袁 云， 田 会， 吴 斌

(西安工业大学 光电工程学院， 陕西 西安 710032)

高原环境下天幕靶探测电路设计

袁 云， 田 会， 吴 斌

(西安工业大学 光电工程学院， 陕西 西安 710032)

针对现有天幕靶在高原环境下天空背景主要为蓝光引起的探测灵敏度急剧下降的问题， 提出了双光幕探测方案， 设计了过幕信号增强电路和程控放大控制电路. 采用两套独立的光电转换模块在空间形成重合的探测光幕. 当弹丸穿过重合光幕时， 两套模块各自独立输出弹丸过靶信号， 经信号增强电路进行处理后， 提高信噪比、 输出有效的弹丸过幕信号. 设计的电路经在双镜头天幕靶上使用验证， 电路工作可靠， 提高了天幕靶的探测灵敏度.

双镜头天幕靶； 探测灵敏度； 光电探测； 信号增强电路； 程控放大

0 引 言

天幕靶是靶场测试枪炮弹丸初速度的常规仪器， 两台天幕靶与一台测时仪组成的区截测速装置在弹丸测速领域得到了广泛应用[1-3]. 高原试验靶场由于海拔高、 空气密度稀薄， 背景光线中蓝光透过率强， 背景光能量相对较弱[4]. 在高原进行区截测速试验时， 弹丸穿过天幕靶幕面时引起的光能量变化较为微弱， 输出过幕信号幅值较低， 无法有效提取. 针对上述问题， 本文采用两套独立的光电转换模块在空间形成重叠的探测光幕， 弹丸穿过重叠探测光幕时， 两个模块独立输出过幕信号， 经信号增强电路进行合成， 输出有效的弹丸过靶信号. 信号增强电路主要包括信号合成、 程控放大、 末级放大以及驱动输出电路， 可通过外界环境实时调整电路的增益,这样使得天幕靶的灵敏度[5-7]有所提高.

1 双镜头天幕靶工作原理

天幕靶测速系统主要包括： 两台双镜头天幕靶、 专用电源和测时仪， 各部分之间的连接关系如图 1 所示. 沿弹道线间隔一定距离摆放两台天幕靶[8-10]， 当弹丸穿过起始光幕和截至光幕时， 探测器件接收到的光通量发生变化， 输出微弱变化的光电流信号， 经过信号处理电路输出弹丸过幕脉冲信号， 通过测时仪测量两台天幕靶输出脉冲信号的时间间隔， 结合两靶间的靶距， 即可计算出弹丸飞行速度.

双镜头天幕靶主要由光电转换模块、 信号增强电路以及箱体等3部分组成， 如图 2 所示. 信号增强电路包括加法电路、 程控电路、 末级放大电路、 跟随电路、 驱动电路以及程控放大控制电路. 两套光电转换模块分别配置两套独立的光电转换前级放大电路. 光电转换模块1和光电转换模块2形成两个在空间重叠的光幕. 当子弹穿过重叠光幕时， 两套光电转换模块均输出弹丸过幕信号， 经过信号增强后输出最终过幕信号， 该信号表征弹丸到达光幕探测面的时刻.

图 1 区截测速天幕靶组成框图Fig.1 The diagram of velocity measurement of sky screen

图 2 双镜头天幕靶结构图Fig.2 The diagram of dual-shot sky screen

2 信号增强电路的总体实现

双镜头天幕靶中光电转换模块采用原有的天幕靶光电探测电路和前级放大电路， 信号增强电路是将两个光电探测模块输出的信号进行综合放大， 并有效提高信号比， 图 3 为信号增强电路总体框图.

图 3 信号增强电路框图Fig.3 The diagram of signal enhancement circuit

两个光电转换模块同时输出的前级过靶信号， 经加法电路信号对输入信号的模拟相加之后输出为信号OUT1， 再输入到该程控放大器的输入端； 经过程控放大电路输出的信号OUT2输入到末级放大电路， 通过末级放大的信号OUT3经过驱动电路输出到得最终信号. 单片机需要分析信号噪声的幅值来确定程控放大电路的倍数， 由于程控放大和末级放大都会放大信号的噪声， 因此使用单片机AD转换口采集合成电路输出信号OUT的噪声； 为了不影响原有信号， 要将该信号与AD转换隔离开来， 在将电路噪声输入给单片机之前要加一倍放大跟随电路.

