邓丽华，叶 彪，刘国祥，孙福强，刘 宇

（中航工业洪都，江西南昌330024）

0 引言

随着航空事业的不断发展,鸟撞试验越来越受到航空部门的重视。在鸟撞试验中,鸟弹的速度是研究部件抗鸟撞特性的关键指标,试验中必须准确可靠地测量出鸟弹的速度。

以前在飞机部件鸟撞试验中，曾经使用多组线激光束来测量计算鸟弹速度，但其存在可靠性差、容易误触发等缺点，常常引起错误的速度测量结果。

目前流行的速度测量区截装置因被测物、环境等的差别有天幕靶、线圈靶、网靶和金属泊靶等普通通、断靶，且各有特点。激光光幕区截测量速度的方法因其高可靠度、非接触测量、精度高、响应速度快等特点在鸟撞试验中独具优势。

1 系统结构及工作原理

大面积激光光幕速度测试系统（如图1所示）采用半导体激光发生器为光源，用菲涅耳透镜形成平行激光幕单元，通过多个平行激光幕单元的无缝拼接形成大面积靶面,根据实际所需要的光幕靶面的大小选择平行光幕单元模块的个数。光幕靶的另一边选用大面积PIN光敏二极管作为光电检测器件，以确保在实现大面积光幕区的同时，平行激光的全部接收。当高速飞行物体穿越激光光幕时，光通量的变化通过信号处理电路被转变为电信号并采集到计算机进行波形显示及数据处理。该系统由启动光幕和停止光幕两套相同的激光光幕靶构成一套区截装置。当高速飞行物体穿越启动光幕靶时产生一个测速的启动信号，穿越停止光幕靶时产生一个测速的停止信号。启动光幕和停止光幕之间预设一个靶距，根据区截测速原理可以实现弹丸过靶速度的测试。

2 大面积平行光幕的形成

菲涅尔透镜 (Fresnel lens)是一种精密的光学系统，它是根据对接收灵敏度和接收角度的要求设计制造的，通常由聚乙烯材料注塑成薄纹片，再刻上精细的镜面和纹理。其技术精度要求甚高，优质透镜必须纹理清晰、表面光洁、厚度在0.65 mm左右。红外光的透过率应大于65%。与传统的光学玻璃透镜相比，菲涅尔透镜具有重量轻，材料来源丰富，成本低，制作方便，口径大，厚度薄等特点。菲涅尔透镜在成像上有一个突出的优点——有非球面透镜的作用，可以消除球差。菲涅耳透镜是一块其中一面刻有一系列同心棱形槽的轻薄光学塑料片，其每个环带都相当于一个独立的折射面，这些棱形环带都能使入射光线会聚到一个共同的焦点。在平行光垂直入射的情况下，在其焦面上能得到一个无像差的会聚点。根据系统要求，选择长焦距消球差的柱面菲涅耳透镜(见图2)。

平行光幕是利用经准直扩束后的“一”字线半导体激光器作为光源，经菲涅耳透镜形成平行光幕单元，然后由若干个平行光幕单元模块无缝拼接形成大面积光幕靶面。该光幕具有良好的平行性。大面积平行光幕靶的原理如图3所示。

图1 大面积激光光幕速度测试系统

图2 菲涅耳透镜结构光路图

图3 大面积平行光幕

3 高速飞行物速度计算

用两套相同的激光光幕靶可构成一套区截装置。

当鸟弹穿过激光光幕时，进入光电检测器的光通量将发生变化，由光电检测器将变化的光信号转化为电信号。经触发整形成为具有一定脉冲宽度的触发计时信号。以ti时刻的鸟弹通过启动靶的信号为起始信号，以ti′时刻鸟弹通过停止靶的信号为结束信号，得到鸟弹通过两靶间距离Δx上所消耗的时间为Δti=ti′-ti，同时已知靶距为Δx，，因此可以根据V=Δx/Δti，计算出被测运动物体通过该段距离的平均速度。激光测速靶系统工作框图如图4所示。

