高豐佳， 董 濤， 譚林秋， 陳 丁， 王 利

(1.西安工業(yè)大學(xué) a.陜西省光電測(cè)試與儀器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.兵器科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 西安 710021;2.中國兵器工業(yè)集團(tuán)有限公司 黑龍江北方工具有限公司, 黑龍江 牡丹江 157000)

光幕測(cè)試技術(shù)作為兵器靶場(chǎng)測(cè)試的一個(gè)重要分支，廣泛地應(yīng)用于各類身管武器測(cè)試領(lǐng)域中[1-3]。目前，各類光幕探測(cè)技術(shù)基本趨于成熟[4-5]，例如，自帶光源的光幕靶[6]和采用天空背景光(也可配以室內(nèi)光源)的天幕靶[7]均可用于室內(nèi)、外的光幕探測(cè)，且測(cè)量原理簡單，精度較好。隨著新型身管武器裝備的不斷問世，其有效射程越來越遠(yuǎn)，終點(diǎn)彈道散布也越來越大[8]，現(xiàn)有光幕的有效探測(cè)靶面已無法滿足其測(cè)試要求，嚴(yán)重影響武器裝備的研制、調(diào)試以及試驗(yàn)驗(yàn)收周期。

為解決上述問題，相關(guān)研究人員提出了一些解決方案。例如，倪晉平，高芬等提出用90°廣角天幕靶搭配L形LED陣列光源構(gòu)成直射式探測(cè)光幕[9]，該方法的接收裝置直接使用了已有的廣角天幕靶，但發(fā)射裝置是多個(gè)光源的拼接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)困難；趙冬娥等提出用原向反射玻璃裝置、半導(dǎo)體激光器、光電接收裝置構(gòu)成反射式探測(cè)光幕[10]，該激光光幕測(cè)速系統(tǒng)具有原理簡單，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但其探測(cè)靶面仍不能測(cè)試滿足需求；王芳等提出用原向反射膜、激光光學(xué)系統(tǒng)、全反射鏡、信號(hào)采集器等構(gòu)成反射式探測(cè)光幕[11]，這一裝置精度較高、使用維護(hù)方便、成本低，但光路中光能損耗較多，導(dǎo)致探測(cè)靈敏度較低。上述方法雖能擴(kuò)展探測(cè)光幕面積，但仍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、探測(cè)靈敏度不足、設(shè)備裝調(diào)和移動(dòng)不方便等一些問題需要解決。

因此，本文提出一種基于原向反射原理的大靶面光幕探測(cè)方法。由玻璃微珠與棱鏡結(jié)合的原向反射膜[12-13]、菲涅爾透鏡[14-15]、一字線激光器、光電轉(zhuǎn)換器件[16]等構(gòu)成一個(gè)反射式矩形光幕探測(cè)系統(tǒng)。分析系統(tǒng)探測(cè)靈敏度分布特性并建立其模型，最后對(duì)該模型進(jìn)行理論仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 原向反射式光幕探測(cè)原理

圖1為提出的原向反射式大靶面光幕探測(cè)系統(tǒng)的原理示意圖，在系統(tǒng)右上方的靶架上貼上原向反射膜；將光電轉(zhuǎn)換器件安裝在菲涅爾透鏡的下方，保持兩者中心在同一豎直軸線上；將一字線激光器固定在菲涅爾透鏡的側(cè)面，保證一字線激光器的發(fā)光主點(diǎn)與菲涅爾透鏡的中心位置在同一水平軸線上；這三者整體構(gòu)成收發(fā)裝置。然后將收發(fā)裝置旋轉(zhuǎn)，使之與水平面成45°夾角，并安裝在系統(tǒng)的左下方。

一字線激光器發(fā)出發(fā)散角θ=90°的扇形光源，該扇形光源投射到原向反射膜上，被其以一定的發(fā)散角近似原路反射回菲涅爾透鏡表面；菲涅爾透鏡接收到達(dá)其表面的光線并將光線聚焦到安裝在透鏡焦距處的光電轉(zhuǎn)換器件上；光電轉(zhuǎn)換器件接收光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。當(dāng)有彈丸穿過探測(cè)光幕時(shí)，會(huì)遮擋住一部分從激光器入射到原向反射膜上的光線，也會(huì)遮擋住一部分從原向反射膜反射回菲涅爾透鏡的光線，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換器件接收到的光信號(hào)發(fā)生變化，從而其轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)也發(fā)生變化，電路部分輸出變化后的電壓信號(hào)進(jìn)而識(shí)別到彈丸。

