靶场测试技术中,引信在精确制爆方面起着至关重要的作用,精确地制爆需要精确的制爆时间,而精确的制爆时间则是由精确的测试仪器测出的。为了测量炮弹出膛到炸点爆炸时刻的时间,在炮弹出膛时间已知的情况下,则炮弹爆炸时刻为探测之重点,文中所提到的红外炸点探测装置就是用以精确探测炸点时刻之用^[1]。炸点探测装置将探测到的炸点时刻脉冲信号传送到计时仪,经处理后便可得到精确的炮弹飞行时间,整个过程如图 1所示。

图 1

Fig. 1

图 1 炮弹飞行精确时间参数获取流程框图 Fig. 1 Block diagram of the process of obtaining the accurate shell flight time parameters

当炮弹爆破后释放出大量的光和热,通过采用合适的探测装置便可以将光信号转换成电信号输出给后续设备,经放大、滤波等处理后便得到可被后续设备检测到的时间脉冲信号。

对于用于炸点探测所使用的探测装置,有文献^[2]提出了一种小视场红外炸点探测装置,视场角越小,灵敏度越高。但是,视场角的减小导致了视场范围的降低,如果炸点稍有偏移可能使探测装置无法捕捉到炸点信号。一般的小视场探测装置大致可分为四个部分:光学系统、探测系统、电路硬件系统以及机械结构。通过对光学系统进行优化,提高成像质量及透过率,将有限的信号能量尽可能多地汇聚在光电传感器光敏面上,将大大提高整个探测系统的灵敏度^[3],但是如果只从光学系统去优化灵敏度是远远不够的,所以本文从探测器件的选择、电路硬件设计以及机械结构三方面出发,以达到对炸点探测装置性能改善的目的。

传感器是整个炸点探测装置的核心,选择合适的传感器对于探测装置的性能起着至关重要的作用。红外探测由于其抗干扰能力强,隐蔽性好等特点广泛应用于军事领域。在当今乃至将来,红外探测技术必将成为军事领域不可或缺的技术之一。

探测器的选择需要根据炸点火焰的光谱分布来确定,而其光谱分布主要是由炸点火焰的温度决定,温度越高,光谱分布的峰值越靠近短波。 弹丸所填充的弹药决定火焰的温度,从雷汞到苦味酸,温度在175～310 ℃之间变化^[4]。光谱分布主要集中在可见光和近红外区域,如果仅仅利用可见光区域来选择探测器的话,存在着外界光干扰的问题,比如白天光强过大导致炸点探测不到或者炸点火光微弱而不能被探测器探测到。

而在近红外这个区域便不存在上述可见光中出现的问题。在这个波段内可供选择的且普遍使用的传感器为硫化铅(PbS)传感器和红外光电二极管。硫化铅探测器一般只对1～3.5 μm的波长范围较为敏感,而VIGO公司的硫化铅探测器探测范围可从1～4.5 μm,已经进入到中红外区域,并且不需要制冷模块,这为制作便携式中红外探测装置提供了可能。而红外接收二极管可达780～1 100 nm,比硫化铅探测器的光谱范围要窄很多。更重要的是,这种红外接收管还严重受到距离的限制,这与其自身光电转换原理密切相关,根据辐射源辐射强度不同,最大探测距离从30～150 cm不等。但由于这种探测器价格低廉,在小范围探测中使用较为普遍,常被用于火灾现场报警、火灾现场检测机器人等。

从性能、成本、便于携带等多方面因素综合考虑,选择美国Judson公司光导型硫化铅(PbS)探测器,型号为J13TE2。由于能够实现在常温下工作,这意味着整个系统无需制冷模块便可正常工作,所以整个系统具有便于携带的特点,该探测器具体参数见表 1。

表 1(Table 1">Table 1)