该激光光幕测速系统的测速软件为R3030测时仪（如图5所示）。R3030测时仪是新一代的武器试验专用智能测时/测速仪器，它主要负责对各信号进行采集及对数据进行分析处理。该系列仪器可以在使用很长的测试线路和电磁干扰信号较强的情况下准确可靠地工作。信号的输入端接光幕靶OC门电路输出，如图6白线所示。

图4 激光测速靶系统工作框图

4 光幕靶的灵敏度分析

在光幕靶的实际使用中，往往会发生误触发的情况。如蚊虫干扰，是指在室外使用光幕靶时,由于蚊虫等低速物体穿过光幕靶的靶面时引起的误触发现象。光幕靶的有效视场越大,这种干扰出现的几率也就越高,有时甚至使得测试无法进行,给测试工作带来了很大的不便。为了提高该测速系统的抗干扰能力，可根据被测物的大小选择灵敏度（如图6所示）。

图5 R3030测时仪

图6 光幕靶接收端的控制面板

光幕靶信号处理电路的工作原理如下:当鸟弹穿过光幕靶时,光电传感器响应光通量的变化,信号处理电路将这个变化信号经过交流放大后进入电压比较器,当幅值高于预定设置的比较电压时,比较器就翻转,产生触发脉冲。因此,无论什么因素,只要能使光幕靶的光通量产生足够大的变化,测试系统就会有相应的输出。根据弹形不同,可分别采用弹底触发和弹尖触发。脉冲信号的前沿为弹尖触发时刻,脉冲信号的后沿为弹底触发时刻。该光幕靶的灵敏度是根据光通量变化的大小来分辨的。灵敏度调的越低，使光幕靶触发所需的光通量变化就要越大。飞行小物体（如蚊虫）穿过激光光幕时，由于其挡光面积小，产生的光通量的变化也小，当灵敏度调节到低档时，小物体穿过激光光幕时所产生的光通量不足以将光幕靶触发。所以在鸟撞试验测速中，灵敏度应该尽可能调到低档，以防止由于蚊虫、微尘所引起的误触发。灵敏度与被测物要求关系见表1。

表1 灵敏度与被测物要求

5 试验验证

试验证明光幕靶的灵敏度调到低档时，小物体穿过激光光幕时不会引起误触发，极大提高了试验的可靠性。

试验时，设置好R3030测时仪的各项参数，如靶距、通道等，准备计时。当弹丸穿过启动靶时，计时开始；当弹丸穿过停止靶时，计时结束。显示器显示整个测速过程的时间（如图7）所示。为了验证计时仪的准确性，用瞬态波形记录仪采集到鸟弹穿越启动靶与停止靶的波形，如图8所示。采集到的波形经放大，可精确地显示出鸟弹穿过靶区的脉冲波形，穿过启动靶时的脉冲波形如图9所示，穿过停止靶的脉冲波形如图10所示。根据两波形下降沿的时间间隔，可以读出整个测速过程的时间。

图7 计时仪采集到的时间

图8 弹丸穿过两靶区的波形

图9 弹丸穿过启动靶的脉冲波形

图10 弹丸穿过停止靶的脉冲波形

为验证测速误差，我们通过10次试验比较了两套设备的所测时间，验证了时间的准确性，试验中计时仪与瞬态记录仪所测时间对比见表2。试验证明，用瞬态波形记录仪采集到的时间和计时仪采集到的时间误差≤0.2‰。

表2 试验中计时仪与瞬态记录仪所测时间对比

6 结论

试验证明该激光光幕测速系统具有响应速度快、精度高、工作可靠、光幕区面积大、灵敏度高、非接触等特点。为飞机鸟撞试验提供了一种更可靠更先进的鸟弹速度测试方法。

[1]邓均.大面积平行光幕着点系统.光电工程,2010,3.

[2]康建毅.激光测量子弹速度研究,激光与红外,2002,2.