采用電路編碼實現立靶精度測量系統的設計與研究

1、引言

在輕武器的生產和研制的彈丸質量評定中，要求測試彈丸速度以及測量彈丸在靶面上的散布情況，即射擊密集度。射擊密集度是低伸武器射擊性能的一項重要指標，它與武器效能有關。傳統測量射擊密度是在預定的彈道上豎立硬紙靶．射擊一定次數后，人工測量紙靶上留下的彈孔。該方法操作簡單，但測量結果不夠客觀，測量精度不高。目前射擊實驗大多采用無形靶，包括聲靶，光電靶以及基于無線電測量等。激光光幕靶是光電靶中的一種，它主要由激光系統和計算機系統組成。激光系統由激光二極管和激光束構成網格，網格的間距根據武器彈丸大小進行調整。當彈丸將激光束切斷時，相應的二極管產生一個脈沖，經轉換為數字信號傳輸到計算機。以光電轉換為原理的光纖編碼立靶測試系統具有測量精度高、有效靶面大等優點，但是其光纖編排工藝復雜，測量結果不是彈道預定點的著靶位置，室內同樣需配置人工光源，且組成較大靶面時成本大、系統復雜。因此，為了構建低成本、大面積、高精度的立靶精度測量系統，對信號接收電路編碼，并與平行光幕設計相結合實現彈丸坐標的測量。

2、光電靶原理及結構

光電靶是利用光源與透鏡組合發射平行光束，光電二極管接收，形成垂直交叉的光路網隔，網隔距離（二極管間隔）是由子彈直徑確定。其數目則根據子彈直徑和靶面的大小確定。彈著點坐標測量系統架構如圖1所示。

傳統的目標靶紙置于光電靶前，兩靶同軸。當子彈擊中靶面時，子彈遮擋住X軸、Y軸各一束光路，改變對應的光電二極管的開關狀態，此時，所有的光電二極管的開關狀態都已被編碼，編碼后的數字信號由計算機處理后即得到子彈擊中靶面的位置。這其中，光電二極管能否檢測子彈快速遮擋光路這一動作，主要由光電二極管的響應時間決定。通常子彈擊中靶的速度小于l 000 m／s，被遮擋光路的有效長度大于5 mm，由此得出子彈遮擋光路的時間大于5 ms，而普通光電二極管的響應時間小于0．1 ms，因此可滿足測量要求。

3、平行光幕系統的設計

平行均勻矩形光幕系統由半導體激光器、光闌、鮑維爾透鏡、焦距為650 mm的菲涅爾透鏡和光敏二極管陣列組成。平行光幕系統選用點狀半導體激光二極管作光源，具有體積小、效率高、成本低、無需高壓電源、壽命長等優點。使用光闌選取激光器點光斑中間光強比較均勻的部分。鮑威爾透鏡是一種光學劃線透鏡，使激光束通過非球面透鏡最優化地劃成光密度均勻、穩定性好、直線性好的一條直線，達到線形激光整形的目的。利用菲涅爾透鏡的平行聚焦特性，讓點光源從菲涅爾透鏡的焦點發射，經過它之后形成平行光。圖2為平行光幕系統圖。

4、光電靶信號編碼系統設計

參照光纖編碼的方法，假設光電二極管為一矩形薄片，外形尺寸為1．5 mmxl．5 mm，厚度對接收無影響。其敏感面積與外形尺寸一致?？紤]到安裝因素，將光電二極管均勻地按2 mmx2 mm區域排列成直線，敏感面朝向光源方向，直線長度決定探測區域長度。假設選定長度為400 mm．則光電二極管數為200個。選取同樣排列的二極管陣列條，分別編號為大區、中區和小區，每一條上的二極管實行分組編碼。4等份大區，從左到右每份編號為A1，A2，A3，A4，每等份共有50個二極管。對應同一大區的中區也分為5等份，對應編號為B11，B12…B15，其中第一位數字為大區號，最后一位數字是中區號，依次類推。10等份對應同一中區的小區，對應編號為C111，C112，……，C1110。其中，前兩位數字為中區號，最后一位或兩位是小區號，依次類推。每一個編號對應一個二極管。大區的A1~A4作為4組，每組的光電二極管并在一起，其輸出接入一個放大電路，放大電路的編號與每組的編號相同．即A1，A2，A3，A4。將中區B11，B2l，B31，B41所在區域的光電二極管編為一組B12，B22，B32，B42，依次類推，B15，B25，B35，B45光電二極管作為一組，中區共有5組，其放大電路也有5組，編號分別為B1，B2…B5，依次類推。小區中將分別屬于不同中區的后一位或后兩位編號相同的二極管作為一組，分組編號為C1，C2…C10，每組有20個光電二極管，其對應的放大電路編號與分組編號相同。圖3為編碼原理示意圖。圖4為編碼電路示意圖。

當彈丸垂直光幕穿過時，每個區至少有一路放大電路產生信號。假設有信號為1，無信號為0，則采集電路將4+5+10個放大電路的信號按數字信號方式采集，得到一個19字節的數字信號。兩個正交光幕靶共有2x19個數字信號，依此可判斷彈丸穿過光幕時的坐標。針對一個給定的探測區域的長度，要根據不同情況計算最佳的陣列數，以及各個陣列組數。與光纖編碼相比，電路編碼省去復雜的光纖編排工藝，電路設計簡單、靈活，可靠性高。因此，該電路編碼是一種新型的編碼方法。為保證采集數據的可靠性，使各路放大電路信號的位必須與計算機數據線的位相對應并確保數據信息的準確性不受各脈沖先后順序的影響，采用信號保持技術．保證有足夠采樣時間而且在此時間內各路信息狀態穩定。假設選定長度為400 mm，將光電二極管均勻地按2mmx2 mm區域排列成一條直線。4個大區將視場均分為100 mm，5個中區將視場均分為20 mm，10個小區則均分為2 mm。視場的坐標原點為兩靶的交點，當彈丸穿過接收裝置的2號大區、1號中區、3號小區時，則彈丸的坐標位置為（2—1）×100mm+（1—1）×20 mm+（3—1）x2 mm=104 mm。依此類推，可以得彈丸坐標。

5、 結語

經過論證，該系統的理論分析正確，技術方案可行。采用電路編碼替代光纖編碼，結構簡單易于實現，克服了光纖編碼立靶測試系統的不足，具有明顯的優越性，成本較低，易于推廣使用，但存在電路復雜，不易調試的缺點，還需要進一步改進。

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