模擬電子——紅外光幕靶調理電路與數據采集

是一種利用光電轉換原理作為啟動和停止裝置的測速靶。當彈丸從光幕上方通過時,改變了落在光電管上的光，于是便產生一個信號，使計時儀開始或停止工作。他的主要優點是可以在彈道上測量飛行時間，而不會妨礙彈丸的正常飛行，由于缺乏一般的空間分辨能力，使用上受到限制，光電靶分為光幕靶和天幕靶，可根據射擊條件選擇使用。

光幕靶是一種以led光電轉換技術為基礎的彈丸速度測量區截裝置，采用人工光源，因此操作簡便穩定性好，靈敏度和測試精度較高。這里提出一種新型紅外光幕靶led光電探測系統與信號調理電路設計，采用紅外發光二極管作為發光光源，通過光電二極管陣列進行接收信號，將該信號處理后再接到測試儀器上，從而得到彈丸過靶速度。

1 發光系統

　　設計中采用紅外發光二極管陣列發射紅外光，形成光幕，相鄰的發光二極管的直徑為5 mm，則緊密排列后其中心間距為5 mm。根據紅外發光二極管的壓降，工作電流，額定電壓等，設計出能使發光管發光強度滿足要求，并能穩定工作的電路。

　　以往的光幕靶大多采用恒壓源的設計方法，但是由于影響紅外發光二極管發光亮度與穩定性的主要因素是為流經其電流大小，因而采用LM317設計恒流源電路，具體電路圖如圖1所示。該電路設計采用LM317的標準恒流源電路接法，其輸出電流Iout為：

2 光電轉換電路

　　利用紅外光敏二極管作為光電轉換器件完成光信號到電信號轉換。這種器件具有響應速度快、體積小等優點，廣泛應用于光電檢測。該電路設計采用由50只光敏二極管連接起來組成陣列，如圖2所示，圖2只給出其中2路，其余各路連接方法相同。其中，電阻R1、R2為取樣電阻，阻值可稍大一些，有利于增加電路靈敏度以提高整個測試系統的靈敏度；電容C5、C6主要用于交流耦合。

3 放大電路

　　在測試系統中，當彈丸穿過靶面時，由由光敏二極管輸出的電信號比較微弱，如果此輸出信號直接輸出到后續電路往往會被噪聲淹沒，因此要有效利用該輸出信號，必須對其進行放大。放大電路的作用就是放大光敏二極管輸出的微弱電信號，使之滿足后續處理電路的需要。電路需放大1 000倍左右，以往的光幕靶設計采用兩級放大(圖3)，由于放大倍數過高，導致兩級放大噪聲和溫漂等比較嚴重，因而該設計采用三級放大電路，如4圖所示。其中每一級放大10倍，由于是阻容耦合，因而放大l 000倍左右。其中每一級后連接有低通濾波電路。該電路設計為低于50 kHz的信號才可通過。

4 觸發電路
在系統中，彈丸穿過靶面時產生的信號將觸發后續的計時電路，產生觸發計時脈沖的時刻應該不受輸入信號幅度的影響。一般槍炮彈丸垂直穿過靶面時，波形前沿變化較緩慢，而波形后沿陡峭，如圖5所示。

　　彈尖觸發方式就是利用彈丸過靶信號的波形前沿觸發后續計時電路。這種觸發方式由于過靶信號的波形前沿斜率較小，同時不同光幕靶的光幕厚度存在差異，使得彈丸在穿過不同光幕時產生的觸發時刻一致性較差，因而造成較大的觸發誤差；而彈底觸發方式則是利用彈丸過靶信號的波形后沿來觸發后續計時電路。常規過靶信號處理會采用波形后沿信號二次微分零值點作為觸發點。相比較而言，彈底觸發方式具有較強的抗干擾能力。適用于一般的彈丸測試。

在觸發電路設計時，首先利用電壓比較器將彈丸過靶信號變為脈沖信號，電壓比較器的門限可以根據實際情況進行調節，然后再利用CPLD器件進行彈尖、彈底選擇，當選擇彈尖觸發時，讓經過電壓比較器后的脈沖信號直接輸入到后續電路中；當選擇彈底觸發時，經過電壓比較器后的脈沖信號，再經濾波電路，最后輸出一個固定脈寬的脈沖到后續電路。這里采用電壓比較器LM311設計比較電路，將彈丸過靶信號設計變為脈沖信號，其具體電路原理圖如圖6所示。

5 濾波電路

　　光電靶在工作過程中，當靶面內的光通量發生足夠大的變化時，光電傳感器就會響應這種變化而產生電信號，也就是說，一些非彈丸物體在穿過靶面時也會使得光幕內光通量發生變化以至光電傳感器產生電信號。根據光電靶的工作原理，穿過靶面的飛行物體速度不同，遮擋的時間就不同，在電路中表現為比較器后產生的方波脈沖的寬度不同。

　　式中，l為飛行物的長度，d為光幕面的厚度，v為飛行物的速度。

　　沖擊波以聲速計算，v為340 m／s，d=3 mm，則可知沖擊波穿過光幕產生的方波信號脈沖寬度為：；若v=330 m／s，則t1≌9．1 μs。蚊蟲等飛行物飛行速度v為20 m／s，物體長度l約為10 mm，則可知蚊蟲飛過光幕產生的方波信號脈沖寬度。紅外密集度立靶測試系統測試彈丸彈速范圍為200～l 200m／s，主要用于5．8、7．62、9 mm 3種彈，沖擊波的影響主要產生于對9 mmx19 mm的手槍彈的測量，該彈丸彈速約為320 m／s。根據彈速和彈長，可知彈丸穿過光幕產生的方波信號脈沖寬度。

　　根據靶場實際測試情況，彈丸穿過光幕時產生的方波信號脈沖寬范圍為150～10μs則認為脈沖寬度為該范圍內的信號為無效，則需剔除，此時可將蚊蟲干擾信號和沖擊波信號濾除，從而達到抗干擾的目的。

6 實驗結果

　　在重慶某靶場，廠方對紅外密集度光電立靶進行實彈射擊驗收試驗，測試數據如表1所示。

　　由表1可看出本系統在實彈測試中數據穩定，沒有出現脫靶與數據不合理的情況，達到靶場測試要求。

7 結論

　　通過理論分析和實彈測試，證明了該光電探測系統及信號處理電路已成功地獲取了彈丸過靶信號并能觸發測時儀，能夠得到穩定的彈丸過靶信號，其抗干擾能力較強。適用于各類口徑的彈丸測試。