熱釋電紅外傳感器在新型彈藥引信中的應用*

平子鵬　趙　洋

(海軍工程大學　武漢　430033)

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熱釋電紅外傳感器在新型彈藥引信中的應用*

平子鵬趙洋

(海軍工程大學武漢430033)

摘要引信的目標探測與識別是新型智能彈藥系統的重要組成部分,結合當今目標探測識別技術,給出了一種基于熱釋電紅外傳感器的引信探測與識別方法。文章在闡述熱釋電紅外傳感器工作原理的基礎上,分析人體目標的紅外特性并進行實驗仿真。結果表明,基于熱釋電紅外傳感器的引信目標探測與識別是可行的,對提高武器系統作戰效能,增強常規威懾和實戰能力具有關鍵作用。

關鍵詞引信; 目標探測與識別; 紅外傳感器; 仿真

Application of PyroelectricInfrared Sensor in New Ammunition Fuze

PING ZipengZHAO Yang

(Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractThe target detection and recognition of the fuze is an important part of the new intelligent ammunition. Combined with the current target detection and recognition technology, a method of target detection and identification is presented based on the pyroelectric infrared sensor. On the basis of the working principle of pyroelectric infrared sensor, the infrared characteristics of the human body are analyzed and the experimental simulation is carried out. The results show that the target detection and recognition based on pyroelectric infrared sensor is feasible, which has a key role in improving the operational effectiveness of weapon system, enhancing the conventional deterrence and combat capability.

Key Wordsfuze, target detection and recognition, infrared sensor, simulation

Class NumberTN21

1引言

引信的目標探測與識別是新型智能彈藥系統的重要組成部分[1]。如何在有干擾的情況下,在盡可能遠的距離上快速有效地對目標進行可靠檢測和準確識別,是新型智能彈藥面臨的重要挑戰。在相同的彈目交會情況下,采用性能先進的引信會對目標的命中率有很大的提高。所以,研究在復雜戰場環境下高精度命中目標要害部位的能力和抗干擾能力的紅外探測引信系統是有必要的,而且意義重大,必將成為常規威懾力量的重要因素[1]。

近年來,為了提高在戰場中武器系統的抗干擾能力、精確制導能力、反隱身能力,各國都在發展高精度的探測系統。隨著微電子技術、信號處理技術的發展,新的探測手段和探測器件不斷產生[2]。例如美軍的“猛禽”智能作戰前哨、自修復雷場,歐洲各國的TOBIS系統、CLASSIC系統等都是先進的遠程地面偵察系統[3]。基于此,本文闡述了一種紅外引信探測識別系統,它利用紅外傳感器接受目標的紅外輻射信號實現目標自動識別、定距。

熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象,它是由于物體內部分子的轉動及振動而產生的,一切溫度高于零度的物體都能產生熱輻射能,溫度越高,輻射出的總能量就越大,短波成分也越多。通常所有物體都是紅外輻射源,只是發射的紅外光波長不同[4]。

2熱釋電紅外傳感器的工作原理

物體發射出的紅外線輻射能,峰值波長和溫度的關系滿足:

λm*T=2989(μm·K)

其中λm為最大波長,T為絕對溫度。人體的正常體溫為36℃～37.5℃,即309K～310.5K,其輻射的最強的紅外線的波長為

λm=2989/(309～310.5)=9.64μm～9.67μm

其中心波長為9.65μm[5]。本文正是利用人體紅外輻射的這種特性和熱釋電紅外傳感器可探測人體所輻射出的紅外光的特性,闡述了熱釋電紅外傳感器在新型彈藥引信中的應用。

熱釋電紅外傳感器是基于熱電效應的熱電型紅外傳感器。其內部的熱點元由高熱電系數的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵、場效應管等配合濾光鏡片窗口組成,其極化程度隨溫度的變化而變化。當紅外光照射到已經極化的鐵電體薄片上時,引起薄片溫度升高,其極化強度降低,使其表面的電荷減少,這就相當于釋放了一部分電荷,所以叫作熱釋電紅外傳感器。為了抑制因自身溫度變化而產生的干擾,該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反相串聯或接成差動平衡電路方式,因此能以非接觸方式檢測到物體放射出的紅外線能量變化,并將其轉化成電信號輸出[6]。

圖1是一個雙探測元熱釋電紅外傳感器的結構示意圖[7]。使用時D端接電源正極,G端接電源負極,S為信號輸出端。該傳感器之所以將兩個極性相反、特性一致的探測元串聯在一起,是為了消除環境和自身變化引起的干擾。它是利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內部相互抵消的方法來使傳感器得到補償。對于輻射至傳感器的紅外線,熱釋電紅外傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加在兩個探測元上產生壓差,從而使傳感器能夠輸出電壓信號。

