天幕靶光锥聚光光电转换方法

董 华,宋庆庆,张志远

(中国兵器装备研究所,北京 102202)

0 引言

天幕靶是一种在兵器试验场使用频率很高的对火炮和轻武器发射的弹丸飞行速度进行测试的测速仪器,它是以光电转换为基础,用以探测飞行弹丸到达空间某一预定位置时刻的非接触式的光电传感器。它是继网靶、钢板靶和线圈靶这些传统区截装置之后的一种全新的区截装置,它靶面大,精度高,克服了传统区截装置的很多局限[1]。国内对天幕靶的研究已经有了一定飞跃,但是现在装备靶场和校验站的天幕靶的视场角只有24°,这决定了它的靶面比较小。灵敏度保持在600倍弹径,灵敏度比较小,对于小弹径的弹丸的测试和小直径破片的测试都存在一定的困难,不能满足越来越高的测试要求。武器研制测试任务需要天幕靶具有更大的视场角以及灵敏度。

1 天幕靶传统光电转换系统的原理

天幕靶光电转换系统由镜头、光阑狭缝、光电转换器件以及镜头座组成。如图1所示为传统天幕靶的光电转换系统示意图。由于光阑狭缝的作用,在光学镜头视场中,仅有一个扇形且厚度并不均匀的平面区域内的光线可以达到光电转换器件的敏感面,这个平面区域一般称之为天幕,这个扇形天幕的扇形角度就是天幕靶的视场角,而这个视场角是由透镜、光阑狭缝和光电转换器件的形位决定的。如图1所示,光线 AN是过透镜中心到光电转换器件光敏面极限位置的一条光线,这是一条边缘光线。它与主光轴的夹角为α,该天幕靶的视场角就是2α,2α和S、f的关系为:

S是光电转换器件光敏面的极限尺寸,由此可见,在镜头焦距一定的情况下,天幕靶的视场由光敏面的极限尺寸所决定。所以,天幕靶聚光光电转换系统主要解决的是大视场光幕与小尺寸光电器件敏感面的矛盾。为了解决这一矛盾,经过研究开发了采用光学元件对进入光阑狭缝的光线进行传输汇聚的方法,曾先后采用了场镜汇聚、双平面镜汇聚以及光纤汇聚的方法,由这些光学元件组成的转换系统称为场镜聚光光电转换系统、双平面镜聚光光电转换系统以及光纤聚光光电转换系统。

图1 传统天幕靶的光电转换系统示意图Fig.1 The photoelectric conversion system of tradition sky screen

1.1 场镜聚光光电转换系统

场镜聚光光电转换系统由镜头、狭缝光阑、凸透镜组、光电转换器件以及镜头座组成。在狭缝光阑下面安装透镜组,透镜组的作用是将通过狭缝的光线聚拢到光电转换器件的光敏面上,如图2所示为场镜聚光光路系统的示意图。

场镜聚光光电转换系统保证了天幕靶有较大的视场角,但是光线在场镜组中的反射和折射导致光能损失,光能量损失达到15.34%,这导致天幕靶的灵敏度大大降低。

1.2 双平面镜聚光光电转换系统

双平面镜聚光光电转换系统由镜头、狭缝光阑、双平面镜、光电转换器件以及镜头座等结构组成。为了增大视场而不造成光能量衰减,采用两个平面镜增加视场的方法[2]。如图3所示,在天幕靶的镜头与光电管之间,设置两面高反射率的反光镜,AO之外到BE之间的区域内的光线,都可以通过平面镜反射到光电管的光敏面上,天幕靶视场角由2α增加到2β。

图2 场镜聚光光路系统示意图Fig.2 The spotlight and photoelectric conversion system of field lens

图3 双平面镜聚光光电转换系统示意图Fig.3 The spotlight and photoelectric conversion system of double plane mirror

1.3 光纤聚光光电转换系统

光纤聚光光电转换系统由镜头、狭缝光阑、光纤束、光电转换器件以及镜头座等机械结构组成。把光纤排成整齐的一束,一端排成与狭缝形状一样的长方形固定在光阑狭缝的下面,另一端排成圆形或方形以满足光电转换器件光敏面的形状,通过狭缝的光线经光纤传输聚拢到光电转换器件光敏面上。如图4所示为光纤聚光光电转换系统示意图。

图4 光纤聚光光电转换系统示意图Fig.4 The spotlight and photoelectric conversion system of optical fiber

2 光锥聚光光电转换原理

2.1 光锥聚光光电转换系统获得大视场角

光锥聚光光电转换系统由镜头、狭缝光阑、光锥、光电转换器件以及镜头座等机械结构组成。狭缝光阑对应安装光锥,光锥的大端正对安装在狭缝光阑的下面,光电转换器件安装在光锥的小端。光线穿过狭缝光阑折射进入光锥大端,在光锥壁上进行不断反射后从光锥小端折射出来,照射到光电转换器件的光敏面上,通过放大电路输出弹丸信号[3-4]。如图5为光锥聚光光电转换系统光路图。

图5 光锥聚光光电转换系统光路图Fig.5 The beam path graph of the cone of optics spotlight and photoelectric conversion system