圖1 系統(tǒng)原理示意圖

2 原向反射式光幕探測(cè)模型

如圖2所示，A點(diǎn)處一個(gè)很小的圓光斑被擴(kuò)散為一字線光斑，擴(kuò)散后的光斑在距離A點(diǎn)l處為曲面EFGH，相對(duì)于曲面的弧長，其寬度很小，因此，可以將EFGH近似看作矩形曲面，則其面積為：

SEFGH=EF·EH

(1)

如圖3所示，以A點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，原向反射膜上的任一點(diǎn)Q處坐標(biāo)為(xQ,yQ)，A點(diǎn)處的一字線光源發(fā)出發(fā)散角θ=90°扇形光幕，αQ為原向反射膜的入射光線與原向反射膜法線的夾角(即入射角)；βQ為Q點(diǎn)處入射光線與被反射的出射光線夾角(即逆反射發(fā)散角)。

(2)

(3)

圖2 點(diǎn)光斑擴(kuò)展為線光斑的示意圖

圖3 柱面鏡到原向反射膜的光路示意圖

(4)

(5)

當(dāng)彈丸穿過光幕的瞬間會(huì)遮擋住部分由A點(diǎn)入射到原向反射膜上的光線，即原向反射膜上從n1到n2段無法接收到入射光線，如圖4所示；同時(shí)對(duì)于從n3到n1段和從n2到n4段，雖然可以接收到由A點(diǎn)入射的光線，但這兩段反射出的光線會(huì)有部分被彈丸遮擋住，因而不能被菲涅爾透鏡接收到，如圖5所示。

圖4 遮擋的入射光通量示意圖

(xn1,yn1)，(xn2,yn2)，(xn3,yn3)，(xn4,yn4)分別為n1、n2、n3、n4的坐標(biāo)，則對(duì)于彈丸坐標(biāo)x′

yn1=yn2=yn3=yn4=l1

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：De為彈丸直徑；l1為上方原向反射膜的長度；αn為入射角；βn為逆反射發(fā)散角。

圖5 遮擋的逆反射光通量示意圖

對(duì)于n1到n2段上的任意一小分段，如圖6所示，反射回A點(diǎn)處的總光斑可以近似看作矩形區(qū)域，其面積記為A3，菲涅爾透鏡能接收到的反射光斑區(qū)域的面積記為A4，將A4與A3的比值記為μ1(稱為菲涅爾透鏡的接收率)，則：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

其他情況的分析方法與該情況類似，在此由于篇幅原因省略。

圖6 反射光線可接收光斑面積示意圖

(15)

(16)

對(duì)于從n3到n1段與n2到n4段上的任意一小分段，如圖7所示，A5為該段原向反射膜反射回菲涅爾透鏡表面上的光斑面積，將A5與A3的比值記為μ2(稱為彈丸對(duì)反射光線的遮擋率)。則：

(17)

當(dāng)n3

(18)

(19)

當(dāng)n2

(20)

(21)

圖7 彈丸遮擋反射光線光斑面積示意圖

(22)

(23)

則彈丸穿過光幕時(shí)遮擋的總光通量為ΔΦ：

(24)

3 探測(cè)性能仿真

對(duì)于靶面為10 m×10 m的探測(cè)幕面，則原向反射膜的長l1=10 m，取m=20 000，將每段分為1 mm，A點(diǎn)處一字線光源的光通量為ΦA(chǔ)=200 mW，一字線光源的初始直徑為d=4.5 mm，柱面鏡擴(kuò)束后發(fā)散角θ=90°，使用的原向反射膜的逆反射發(fā)散角為γ≈1.03，原向反射膜的逆反射率與入射角αn有如下關(guān)系：

(25)

1) 當(dāng)彈丸口徑d′=5.8 mm，彈丸長度為l′=50 mm，而過幕位置坐標(biāo)(x′,y′)改變時(shí)，對(duì)其遮擋光通量ΔΦ模型進(jìn)行仿真，如圖8所示；由圖8的仿真可知：仿真圖示是關(guān)于x′=y′對(duì)稱的，隨著彈丸過幕坐標(biāo)x′與y′逐漸增大，遮擋光通量ΔΦ逐漸減??；隨著入射角αn逐漸增大，遮擋光通量ΔΦ逐漸減小。