表 1 J13TE2硫化铅探测器基本参数 Tab. 1 The parameters of J13TE2 PbS detector 名称 数值 光敏面 3 mm×3 mm 波长范围 1.0～3.5 μm 峰值波长 ≥2.5 μm 时间常数 <200 μs 响应频率 100～1 000 Hz 电阻 0.1～0.3 MΩ

表 1 J13TE2硫化铅探测器基本参数 Tab. 1 The parameters of J13TE2 PbS detector

从表 1中可以看出,硫化铅光电导探测器的电阻经红外光线照射后,其值在0.1～0.3 MΩ之间变化,所以炸点探测电路必须考虑与硫化铅光电导探测器的阻抗匹配问题才能使后续电路达到优越的性能。

炸点探测装置的电路包括探测器偏置电路及前置放大电路、主放大电路和信号滤波电路几部分,偏置电路为传感器提供偏置电压。对于光电导探测器,如果没有偏置电路为其提供偏置电压,光电导传感器是无法将光信号转换成电信号的。本设计采用恒流偏置,为系统提供了良好的信噪比^[5]。由于硫化铅光电导探测器具有很高的输入阻抗,暗电阻在2 MΩ左右,为了实现与硫化铅探测器的输入阻抗匹配,简单采用高输入阻抗运算放大电路是不能够满足使用需求的。本设计采用结型场效应管Q1与Q2构成跟随电路,大大提高了输入阻抗,再与Q4一同构成整个前置放大电路的跨导放大电路,提供了1 000倍左右的电流增益,最后通过高阻抗运放OP37对信号电压进行小幅度放大,电压增益为6。整个偏置及前置放大电路如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 探测器偏置电路及前置放大电路原理图 Fig. 2 Schematic diagram of detector bias circuit and preamplifier circuit

对于主放大电路而言,能否实现信号的探测很大程度上取决于主放大电路的放大及抑噪能力。通过三级运放实现将微弱的电压信号放大6 000倍的目的。首先通过第一级运放OP27对信号进行6倍的电压放大,第二级运放OP27对信号进行10倍的电压放大,第三级仪表运放INA103,采用芯片厂家提供的技术手册中的典型100倍电压增益放大电路^{[6, 7, 8, 9, 10, 11]};再通过合理地放置电容和电阻,对电路带宽以外的噪声进行滤除,整个探测电路原理图如图 3所示。

图 3

Fig. 3

图 3 探测装置放大电路原理图 Fig. 3 Schematic diagram of amplifying circuit detection device

加之前置放大电路的6倍电压增益,整个探测电路总的电压增益为36 000,能够对极微弱的信号进行探测,很好地满足了使用需要。

电源正负极的电容,有效地滤除了电源引入的高频和低频杂波,三级运放之间均有去耦电容,使前级与后级之间无相互串扰。

与前两者相比较,探测装置结构设计的重要性同样不可忽视,如果结构精度不能满足使用需求,将会影响整个系统的精度及使用性能。探测装置的结构主要包括:箱体、支架以及底座。整个装置具有调节水平、对准目标、保护箱体内部电路等作用。

对于底座的设计,采用三轴可调水平底座设计,通过对三个支撑座的调节和调平水泡配合使用,完成整个探测器的水平调节,图 4为支撑座剖视图。图 5为底座俯视图,通过俯视图可以看到,三个支撑座均匀分布,使底座具有良好的稳定性,同时能够实现360°旋转。

图 4

Fig. 4

图 4 支撑座剖视图 Fig. 4 Sectional view of turning

图 5

Fig. 5

图 5 底座俯视图 Fig. 5 Top view of the base

对于探测器架体的设计,目的主要有两个,一个是实现对探测器主体部分的支撑,第二个就是完成对箱体部分一定角度的俯仰,与激光器配合实现探测器与炸点位置的对准。当枪或者炮瞄准靶心时,探测装置调水平,配合俯仰和360°旋转实现将探测器镜头用激光器对准靶心,当弹丸在靶面爆炸后,炸点位置应在探测器视场中心附近。有了对准装置,被探测器接收到的炸点处的红外辐射能与无对准装置相比将大幅度提高。探测器镜头轴线方向和激光器激光束方向垂直距离一定。当整个装置调节水平后,调节底座360°旋转机构,和俯仰机构,通过激光器对准,完成整个对准过程。图 6为整个探测装置结构主视图。

