天幕靶人工光源的设计

赵 亮，王召巴，陈友兴

(中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051)

0 引言

测定弹丸飞行速度是衡量武器系统技术指标的一项重要参数，在靶场测试中常常需要测试弹丸的初速。在靶场测试领域，天幕靶是一种常用的光电触发设备，两台天幕靶与一台测时仪配合就可以实现弹丸飞行速度的测量，它由镜头、探测器、放大电路以及相应的机械结构组成。由于天幕靶采用光电转换非接触测试原理，测试精度高、适用范围广，日益受到靶场使用者的欢迎。

由于自然光是天幕靶工作的光源，那么自然光的变化势必影响其工作性能，在天空亮度高低2个极端光照条件下天幕靶的工作性能比较差。光照强度极强时环境的背景噪声很大，将会产生干扰现象，而在光照强度较低的情况下，虽然背景噪声很低，但弹丸过靶的信号也相应减弱，也降低天幕靶的探测灵敏度。

本设计提出用LED作为天幕靶的人工光源，来代替自然光。从而解决了天幕靶不能在阴天或室内测试的问题。

1 天幕靶工作原理

天幕靶是以光电转换为基础的探测仪器。以天空亮度为背景，用光学成像透镜和置于透镜焦平面上的狭缝在天空中形成光幕，进入光幕的光能经光学变换汇聚到光电转换器件上，当运动物体进入光幕时，遮挡部分投射到狭缝中的光能，使光电转换后形成一个波动，通过放大整形电路输出一个脉冲信号，完成一次测试功能。

当弹丸通过光幕时，弹丸遮住部分光线引起光通量变化，由此引起探测器上的光电流变化并输出电脉冲利用两套同样的天幕靶并接入测时仪，通过输出的电脉冲启动测时仪和停止测时仪可得到弹丸通过两天幕靶的时间，测量两靶距，即可算出弹丸速度［2］。按下试计算:

式中:s为起始靶和停止靶间的距离;v为弹丸起始靶和停止靶间的飞行速度(m/s);t为测时系统测得的弹丸在起始靶和停止靶间的飞行时间［3］。

天幕靶是一种光电靶，其利用太阳光在大气中散射而形成的自然光为光源。天幕靶对弹丸材料没有特殊要求，对弹丸飞行没有干扰，具有其它区截装置所没有的特殊优点。

图1为光源所形成的面幕。

图1 光源所形成的面幕

如图2，根据透镜成像原理，发光体ab所成的像为a'b'。如在像前装一个光阑，则只有光阑上狭缝所允许通过的光才能成像于c'd'。如对准c'd'安装一个光敏元件，它所接收的只是垂直于纸面方向(与光阑狭缝平行)，宽度为cd的一条光幕的光。当弹丸飞过该光幕时，弹丸的影像将使照射到光敏元件上的光通量发生变化，使光敏元件产生的电信号发生变化，发出区截信号。因此，天幕靶是以天光形成的光幕为区截面的，故而有此名称。

图2 天幕靶的工作原理

2 人工光源的设计

2.1 人工光源的选择

当在室外天空亮度高低2个极端光照条件下，选择适当人工光源代替自然光。寻找一合适可控光源，能够在计算机的控制下产生可调光，照射天幕靶，如寻找合适阵列光源代替天幕，以便天幕靶在天气不好或夜晚也可正常工作。反射式光源为首选，如不成功可选择透射式光源。

图3 反射式、透射式人工光源

2.2 发光器件的选择

发光器件是天幕靶用室内光源设计中非常关键的部分，首先它要满足足够的亮度，又要具有使用寿命长，耗电量低和体积小的优点。经过比较，高亮度的发光二极管能满足要求，且发光二极管的制造工艺已相当成熟，天幕靶的光敏器件接收的是可见光，因此选择白色发光二极管，其外形有多种形式，比较适合应用在天幕靶光源上的有2种外形:子弹头形和平头圆柱形。这2种形式的发光二极管所具有的共同性能是亮度高，消耗功率低，高可靠性和高稳定性，能提高光学设计和机械设计的灵活性。它们的区别在于平头形没有聚焦透镜，而子弹头形是在头部加入了聚焦透镜，因而两者发出的光束有所不同。子弹头形的半功率角2θ1/2=8°，平头圆柱形的半功率角2θ1/2=23°［4-5］。在此设计的光源中采用的是平头圆柱形发光二极管，因为光束比较宽，在满足测速精度的条件下可以使2个发光二极管之间的间距大一些，以减小安装难度。

2.3 驱动电路

根据天幕靶的工作原理"要求光源发出的光强必须稳定"因此采用恒压恒流源来驱动。经过试验比较，由集成稳压块和精密电阻构成的恒压源效果最好。

3 整体结构

天幕靶的视场是一个扇形区域，为了充分利用光源所发出的光线，光源应该是一个弧形的线光源。把光源做成一个整体的弧形在加工和装配上比较困难，为此，采用了由许多很短的直线光源拼成长弧形光源的方法，该光源可以通过安装孔固定在天花板、墙壁或者根据特定需要制作的架子上，如图4所示。

4 实验结果

当天空亮度低于120Lux时，用天幕靶和设计的弧形线状LED光源组成的测速系统进行实验。图5为没有使用人工光源与使用人工光源的天幕靶输出信号对比图。

图4 人工光源照明过程

图5 天幕靶输出信号对比

5 结论

通过理论分析和实际测试证明了该光源的可用性。在阴天或室内时，为天幕靶配备使用弧形线状LED光源，可以增加天幕靶的灵敏度、提高天幕靶的分辨力。扩展了天幕靶的测试范围，克服了天气状况对天幕靶使用的限制，方便了天幕靶的全天候测量以及在室内的测量。

［1］邵泽波.无损检测技术［M］.北京:化学工业出版社，2003:1－5.

［2］王铁岭.天幕靶精度分析［J］.兵工学报弹箭分册，1987(2):39.

［3］李翰山.高洪尧.天幕靶精度测量系统改进研究［J］.西安工业学院学报，1997，17(1):30.

［4］《无线电》编辑部.无线电元器件精汇［M］.北京:人民邮电出版社，2002:152－153.

［5］金友.高亮度发光二极管开辟新的照明市场［J］.光机电信息，2004(5):25－26.