搜索
阵列光电探测器在光电探测靶中的应用摘要：针对在外弹道测量弹丸速度及命中靶标的二维坐标参数的光电探测靶，结合探测靶自身结构特点，提出将阵列光电探测器应用于光电探测靶的研制中，起到改善与提高其探测灵敏度和增大视场的作用；提出了采用离焦弥散技术，来消除阵列光电探测器中的探测盲区；概括分析在应用光电探测靶时影响光电探测靶探测的因素并提出合理改善措施。关键词：阵列光电探测器；光电探测靶；探测盲区；探测灵敏度TheApplicationofArrayOptic-electricDetectortoOptic-electricDetectingFireAbstract：Theoptic-electricdetectingfirewasusedintheexteriortrajectorytomeasurethevelocityandtwo-dimensionalcoordinateofthebullet，consideringthestructurecharacteristicsofoptic-electricdetectingfire，thearrayoptic-electricdetectorwasusedtoimprovethedetectsensitivityandincreasethedetectscopeintheoptic-electricdetectingfire；arrayoptic-electricdetectorexiststhedetectionblindareawhichcannotdetectthebulletsignalandthedeviatingfocustechniquewasproposedtoeliminatedetectblindarea；Thefactorsofinfluencingoptic-electricdetectingfirewereanalyzedandreasonable2improvingmeasureswereintroduced。Keywords：arrayoptic-electricdetector；optic-electricdetectingfire；detectblindarea；detectsensitivity1引言光电探测靶主要是应用光电转换原理做成非接触式区截装置,应用于野外探测弹丸瞬间穿越光幕的触发仪器,利用不同的组合光电探测靶,可以实现枪炮射击弹丸的出膛速度、终点弹道速度及弹丸命中靶标的立靶测试，影响光电探测靶的主要因素有探测放大电路、光学成像镜头、探测器件的响应速度及接收的光能等。为提高和改善光电探测靶,我们研究利用阵列光电探测器以提高探测靶的灵敏度。2光电探测器件的选择器件的选择既要符合系统要求，又要考虑到仪器的使用环境——室外高空测试，对探测器件的探测灵敏度要求较高，因此，在选择光电探测靶的探测器件时要合理。从探测灵敏度方面考虑，为了保证探测系统具有很高的响应速度，要求所选择探测器件响应速度要足够快；从探测视场考虑，尽可能的满足大视场。传统解决方法是用透镜或光纤将光缝汇聚后再由小面积光电管接收，但是，这样使结构复杂化，也会使光斑汇聚后能量集中，易使小面积光电管在静态时饱和。弹丸穿越探测靶光幕的光能变化量本身就很微弱，有可能还不足以使光敏二极管脱离饱和状态，也就不会有响应；若选用大面积光电接收3管，既不用将光缝汇聚，又不易饱和，但成本较高。根据系统探测靶的结构特点采用多元拼接阵列光电探测器，配合适当的光学镜头，可以实现不同的测试要求。从上面的分析，在研制的LBS-1型立靶测量系统中的光电探测靶，采用阵列光电探测器件代替原先的光纤汇聚方法，简化系统设计结构。该阵列光电探测器件是由16个光敏二极管排列而成一长条形的接收管，每单元接收光敏二极管的边长为2.5mm，拼接间隙为0.1mm，光电探测器探测总长为41.5mm，有效探测面积为2.5mm×16mm，采用这种拼接条形的光电接收器件主要是考虑到它的工艺成本低，以及硅光敏二极管的特性，该器件在0.4-1.1μm的波长范围响应度比较接近一致，对各种光都能探测到，对波长在0.8-0.9μm的范围响应度偏高，转换的效果比较好，同时，具有低噪声,响应速度快，探测灵敏度高等特点。3光电探测靶的光电接收器设计分析光电探测靶的测试结构示意图如图1所示，由于探测器是由16个正方形小单元的PIN二极管阵列组成，在两小单元接收管间出现探测盲区，如果采用形成天幕的固定狭缝紧贴光电探测器势必将存在探测盲区，当弹丸成像落于探测盲区时就会出现漏测现象，捕获率降低，为了消除探测盲区采用离焦弥散技术，即将光电探测器远离固定狭缝一段距离，使得整个视场的探测灵敏度接近均匀，这种方法占用空间小，光能量损失少，是比较先进的方法[4]。4图1光电探测靶测试结构示意图从光学性能方面考虑，固定狭缝的位置影响汇聚到光电探测器件上光线的多少，物镜与狭缝形成的光幕，汇聚天空无穷远背景光线的光能，在焦平面内聚焦成一个点，焦平面前后都形成弥散的光斑。运动物体在距离透镜有限远距离l上通过光幕，在离开焦平面S的平面内成清晰的影像如图2所示，其他平面内影像是模糊的。