图 6

Fig. 6

图 6 探测装置主视图 Fig. 6 Main view of the detection device

搭建实验平台,通过实验对上述理论进行论证。采用硫化铅探测器和红外接收二极管分别进行给定距离的探测,用直径为5cm的炮竹代替炮弹炸点。通过激光瞄准器将探测器与被测点对准,记录数据,结果如表 2所示。

表 2(Table 2">Table 2)

表 2 两种探测器输出电压值对比 Tab. 2 The contrast of two kinds of detector output voltage value 探测器探测距离/m 硫化铅探测器输出幅值/V 红外光电二极管探测器输出幅值/V 5 3.825 5 0.000 8 10 0.351 3 0.000 9 15 0.097 2 0.000 6 20 0.015 3 0.000 7 25 0.005 9 0.000 8 30 0.001 1 0.001 0

表 2 两种探测器输出电压值对比 Tab. 2 The contrast of two kinds of detector output voltage value

在户外强光下(2 000 lx)进行实验时发现,采用红外光电二极管作为传感器的探测装置会出现误报现象,通过调节探测装置上的电位器将灵敏度调低直至不发生误报后进行测试,从表 2所示,红外光电二极管探测装置输出均在0.000 7 V左右跳动,且不随探测距离发生任何变化,结果说明该装置已经不具备探测能力。硫化铅探测器输出幅值随着探测距离的增加而减小,在25～30 m处淹没在噪声之中,背景噪声平均值为0.001 0 V,由数据可知,在30 m处时,信号已完全淹没在背景噪声之中。

在其他条件不变的情况下进行两组实验,第一组具有激光瞄准器而第二组无激光瞄准器,探测器均选用硫化铅探测器,实验结果见表 3。

表 3(Table 3">Table 3)

表 3 有无激光瞄准器输出值对比 Tab. 3 The contrast of laser sight output 探测距离/m 第一组输出电压值/V 第二组输出电压值/V 5 3.825 5 3.826 3 10 0.351 3 0.332 5 15 0.097 2 0.089 7 20 0.015 3 0.005 3 25 0.005 9 0.001 0 30 0.001 1 0.001 1

表 3 有无激光瞄准器输出值对比 Tab. 3 The contrast of laser sight output

从表 3中可以发现,以第一组值作为参照标准,第二组输出电压值在除5 m处略高于第一组外,其余点均低于第一组,这说明探测器没有完全接收到炸点处的能量,这是由于在没有激光瞄准装置又无法精确定位的情况下,探测器与炸点中心位置没有在一条直线上,造成了炸点能量信号的损失。在25 m处,第二组输出值已完全探测不到,淹没在背景噪声之中。

对以上实验结果加以分析,不难发现,以硫化铅探测器为传感器的红外炸点探测电路与传统红外光电二极管探测器相比具有受光照影响小的特点,能够适应更强的光照环境。采用低噪声前置放大电路与高增益放大电路组成的红外炸点探测电路,不仅做到了很好的阻抗匹配,而且设计了合适的电路带宽有效地抑制了噪声,同时主放大电路选用集成运放,实现了电路的简洁化,大大提高了电路的可靠性及稳定性。最后,合理地设计了探测装置系统的机械结构,机械结构不仅保护了在靶场恶略环境下工作的探测器及电路,同时提高了探测的精准度,实现精确对准的目的。

本文对小视场红外炸点探测装置的传感器、电路和结构设计三个方面进行了优化,实验证明,通过以上三方面优化的探测装置较以往的探测器具有更优良的性能,探测性能大幅度提高,能够满足靶场测试实际需求。