图 4 所示程控放大器PGA203， 具有高通频带， 提供了与TTL或CMOS相兼容的输入端口， 通过控制芯片管脚1和管脚2的逻辑电平， 可以实现放大电路1， 2， 4， 8倍放大， 其参考电压VREF置为0 V， 即可放大以0 V为参考点的双向信号.

图 4 程控放大控制电路Fig.4 The diagram of programmable gain circuit

程控放大控制电路主要完成程控放大的控制， 可通过测试弹丸直径、 弹道高度和天空亮度在试验现场方便地调整信号处理电路增益， 避免出现过幕信号幅值饱和引入测试误差或过幕信号淹没在噪声中无法识别. 采用串行通讯方式由上位机给单片机发送控制命令， 单片机依据接收到的指令设定程控放大器的放大倍数， 实现1, 2, 4, 8倍的放大选择. 此外， 也可依据天幕靶输出的模拟信号噪声幅值调整增益倍数.

3 实验验证

为了验证双镜头天幕靶对弹丸过幕信号的增强效果， 进行实弹射击验证. 由于暂不具备高原试验条件， 为了模拟试验环境， 在西安蓝天情况下进行气枪弹测试试验. 将双镜头天幕靶放置在水平的地面上，调节镜头光圈为最大、 用卷尺测量物距为0.85 m、 射击高度为0.8 m、 用照度计测量天空照度， 通过上位机控制不同的程控放大倍数， 以不同的高度进行气枪实弹射击实验并记录实验数据如表 1 所示. 图 5 为采用8倍程控放大时输出的信号波形， 其中CH1为光电转换模块1输出的信号， CH2为光电转换模块2输出的信号， CH3为信号增强电路输出信号波形. 分析试验信号幅值， 采用双镜头天幕靶能够有效增加弹丸过幕信号的幅值， 提高信噪比.

表 1 双镜头天幕靶输出信号幅值

图 5 实验波形图Fig.5 Waveform picture of experiments

4 结 论

针对高原环境天幕靶输出信号幅值低无法有效测速的问题， 提出双镜头天幕靶实现方案， 设计了信号增强电路并进行试验验证. 主要结论有： ① 双镜头天幕靶的两套光电探测模块在空间形成的光幕共面重合， 飞行弹丸从幕面内穿过时， 两个探测模块各自独立输出弹丸过幕信号； ② 信号增强电路将两路信号进行相加运算， 有效提高信噪比. 依据试验现场环境调整程控放大器的放大倍数， 最终输出弹丸过幕信号； ③ 设计的双镜头天幕靶在蓝天环境下进行气枪弹射击验证， 能够有效提出过幕信号的幅值.

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Design of Detection Circuit for Sky Screen in Plateau

YUAN Yun, TIAN Hui, WU Bin

(School of Optoelectronic Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032, China)

In order to solve the problem that the sensitivity of sky screen is sharply decent in plateau air background mainly consist of blue light, and dual-shot sky screen solution is proposed. Design of signal enhancement circuit and program control amplifier circuit. Two sets of independent conversion modules of photoelectric detector are used to form two coincident probe screens in space. When the projectile passes through the coincident screens, two modules would output the signals independently, and the signals would carry out the synthesis by signal processing circuit in the behind, and increase signal to noise ratio, which would output the projectile flight signal effectively at last. The design of circuit has been used in dual-shot sky screen, improved the sensitivity of sky screen with reliable performance.

dual-shot sky screen; sensitivity; photoelectric detection; signal enhancement circuit; programmable gain circuit

1671-7449(2017)01-0047-04

2016-09-17

袁 云(1991-)， 女， 硕士生， 主要从事兵器靶场光电测试的研究.

田 会(1980-)， 男， 副教授， 博士生， 主要从事兵器外弹道参数光电测试与信号处理的研究.

TJ012.3+6； TP202+.2

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.01.008