李志凌 賈世甄 尹 航 張銀領

基于光纖的膛內(nèi)運動狀態(tài)測試技術

李志凌 賈世甄 尹 航 張銀領

近年來，電磁炮作為一種新型的武器備受關注，由于其利用了電磁感應產(chǎn)生的電磁力發(fā)射彈丸，傳統(tǒng)炮膛內(nèi)彈丸測速方法易受其產(chǎn)生的高電壓強磁場干擾，測試精度較低。為解決這一問題，本文設計了一套基于光纖的電磁炮膛內(nèi)彈丸運動狀態(tài)測試系統(tǒng)，利用高能激光器作為光源，利用光纖作為能量傳輸通道，光電二極管作為探測傳感器，并設計了相應的光電轉(zhuǎn)換電路和信號處理電路，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號進行分析處理，從而實現(xiàn)膛內(nèi)彈丸運動狀態(tài)的檢測。

電磁發(fā)射技術是借助電磁力做功，將電磁能轉(zhuǎn)化為彈丸的動能，依靠強大的動能摧毀目標從而完成預定的作戰(zhàn)任務，在發(fā)射的過程中，電磁力長時間作用于彈丸，較常規(guī)火炮利用化學能發(fā)射彈丸，能大大提高彈丸的出射速度，精度更高，射程更遠，發(fā)射過程無噪聲，武器系統(tǒng)生存能力強。因此，電磁發(fā)射武器軍事應用潛力巨大，但是，實驗費用昂貴并且實驗步驟繁瑣，各變量間的參數(shù)存在耦合關系，如果只通過實驗，很難確立各種影響因素對彈丸性能的影響，因此，有必要利用計算機仿真技術對電磁炮系統(tǒng)的測試模塊進行建模及仿真研究，為電磁炮的性能優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

常見測試方法

激光干涉法

激光干涉測量技術是利用任意反射表面的速度干涉儀（velocily interfemmeter system for any reflector，VISAR）和法一珀干涉儀進行快速響應和高分辨率診斷的系統(tǒng)，二者都可以用來對超高速運動的物體進行測量，因此可以用VlSAR或者法一珀干二涉儀來測量電磁炮膛內(nèi)彈丸速度。

微波干涉法

微波干涉法一般采用數(shù)據(jù)采集器和微波干涉儀，利用多普勒效應原理獲得彈丸運動時發(fā)射波與干涉波之間的頻率變化來對彈丸位置-時間變化關系進行測量，確定彈丸的運動速度。但是受微波本身波長的限制，對高速運動的物體該測量方法的精度較低，因此，不適用于彈丸速度極高的電磁炮。

共軛抑制線圈法

共軛抑制線圈法（Flux Ruler）是電磁軌道炮性能測試工作中一種非常簡便的基于電樞內(nèi)彈道位置測量方法，目前該方法主要應用于實驗室小型電磁軌道炮的演示中。共軛抑制線圈法應用于串聯(lián)增強電磁軌道炮的實驗平臺的情況同樣是很少見的。共軛抑制線圈其特殊的排布方式，有助于消除增強外界磁場的干擾，使得采集通道數(shù)小于磁探針陣列的通道數(shù)。因此，課題從實驗角度考察了串聯(lián)增強電磁軌道炮的基于共軛抑制線圈測速方案的可行性。

測試電路的設計

如圖1所示，在本文設計的檢測系統(tǒng)中，原始信號來源于電樞運動引起的光信號變化，但是直接對光信號分析、處理難度較大，因此對于輸入到檢測系統(tǒng)的光信號，我們首先采用光電轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電信號，再對該電信號進行處理。在該系統(tǒng)中，由于電樞運動引起的電信號變化相對微弱，因此應首先對該電信號進行放大處理，故經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路后首先進入信號放大電路進行放大處理。在信號的采集過程中，難免會有噪聲信號摻雜在初始信號中，對檢測結(jié)果產(chǎn)生干擾，因此我們要通過信號濾波電路將噪聲信號過濾掉，從而提高系統(tǒng)的精度，故經(jīng)過信號放大電路后再進入信號濾波電路。

圖1　電路整體設計

圖2　光電轉(zhuǎn)換電路原理圖

光電轉(zhuǎn)換電路

在本課題中，采用了主動激光束照明的方案。高靈敏度光電探測器在激光器前方形成的光路上，當沒有彈丸通過光路時，探測器接收到全部能量的激光信號。當彈丸到達檢測點時，部分光路會被彈丸遮擋，從而引起光電探測器接收到的光通量發(fā)生跳躍變化。光電轉(zhuǎn)換模塊主要功能是把高速運動的彈丸通過測試光路時引起的光信號的變化轉(zhuǎn)換為動態(tài)的電信號。

課題所采用的光電轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，測試電路采用的是以高速運放為核心的運算放大電路，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，其中，其反向偏壓連接方式提高了探測電路的高頻響應的性能。根據(jù)理論計算，該運放帶寬為1.6Hz，常溫下壓擺率為500V/us，可以滿足電路的要求。有激光照射的情況下，V0為正，輸出電壓V0可通過以下公式計算得出

式中ID為在反向偏置下，光電二極管經(jīng)激光照射后產(chǎn)生的電流，其大小與光照度成正比；Rf為光電轉(zhuǎn)換電阻。

對于本增益電路的介紹：電路工作原理為光電二極管PIN經(jīng)光照射后便會產(chǎn)生電流信號，經(jīng)反相放大器進行放大后輸出Uout。該光電轉(zhuǎn)換電路中的電容C1可以減小電路中的噪聲。

小結(jié)

本文在分析了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上提出了基于光纖的電磁炮膛內(nèi)測試方案，重點討論了如何減小電磁炮自身電磁感應對檢測系統(tǒng)的干擾，完成了系統(tǒng)硬件電路的設計。仿真實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)受環(huán)境影響較小，可以捉到電樞通過檢測點時光信號的變化并進行信號分析。

李志凌1賈世甄2尹 航3張銀領4

1.中國人民解放軍烏魯木齊民族干部學院；2.江南大學理學院；3.中國科學院大學物理學院；4.中國人民解放軍68081部隊

李志凌，研究方向計算機應用技術，講師。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.001