鄧麗華，葉 彪，劉國祥，孫福強(qiáng)，劉 宇

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展,鳥撞試驗(yàn)越來越受到航空部門的重視。在鳥撞試驗(yàn)中,鳥彈的速度是研究部件抗鳥撞特性的關(guān)鍵指標(biāo),試驗(yàn)中必須準(zhǔn)確可靠地測量出鳥彈的速度。

以前在飛機(jī)部件鳥撞試驗(yàn)中，曾經(jīng)使用多組線激光束來測量計(jì)算鳥彈速度，但其存在可靠性差、容易誤觸發(fā)等缺點(diǎn)，常常引起錯誤的速度測量結(jié)果。

目前流行的速度測量區(qū)截裝置因被測物、環(huán)境等的差別有天幕靶、線圈靶、網(wǎng)靶和金屬泊靶等普通通、斷靶，且各有特點(diǎn)。激光光幕區(qū)截測量速度的方法因其高可靠度、非接觸測量、精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)在鳥撞試驗(yàn)中獨(dú)具優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

大面積激光光幕速度測試系統(tǒng)（如圖1所示）采用半導(dǎo)體激光發(fā)生器為光源，用菲涅耳透鏡形成平行激光幕單元，通過多個平行激光幕單元的無縫拼接形成大面積靶面,根據(jù)實(shí)際所需要的光幕靶面的大小選擇平行光幕單元模塊的個數(shù)。光幕靶的另一邊選用大面積PIN光敏二極管作為光電檢測器件，以確保在實(shí)現(xiàn)大面積光幕區(qū)的同時，平行激光的全部接收。當(dāng)高速飛行物體穿越激光光幕時，光通量的變化通過信號處理電路被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⒉杉接?jì)算機(jī)進(jìn)行波形顯示及數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)由啟動光幕和停止光幕兩套相同的激光光幕靶構(gòu)成一套區(qū)截裝置。當(dāng)高速飛行物體穿越啟動光幕靶時產(chǎn)生一個測速的啟動信號，穿越停止光幕靶時產(chǎn)生一個測速的停止信號。啟動光幕和停止光幕之間預(yù)設(shè)一個靶距，根據(jù)區(qū)截測速原理可以實(shí)現(xiàn)彈丸過靶速度的測試。

2 大面積平行光幕的形成

菲涅爾透鏡 (Fresnel lens)是一種精密的光學(xué)系統(tǒng)，它是根據(jù)對接收靈敏度和接收角度的要求設(shè)計(jì)制造的，通常由聚乙烯材料注塑成薄紋片，再刻上精細(xì)的鏡面和紋理。其技術(shù)精度要求甚高，優(yōu)質(zhì)透鏡必須紋理清晰、表面光潔、厚度在0.65 mm左右。紅外光的透過率應(yīng)大于65%。與傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃透鏡相比，菲涅爾透鏡具有重量輕，材料來源豐富，成本低，制作方便，口徑大，厚度薄等特點(diǎn)。菲涅爾透鏡在成像上有一個突出的優(yōu)點(diǎn)——有非球面透鏡的作用，可以消除球差。菲涅耳透鏡是一塊其中一面刻有一系列同心棱形槽的輕薄光學(xué)塑料片，其每個環(huán)帶都相當(dāng)于一個獨(dú)立的折射面，這些棱形環(huán)帶都能使入射光線會聚到一個共同的焦點(diǎn)。在平行光垂直入射的情況下，在其焦面上能得到一個無像差的會聚點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇長焦距消球差的柱面菲涅耳透鏡(見圖2)。

平行光幕是利用經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的“一”字線半導(dǎo)體激光器作為光源，經(jīng)菲涅耳透鏡形成平行光幕單元，然后由若干個平行光幕單元模塊無縫拼接形成大面積光幕靶面。該光幕具有良好的平行性。大面積平行光幕靶的原理如圖3所示。

圖1 大面積激光光幕速度測試系統(tǒng)

圖2 菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)光路圖

圖3 大面積平行光幕

3 高速飛行物速度計(jì)算

用兩套相同的激光光幕靶可構(gòu)成一套區(qū)截裝置。

當(dāng)鳥彈穿過激光光幕時，進(jìn)入光電檢測器的光通量將發(fā)生變化，由光電檢測器將變化的光信號轉(zhuǎn)化為電信號。經(jīng)觸發(fā)整形成為具有一定脈沖寬度的觸發(fā)計(jì)時信號。以ti時刻的鳥彈通過啟動靶的信號為起始信號，以ti′時刻鳥彈通過停止靶的信號為結(jié)束信號，得到鳥彈通過兩靶間距離Δx上所消耗的時間為Δti=ti′-ti，同時已知靶距為Δx，，因此可以根據(jù)V=Δx/Δti，計(jì)算出被測運(yùn)動物體通過該段距離的平均速度。激光測速靶系統(tǒng)工作框圖如圖4所示。

