，輸出變化的電信號；而其他光電二極管的光通量未發生改變，輸出的電信號不發生改變；于是該光電模塊產生的電信號經后端處理電路的處理后被數據采集系統采集成為彈丸穿過探測光路時的彈丸信號。這樣就將式(1)中的探測視場和彈丸直徑比轉換為分探測光路的寬度和彈丸直徑比，大幅度降低了探測視場和彈丸直徑比。

圖2 光電陣列探測原理圖

在圖2所示的光電陣列探測原理圖中，探測視場被等分拆成6個分探測光路，每個光電模塊接收的分光路寬度是整個探測光路寬度的1/6。由式(1)可知，如果分探測光路的光強為φ，那么采用光電陣列探測技術能夠將光電探測器的信噪比提高至6倍，能夠將光電探測器可靠探測的彈丸直徑下限縮小至1/6。

2.3探測光路設計

探測光路設計主要的難點是把來自發射端的平行片光拆分成多路光束后匯聚到光電二極管陣列的各個接收窗口。在光電探測器接收端對探測光路拆分時，要減小分探測光路間的縫隙，避免形成探測盲區。由于探測的彈丸直徑為亞毫米級，則探測光路的縫隙要達到0.01mm級別。在探測光路設計時，采用了復眼透鏡和透鏡組合兩種方式對探測光路的拆分匯聚。

2.3.1復眼透鏡方式

復眼透鏡是由一系列小透鏡組合形成，每個透鏡都能單獨成像。平行片光經過復眼透鏡時，照射在同一透鏡的光線被匯聚在該透鏡的焦點處，相鄰透鏡間的縫隙能夠達到0.01mm級別，滿足設計要求。

2.3.2透鏡組合方式

透鏡組合方式是將多個小透鏡打磨后粘接排列在薄的光學玻璃板上，組合成為一列排列緊密的透鏡組，每個透鏡單獨成像。為了降低透鏡的加工精度、粘結精度及成本，將探測光路先擴束放大后再進行拆分。

2.4探測電路設計

2.4.1光電轉換模塊設計

光電轉換選用高靈敏度PIN光電二極管。所用光電二極管的響應頻率和響應波長與探測光源相對應，其結電容大，并聯電阻大。大的結電容可增加帶寬，同時具有較小的噪聲；而大并聯電阻的光電二極管具有小的暗電流，可減小信號噪聲。根據光電二極管的伏安特性曲線，設計其工作于反向電壓模式。光電二極管的工作點通過對半導體激光光源的光功率來進行設計，既要滿足在光功率變化范圍之內，光電二極管工作于線性區域，同時又要滿足取樣電壓能適合后級放大電路[7-9]。

信號取樣設計為電壓取樣，取樣電阻通過電容和光電二級管并聯。

2.4.2光電陣列模塊信號處理電路設計

由于每個光電模塊都會產生一路電信號，需將多個光電模塊產生的多路電壓信號處理成為一路電信號。

探測光源的波動是光電探測器的一個重要噪聲源[10]。在將幾路電信號整合時，需避免光源波動產生的噪聲被疊加、放大，降低信噪比。在該模塊設計中采用差分放大電路處理多路電信號。其原理是將光電模塊按位置分為兩組，每組光電模塊產生的多電壓信號經加法電路處理為一電壓信號，然后與另一個加法電路處理的電信號進行差分放大，輸出一路電壓信號。光電模塊信號處理電路如圖3所示。

圖3 光電模塊信號處理電路

2.4.3后級放大電路設計

放大電路要滿足寬帶寬、低噪聲和高放大倍數。為了實現高增益、寬帶寬，整個電路采取兩級放大器串聯，使單個放大器工作于低增益、寬帶寬狀態，通過兩級串聯來獲得高增益。對于降低噪聲，一是采用失調電壓和溫度漂移相互補償的二級運放電路，利用參數基本一致的兩塊放大器AD844，第一級正向放大，第二級反向放大，通過相互補償減小失調電壓和溫度漂移；二是通過仿真分析，選擇合適的電阻阻值和進行電阻濾除噪聲設計；三是對印制板的走線進行細致分析設計，減小電源和接地點對電路噪聲的影響。

3 驗證試驗及分析

3.1試驗條件

驗證試驗在FD-18A超高速碰撞靶上進行，試驗彈丸尺寸：Φ0.6mm、Φ1.2mm；彈丸發射速度：約3km/s ；靶室壓力：300Pa。

圖4 FD-18A超高速彈道靶

3.2試驗裝置

光電陣列探測系統結構主要包括超高速碰撞靶TC-50光電探測器的發射端、發散透鏡、復眼透鏡和光電陣列探測模塊：其中，TC-50光電探測器的發射端用來發射平行片光形成寬50mm的探測視場，發散透鏡用于將平行片光擴束，復眼透鏡用于將來自發射端的平行片光分成6路光束后匯聚到光電二極管陣列的各個接收窗口，光電陣列探測模塊用于接收光信號并進行處理。光電陣列探測系統如圖5所示。由于在探測光路設計中選用透鏡組合方式拆分光路需重新加工透鏡組，透鏡組的加工費用又較高，所以在驗證試驗中不采用透鏡組合方式。

圖5 光電陣列探測系統

3.3試驗結果與分析

試驗獲得的彈丸信號如圖6和7所示。圖6為彈丸尺寸Φ0.6mm、速度2.8km/s試驗中光電陣列探測系統的探測信號，信號峰值為4.096V，噪聲幅值為0.354V；圖7為彈丸尺寸Φ1.2mm、速度3.0km/s試驗中光電陣列探測系統的探測信號，信號峰值為8.768V，噪聲幅值為0.354V。

圖6 Φ0.6mm彈丸信號

圖7 Φ1.2mm彈丸信號

根據光電陣列探測的原理，彈丸在高速穿過探測光幕時產生的電壓信號與彈丸直徑成正比關系。結合試驗結果，對該光電陣列探測系統的響應度進行分析，并對該光電陣列探測系統的探測能力進行分析。

3.3.1光電陣列探測系統響應線性度

通過電壓幅值與彈丸直徑的比值可確定光電陣列探測系統的響應度。

由圖6可得探測系統對Φ0.6mm彈丸的響應度為：

4.096/0.6=6.826V/mm

(2)

由圖7可得探測系統對Φ1.2mm彈丸的響應度為：

8.768/1.2=7.306V/mm

(3)

雖然不同片光位置的光強度不一致，但經過光闌對光束約束處理后其差別較小，可認為光電陣列探測系統對不同直徑的彈丸的響應基本為線性。

3.3.2光電陣列探測系統探測能力分析

由圖6和7可得光電陣列探測系統的噪聲為0.354V，根據信噪比分析結果可推算光電陣列探測系統可探測最小彈丸直徑為(響應度按Φ0.6mm彈丸的響應度計算)：

最小彈丸直徑=0.354/6.826=0.05mm

(4)

4 結 論

通過開展光電陣列探測技術研究和驗證試驗，可知光電陣列探測技術能夠提高光電探測器的性能、提高信噪比和探測下限，其最小彈丸探測直徑可達0.1mm，滿足超高速碰撞試驗中亞毫米彈丸的可靠探測和測速控制的需求，進一步拓展了超高速碰撞靶開展空間碎片防護試驗的范圍。

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作者簡介:

任磊生(1983-)，男，湖北老河口人，工程師。研究方向：彈道靶測控。通信地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發展中心(621000)。E-mail： skyandecho@163.com