2) 當(dāng)彈丸過幕位置坐標(biāo)(x′,y′)不發(fā)生變化，而彈丸直徑d′改變時(shí)，對(duì)其遮擋光通量ΔΦ模型進(jìn)行仿真，如圖9所示；由圖9的仿真可知隨著彈丸直徑d′逐漸增大，遮擋光通量ΔΦ逐漸增大。

圖8 d′=5.8 mm, l′=50 mm彈丸在探測(cè)幕面不同位置的探測(cè)性能仿真結(jié)果

圖9 彈丸過幕位置相同，彈丸直徑不同的靈敏度仿真結(jié)果

4 驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述的仿真結(jié)果，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由式(24)可知：在其他參數(shù)不變的情況下，當(dāng)激光器功率增大(即ΦA(chǔ)增大)，遮擋的總光通量為ΔΦ隨之增大；靈敏度分布是關(guān)于x′=y′對(duì)稱的。

由于條件限制，將激光器的功率調(diào)節(jié)為仿真時(shí)的四分之一，構(gòu)建了一個(gè)4 m×4 m的靶面，如圖10所示為系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖10 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用波長為650 nm、輸出功率為50 mW、光源初始直徑為4.5 mm、出光張角為90°的可見紅光一字線激光器，型號(hào)為C000398 3M-2的長度為8 m的原向反射膜，焦距為50 mm、通光口徑為100 mm的菲涅爾透鏡和條形硅光電二級(jí)管等器件；將原向反射膜先從左向右再從上向下分成8 000段，激光器主點(diǎn)到菲涅爾透鏡中心距離為60 mm，使用彈丸直徑6 mm的氣槍彈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在入射角αn為0°、20°、45°三種情況下，對(duì)彈丸過幕的x′坐標(biāo)為0.5～3.5 m之間每隔0.5 m打一槍，使用示波器觀測(cè)并記錄系統(tǒng)輸出的波形。

當(dāng)入射角αn為0°時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

當(dāng)入射角αn為20°時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

當(dāng)入射角αn為45°時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到：當(dāng)坐標(biāo)x′不變時(shí)，隨著入射角αn逐漸增大，輸出幅值V逐漸減?。划?dāng)入射角αn不變時(shí)，隨著坐標(biāo)x′逐漸增大，輸出幅值V逐漸減小。實(shí)驗(yàn)與仿真的靈敏度變化規(guī)律一致。坐標(biāo)y′的情況與上述結(jié)果類似，不在進(jìn)行重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在此條件下，對(duì)于直徑為6 mm及其以上的氣槍彈，其穿過4 m×4 m的整個(gè)靶面時(shí)均可以被探測(cè)到，則提出的探測(cè)系統(tǒng)可以滿足大靶面光幕探測(cè)要求。

表1 入射角αn=0°時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 入射角αn=20°時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 入射角αn=45°時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

通過對(duì)原向反射式探測(cè)光幕的原理分析，推導(dǎo)了其靈敏度模型，并對(duì)靈敏度模型進(jìn)行了仿真與驗(yàn)證。研究分析表明：理論推導(dǎo)得到的本系統(tǒng)靶面內(nèi)的靈敏度變化趨勢(shì)與實(shí)彈實(shí)驗(yàn)測(cè)得的靈敏度變化趨勢(shì)一致；當(dāng)彈丸直徑不變時(shí)，隨著彈丸過幕坐標(biāo)(x′,y′)逐漸增大，探測(cè)靈敏度逐漸減?。浑S著入射角αn逐漸增大，探測(cè)靈敏度逐漸減小。當(dāng)彈丸過幕位置坐標(biāo)(x′,y′)不變時(shí)，隨著彈丸直徑d′逐漸增大，探測(cè)靈敏度逐漸增大。在設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)于直徑6 mm及其以上的氣槍彈，其穿過3.5 m×3.5 m的整個(gè)靶面時(shí)均可以被有效探測(cè)到。因此，將激光功率按比例提高后(考慮到大氣衰減，可略微大一些)，所實(shí)現(xiàn)的探測(cè)系統(tǒng)即可滿足大靶面光幕探測(cè)要求。