該激光光幕測速系統(tǒng)的測速軟件為R3030測時儀（如圖5所示）。R3030測時儀是新一代的武器試驗(yàn)專用智能測時/測速儀器，它主要負(fù)責(zé)對各信號進(jìn)行采集及對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。該系列儀器可以在使用很長的測試線路和電磁干擾信號較強(qiáng)的情況下準(zhǔn)確可靠地工作。信號的輸入端接光幕靶OC門電路輸出，如圖6白線所示。

圖4 激光測速靶系統(tǒng)工作框圖

4 光幕靶的靈敏度分析

在光幕靶的實(shí)際使用中，往往會發(fā)生誤觸發(fā)的情況。如蚊蟲干擾，是指在室外使用光幕靶時,由于蚊蟲等低速物體穿過光幕靶的靶面時引起的誤觸發(fā)現(xiàn)象。光幕靶的有效視場越大,這種干擾出現(xiàn)的幾率也就越高,有時甚至使得測試無法進(jìn)行,給測試工作帶來了很大的不便。為了提高該測速系統(tǒng)的抗干擾能力，可根據(jù)被測物的大小選擇靈敏度（如圖6所示）。

圖5 R3030測時儀

圖6 光幕靶接收端的控制面板

光幕靶信號處理電路的工作原理如下:當(dāng)鳥彈穿過光幕靶時,光電傳感器響應(yīng)光通量的變化,信號處理電路將這個變化信號經(jīng)過交流放大后進(jìn)入電壓比較器,當(dāng)幅值高于預(yù)定設(shè)置的比較電壓時,比較器就翻轉(zhuǎn),產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。因此,無論什么因素,只要能使光幕靶的光通量產(chǎn)生足夠大的變化,測試系統(tǒng)就會有相應(yīng)的輸出。根據(jù)彈形不同,可分別采用彈底觸發(fā)和彈尖觸發(fā)。脈沖信號的前沿為彈尖觸發(fā)時刻,脈沖信號的后沿為彈底觸發(fā)時刻。該光幕靶的靈敏度是根據(jù)光通量變化的大小來分辨的。靈敏度調(diào)的越低，使光幕靶觸發(fā)所需的光通量變化就要越大。飛行小物體（如蚊蟲）穿過激光光幕時，由于其擋光面積小，產(chǎn)生的光通量的變化也小，當(dāng)靈敏度調(diào)節(jié)到低檔時，小物體穿過激光光幕時所產(chǎn)生的光通量不足以將光幕靶觸發(fā)。所以在鳥撞試驗(yàn)測速中，靈敏度應(yīng)該盡可能調(diào)到低檔，以防止由于蚊蟲、微塵所引起的誤觸發(fā)。靈敏度與被測物要求關(guān)系見表1。

表1 靈敏度與被測物要求

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)證明光幕靶的靈敏度調(diào)到低檔時，小物體穿過激光光幕時不會引起誤觸發(fā)，極大提高了試驗(yàn)的可靠性。

試驗(yàn)時，設(shè)置好R3030測時儀的各項(xiàng)參數(shù)，如靶距、通道等，準(zhǔn)備計(jì)時。當(dāng)彈丸穿過啟動靶時，計(jì)時開始；當(dāng)彈丸穿過停止靶時，計(jì)時結(jié)束。顯示器顯示整個測速過程的時間（如圖7）所示。為了驗(yàn)證計(jì)時儀的準(zhǔn)確性，用瞬態(tài)波形記錄儀采集到鳥彈穿越啟動靶與停止靶的波形，如圖8所示。采集到的波形經(jīng)放大，可精確地顯示出鳥彈穿過靶區(qū)的脈沖波形，穿過啟動靶時的脈沖波形如圖9所示，穿過停止靶的脈沖波形如圖10所示。根據(jù)兩波形下降沿的時間間隔，可以讀出整個測速過程的時間。

圖7 計(jì)時儀采集到的時間

圖8 彈丸穿過兩靶區(qū)的波形

圖9 彈丸穿過啟動靶的脈沖波形

圖10 彈丸穿過停止靶的脈沖波形

為驗(yàn)證測速誤差，我們通過10次試驗(yàn)比較了兩套設(shè)備的所測時間，驗(yàn)證了時間的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)中計(jì)時儀與瞬態(tài)記錄儀所測時間對比見表2。試驗(yàn)證明，用瞬態(tài)波形記錄儀采集到的時間和計(jì)時儀采集到的時間誤差≤0.2‰。

表2 試驗(yàn)中計(jì)時儀與瞬態(tài)記錄儀所測時間對比

6 結(jié)論

試驗(yàn)證明該激光光幕測速系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、精度高、工作可靠、光幕區(qū)面積大、靈敏度高、非接觸等特點(diǎn)。為飛機(jī)鳥撞試驗(yàn)提供了一種更可靠更先進(jìn)的鳥彈速度測試方法。

[1]鄧均.大面積平行光幕著點(diǎn)系統(tǒng).光電工程,2010,3.

[2]康建毅.激光測量子彈速度研究,激光與紅外,2002,2.