如图6所示,安装了光锥系统的天幕靶的视场角2α=2arctan如果不采用聚光元件,天幕靶的视场角2α=2arctan视场角提高量为 Δ∂=安装了光锥光电转换系统的天幕靶的视场角达到44°,如果采用双镜头视场拼接,整机视场角达到88°。

光学系统中有三方面的原因造成光能损失:透射面的反射损失,反射面的吸收损失,材料内部的吸收损失[6]。光线从空气进入光锥时,从空气介质到玻璃介质时,在抛光面处必然伴随有反射损失,K9玻璃折射率nd=1.516 37,对应的反射损失ρ=0.04。为了减小反射损失,在光锥的大端面镀上一层增透膜,此时反射率可以降低到ρ=0.02以下,按照ρ=0.02进行计算,则透射率τ=0.98。直光锥有两个镀增透膜的空气和玻璃的透射界面,透过率

图6 光锥系统视场角示意图Fig.6 The cone of optics system field range angle

2.2 利用光锥提高天幕靶的灵敏度

灵敏度是表征天幕靶探测距离能力高低的一个参数。天幕靶能探测到弹丸的最大距离(弹道与镜头的距离)与弹径成正比关系,所以天幕靶的灵敏度使用最大探测距离与弹径之比值(倍弹径)来表示。灵敏度的高低直接关系到天幕靶所能探测到的弹道高度的能力。由于武器研制的需要,要求天幕靶具有较高的灵敏度。要实现微弱光信号的探测,就是从噪声中如何提取信号的问题,这也是当今信息探测器理论研究的中心课题之一[5]。

制约天幕靶灵敏度的因素很多,如长焦距镜头和短焦距镜头的选择,信噪比因素,还有光信号损耗的因素。光线进入光阑以后,要经过透镜组,在透镜组中会造成光能损失,光能的损失影响了弹丸信号,这是制约天幕靶灵敏度的一个重要原因。

使用光锥主要是减小光能量在传输过程中的损失,从而提高天幕靶的灵敏度。

3 试验验证

3.1 光锥光能损失计算和比较

光线进入光锥以后,发生多个全反射,由于全反射面抛光良好,认为反射率ρ=1。光学材料中心厚度为5 cm,透明率

则整个光锥中的通过系数为:

即通过的光通量为89.03%,损失10.97%。场镜组通过的光通量为84.66%,损失了15.34%。光锥和场镜相比较而言,光锥通过的光通量比场镜组少损失4.37%。

3.2 实弹试验及结果分析

把安装有场镜聚光光电转换系统和安装有光锥聚光光电转换系统的两台天幕靶,平行布置在同一靶道上进行实弹实验,两套光电系统镜头规格相同,放大电路板相同。如表1所示是一组16发实弹实验的数据,电压值单位为V,弹道高度单位为m。

实验条件:弹种:4.5 mm气枪弹;镜头焦距:85 mm;光圈数:2.8。

表1 气枪弹实弹射击实验数据Tab.1 The test date of projectile fire

实验数据表明:安装了光锥聚光光电转换系统的天幕靶测得的弹丸信号,比安装了场镜聚光光电转换系统的天幕靶提高了9.85%,噪声信号降低了6.84%;安装了场镜聚光光电转换系统的天幕靶测得的弹丸信号平均信噪比(SNR)o=4.280 6,安装了光锥聚光光电转换系统的天幕靶测得的弹丸信号平均信噪比(SNR)o=5.027 5,平均信噪比提高率为17.45%。

由于光锥光能损耗较其它器件低,能获得更好的信号,所以提高了灵敏度。通过本项技术的应用,不但可以提高我国靶场测试技术的水平,而且减少了对国外天幕靶仪器设备的依赖,大幅节约成本,有利于具有我国自主知识产权的测试技术的发展。

4 结论

本文针对天幕靶存在视场角小和灵敏度不高的问题,提出了这种新的光锥聚光光电转换方法,在采用同样的光学镜头和光电转换器件的情况下,利用光锥对进入光阑狭缝的光线进行传输汇聚,使天幕靶视场角由 24°提高到 44°,平均信噪比提高了17%,灵敏度大大提高。

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[2]倪晋平,王铁岭,宋玉贵,等.XGK-04型广角天幕靶[J].光学技术,2006,32(5):787-789.NI Jinping,WANG Tieling,SONG Yugui,et al.XGK-04 type wide-angle sky screen[J].Optical Technique,2006,32(5):787-789.

[3]王耀祥,田维坚,章兴龙,等.纤维光锥有效透过率的理论分析[J].光子学报,2005,34(4):54-57.WANG Yaoxiang,TIAN Weijian,ZHANG Xinglong,et al.Theoretical analysis of theeffective transmission about fiber taper[J].Acta Photonica Sinica,2005,34(4):54-57.

[4]董华,王铁岭,冷男.光锥在光电探测仪器中的应用和设计方法[J].光学仪器,2008,30(1):60-63.DONG Hua,WANG Tieling,LENG Nan.The application and design method of cone of optics in photoelectric detection instrument[J].Optical Instruments,2008,30(1):60-63.

[5]安毓英,曾晓东.光电探测原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.

[6]郁道银,谈恒英.工程光学[M].北京,机械工业出版社,1999.