圖1　雙探測元熱釋電紅外傳感器結構示意圖

制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料,它能探測的波長范圍是0.2μm～20μm。為了能使傳感器對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度,在傳感器的窗口上加了一塊干涉濾波片。這種濾波片不但能允許某些波長范圍的紅外輻射通過,還能將燈光、陽光等其他紅外輻射拒之門外。

3熱釋電紅外探測模塊的應用

熱釋電紅外傳感器用于引信時,其表面必須罩上一塊菲涅爾透鏡。所謂的菲涅爾透鏡就是一種由塑料制成的特殊設計的光學透鏡組,它與熱釋電元件配合,可以提高傳感器的靈敏度,擴大監視范圍。實驗證明,傳感器加上菲涅爾透鏡后,其檢測距離可以由原來的2m增加到10m。透鏡的工作原理是當移動物體或人體發射的紅外線進入透鏡的監視范圍,就會產生一個交替的“盲區”和“高敏感區”,使傳感器晶片的兩個反向串聯的熱釋電元件輪流感受到運動物體,所以人體的紅外輻射以光脈沖的形式不斷改變熱釋電元件的溫度,使它輸出一串脈沖信號,若人體靜止不動地站在熱釋電元件前,它會無輸出,可提高熱釋電紅外傳感器的抗干擾性能[8]。

圖2　菲涅爾透鏡檢測示意圖

熱釋電紅外探測模塊是采用新技術和新工藝將高靈敏的熱釋電紅外傳感器、電壓放大器、信號處理電路、溫度補償電路、延時電路和高低電平輸出電路集成于一體的新器件。具有靈敏度高、剛干擾能力強、耐低溫(-30℃)以及使用方便等特點,主要用來探測人體發射出的紅外線能量,適用于人體移動的探測報警系統。圖3給出了一種常用的熱釋電紅外探測模塊HN911的外形,采用雙列6腳直插式封裝[8]。

圖4是HN911模塊的內部電路[9]。平時,1端輸出低電平,2端輸出高電平。當有移動發熱體進入監視范圍時,熱釋電紅外傳感器接收到紅外能量,并輸出檢測信號。該信號經放大器放大,由比較器進行比較判斷,再由信號處理電路處理后輸出控制信號。此時,輸出端1變為高電平,輸出端2變為低電平。在模塊的外部,可接增益調節電位器,以調節放大器的增益。放大器具有溫度補償功能,其主要作用是當環境溫度增高或背景紅外輻射能量增加時,可使放大器的增益隨著它們的增高而自動提升,從而保證整個電路工作的穩定性。

圖3　熱釋電紅外探測模塊HN911

圖4　HN911模塊內部電路圖

4實驗仿真

當有人員在探測區域運動時,由于菲涅爾透鏡的作用,紅外傳感器輸出是在一定基礎上以脈沖形式變化的電壓信號,變化幅度一般小于15mV,輸出頻率由透鏡區段、人的移動速度和方向決定,區段越多,人的移動速度越大,移動方向在傳感器最敏感方向的比例越大,頻率越高,反之越低,通常為0.1Hz～10Hz,經濾波和放大等處理后可獲得較大的輸出信號[10]。探測區域人沿傳感器最敏感方向運動和最不敏感方向運動的輸出信號如圖5、圖6所示。

圖5　人沿最敏感方向運動的輸出信號

圖6　人沿最不敏感方向運動的輸出信號

可以看出,即使沒有人出現在探測區域,也會有一定的干擾信號存在,幅值較小;人員在探測區域運動時,若輻射強度一定,則距離越遠,傳感器接收到的紅外輻射越小,產生的信號也越微弱,距離越近,傳感器接收到的紅外輻射越強,產生的信號也越強;若輻射強度與距離一定,運動方向在傳感器敏感方向上的分量越大,產生的信號也越強。

5結語

熱釋電紅外傳感器的應用非常廣泛,其價格低廉、技術性能穩定、開發使用簡單,特別是有了新型熱釋電紅外探測模塊后,使電路系統采用模塊電路設計,在引信設計中更加突出其成本低、接線簡單、抗干擾能力強、不易產生誤報警信號等特點[11～12]。此外,紅外技術在引信的應用中還具有其獨特的優點:可以全天候使用,適合夜戰需要;采用被動接收系統,不易受干擾等。這些特點都決定了紅外探測技術在軍事中的應用將越來越廣泛。

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中圖分類號TN21

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.038

作者簡介:平子鵬,男,碩士研究生,研究方向:兵器發射與動力推進技術。趙洋,男,博士研究生,研究方向:兵器發射與動力推進技術。

*收稿日期:2015年8月3日,修回日期:2015年9月19日