图2固定狭缝离焦平面的示意图S的计算公式为:5)(2flSf（1）S为物镜焦距与固定狭缝距离l为物体与透镜的距离f为镜头焦距狭缝位置可以位于运动物体像平面上或成像物镜焦平面上。如果狭缝位于运动物体的像平面上，虽然成像清晰，但是由于存在离焦量，则无穷远背景光线经物镜成像后在像平面内形成弥散光斑，使部分光能被狭缝遮挡住，减少投射到光电器件上的光能，距离l越近,损失越大。如果狭缝位于焦平面上，天空中进入光幕的光线全部汇聚在狭缝窗口内，虽然运动物体影像模糊，但是在光幕中的遮光效果是相同的。狭缝始终位于成像物镜焦平面内，汇聚到天空背景光线光能多，信号幅值增强，有利于探测。如果光电探测器件紧贴于固定狭缝，必然存在探测盲区。因此，将光电接收器件离开固定狭缝一段距离，即离焦弥散(如图1所示),可消除器件的探测盲区。设固定狭缝到光电器件的距离为L,则根据成像原理有:LfD(2)式中:为成像光斑的直径f为镜头焦距L为固定狭缝与光电探测器件的距离D为镜头的孔径，根据成像光斑确定L参数。64光电探测靶光学探测原理及过程4.1光学探测原理光电探测靶的光学探测原理示意图如图（3）所示，图3光学探测原理示意图图4固定狭缝映射到天空光幕示意图透镜与光电探测器件间设有固定狭缝，定狭缝映射到天空便形成探测光幕，如图4示，固定狭缝设置在物镜焦平面上，由于采用是多元拼接而成的长矩形阵列光电器探测器，为了避免弹丸成像光斑落于探测盲区(两光电器件拼接处)，采用离焦汇聚技术(离焦量为L)，使整个视场的探测灵敏度接近均匀，提高弹丸的捕获率，前面已介绍。当弹7丸穿越探测光幕时，在光电器件上就会产生光能量的瞬间变化，将变化的光能量转换成变化的电流信号，电流通过转换电压电路、整形电路，在电路的终端输出一个瞬间变化的脉冲信号，利用不同的组合探测靶，配合计时仪与处理器，便可以完成一次测速与弹丸命中靶标的空间二维坐标参数，速度与立靶坐标的数学模型。4.2弹丸信号识别分析飞行物体在穿越光电探测靶光幕时，会引起映射在光电接受器件上的光能发生变化，经过检测放大电路，在探测电路的终端输出一个脉冲信号，为光电探测靶组合成的测量系统提供计时启动与停止信号。由于弹丸飞行速度与其他物体飞行速度不同，输出的脉冲宽度也有差异，可以利用探测电路输出的脉冲宽度加以判别。光电探测靶的探测光幕幕厚如图5所示。图5弹丸穿越光电探测靶示意图85仪器的改善措施通过阵列光电探测器件在光电探测靶中的设计分析，我们提出离焦弥散技术，可以消除器件本身存在的探测盲区，该方法要求物镜的通光孔径不变，在这种状态下，如果需要改变光电器件上的光能量，只能用矩形光阑在光电器件前调整或直接改变狭缝宽度。在离焦量S确定下，在光电探测靶系统的固定光阑和光电探测器件间加长条形可调光阑改变入射到探测器件的光能，改变光电探测器接收的入射光能，减少天空过亮时产生的背景噪声影响，在天空过暗时增大可调光阑窗口，同时，改变探测电路的基准电压，提高背景光较暗时的测量。采用矩形窗口光阑方案，不影响原设计的测量光幕厚度，仅是改变从固定光阑弥散后落到光电探测器件的光能接收大小，对组合测速及立靶测试系统使用探测靶，只要在同一条件下，对测速及坐标测量并没有影响测量精度，还能起到改善系统光电探测靶性能的作用。6阵列光电探测器的实验与探讨结合选用的光电探测器自身特点，设计探测电路时，将所用小单元的光敏器件采用并行连接方式，保证当弹丸成像光斑无论位于探测器件的任何位置均有信号输出(设计电路简略)。图6所示为采用阵列光电探测器件采集到气枪弹丸穿越探测光幕后放大的弹丸信息模拟波形，从波形可以看出，应用阵列光电探测器件结合设计的电路，能真实地反映出弹丸穿越光幕的信息。9图6采集气枪子弹的模拟信号波形图采用阵列光电探测器件，虽然减轻光电探测靶的整体结构，减少中间的能量转换损失等问题，但是在野外工作并以自然光为背景光源的探测靶，还不能实现全天候的工作状态。探索利用红外探测器作为光电转换器件，接收弹丸由于火药发射及在飞行中与空气摩擦会产生红外辐射，利用红外辐射能产生触发信号，使系统晚上也能正常工作，但红外探测器件在白天工作时，受到的干扰很大，对白天的测试不利。如果能使用更换探测器件的测试系统，对靶场测试试验将会有很大的促进作用。这一设计思路，需要红外探测器件与弹丸热辐射的匹配，必要的结构设计等方面作深入的研究，在这里我们也不再深究。10参考文献:[1]倪晋平,王铁岭.光电靶的工作原理及应用[J].西安工业学院学报,1997,17(1):31-36.[2]李翰山,高洪尧,江铭.天幕靶光电探测性能改善研究[J].弹道学报,2007,19(1):33-36.[3]董高庆.光电探测器的弱点及其新原理的设计[J].测试技术学报,1996,10(2):556-557.[4]江铭,李翰山,孙洹,等.天幕靶光学系统性能分析[J].西安工业学院学报,2006,26(2):127-130.[5]李翰山.光电探测靶探测灵敏度的改善研究[D].西安:西安工业学院,2004.[6]吴瑞祥,侯景林,吕桂林.SPTMB-1型水平天幕靶研制过程中的几个问题[J].光学技术,1996,14(3):34-39.