片光反射遮挡式超高速亚毫米粒子探测技术

罗锦阳，黄 洁，部绍清，柳 森，罗 庆

（中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 621000）

0 引 言

开展航天器抗空间碎片防护性能试验研究是提高航天器防护能力的有效途径，就目前国内外的研究现状而言，超高速碰撞靶是开展航天器抗空间碎片防护性能试验最重要的地面设备。在超高速碰撞靶上开展航天器抗空间碎片防护性能试验，需要准确测量粒子的飞行速度，且探测必须是非接触式，同时需要根据探测信号实时为照相系统等提供准确的触发信号。中国空气动力研究与发展中心已经对粒子探测技术进行了比较深入的研究，实现了毫米级超高速粒子的成功探测，但随着研究工作和试验技术的发展，需开展亚毫米粒子的探测技术研究，这也是超高速碰撞试验技术发展的关键技术之一。

由于超高速粒子尺寸小、速度高、光磁干扰强，一般都采用非接触方式进行粒子探测，目前国内外采用的主要方法包括：磁感应法、片光遮挡法和X射线法等。磁感应法要求粒子必须为金属材料或增加飞行的磁环，对材料和发射要求较高，但该方法技术简单，在部分试验条件下可较好运用。X射线方法利用两次X射线管照像底片判读获得粒子飞行距离，结合计时仪记录的两次闪光时间，就可以实现粒子探测和速度测量；该方法系统复杂，成本高昂，运用较少。片光遮挡法粒子探测原理是当粒子穿越片光时遮挡部分光束，导致穿越靶室的光通量减小，从而实现粒子的探测，该方法对粒子无干扰，是最好的高速粒子探测方法，但该方法技术难度较大，同时要处理发射器的光干扰等，故在国内没有大量使用。我部对该技术进行了长期的研究，实现了不同环境下高速粒子的可靠探测，为适应1mm以下粒子超高速碰撞试验的需要，开展了片光反射遮挡式粒子探测技术研究，以满足试验和研究的需要。

对片光反射遮挡式探测光路和一阶阶跃信号耦合方法进行分析，并对验证装置的设计和验证试验结果进行了介绍。研究结果表明该技术可用于0.1mm量级高速粒子的探测。

1 单片光遮挡式超高速粒子探测原理［1］

单激光片光粒子探测采用点激光光源作为探测光源，图1为单片光遮挡式粒子探测示意图，探测光源采用半导体激光光源，该光源工作电源为低压直流电源，光源噪声小，可以实现小粒子的可靠探测。虽然半导体激光器的激光束在同一波阵面内的电场呈高斯分布，在波阵面内能量分布不均匀，但其能量主要集中于半径为束腰值的范围内，通过光阑对光束进行约束后，可简化认为在矩形探测视场范围内光强呈均匀分布。

图1 片光遮挡式粒子探测示意图Fig.1 Sketch of particle detecting by cutting off the flake laser

单片光遮挡式探测粒子的原理在于利用粒子穿过片光时，对片光产生遮挡效应来实现。当超高速飞行的小粒子穿过片光时，在探测电路所产生的电压为：

式中：β＝ηq／hυ为响应系数，η为量子效率，q为电子电荷，h为玻尔兹曼常数，υ为光波频率，φ为片光光强，d为粒子尺寸，D为片光宽度，R为转换电路电阻阻值。

由公式（1）可见，产生的电压信号与d成正比关系。当探测粒子尺寸逐渐减小，粒子对片光的遮挡程度将逐渐减弱，U值也将逐渐减小，当U值减小到与噪声信号接近时，将无法识别粒子对片光的遮挡效应。

2 片光反射遮挡式超高速粒子探测技术

2.1 片光反射遮挡式探测亚毫米粒子的设计原理［2］

为了实现空间碎片防护试验所需的对更小尺寸粒子的探测，需要提高这种小粒子对片光遮挡效应的抗噪声干扰能力。

根据式（1），小粒子对片光遮挡效应产生的电压信号与β、φ、d／D、R等参数成正比关系。但是对于探测电路而言，增大β、φ、R等三个参数时，一般对应的噪声信号也随之增加，难以达到改善这种遮挡效应的抗噪声干扰的目的，所以在此考虑通过增大d／D，来提高小粒子对片光遮挡效应产生的电压信号。

根据目前我部超高速碰撞靶探测1mm尺寸粒子时采用的d／D为1／50，则若要探测0.5mm尺寸的粒子，则需要的d／D为1／25，即可采用25mm宽度的片光，若要探测0.1mm尺寸的粒子，则需要的d／D为1／5，即可采用5mm宽度的片光。但是，减小片光宽度会减小探测视场，为了解决探测视场减小问题，提出了反射式片光探测视场技术。

2.2 片光反射遮挡式探测视场设计原理

片光反射遮挡式粒子探测视场示意图见图2。两块间距为L1的反射镜相互平行，垂直于粒子飞行轴线安装，宽度为D的光束与水平方向成θ夹角从一块反射镜入射到另一块反射镜。由图2可得，片光反射两次后在垂直方向上形成的探测视场D′为：

图2 反射式激光片光探测原理Fig.2 The principle of particle detecting through multi－reflect sheet laser

从图2中还可以看出θ、与D、L1、L2的约束关系：

根据式（2）、（3），当激光片光在平行反射镜间反射2 N次后，形成的探测视场宽度为：

根据式（3），可以在反射镜距离、片光宽度已知的情况下，通过调节角度θ来确定L2。再根据式（4），在反射镜距离、片光宽度、L2已知的条件下，可通过调节反射次数2 N来实现对探测视场的设计。

2.3 高速小粒子接收电路［3］

对粒子遮挡产生的电压变化采用直接耦合时，由于粒子尺寸太小，其电压变化量小于光源和电路产生的噪声，不能实现对小粒子的探测。为实现对小粒子的探测，采用了RC一阶阶跃响应电路来提高信号耦合幅值。采用RC耦合的一阶冲击响应可用初值不为零的阶跃信号来表示，响应曲线如图3所示。

式中，t为脉冲信号的宽度。

图3 RC耦合响应Fig.3 Coupling response of RC

在片光厚度一定时，小粒子穿越片光的时间越短，产生的脉冲信号宽度越小，该RC一阶阶跃响应方式对越小尺寸粒子的耦合比例越大，故该方法可提高系统对小粒子信号的探测能力。

3 试验及结果

3.1 试验条件

验证试验在中国空气动力研究与发展中心FD－18A超高速碰撞靶上进行，试验粒子尺寸：φ0.5mm、φ3.0mm；发射速度：约5km／s；靶室压力：700Pa。

3.2 试验装置

对该探测模式进行验证，设计了一套试验装置。探测器垂直方向探测视场设计为50mm，平行反射镜间距100mm，光源为半导体点光源，通过光学变换为宽度5mm的片光，光源整体固定在一面反射镜的上端，该反射镜也固定，另一面反射镜的俯仰角可以调整，以实现两反射镜的平行，片光经过8次反射后通过汇聚透镜把片光汇聚到探测器的光电二极管吸收面上，通过光电转换、信号耦合和放大实现小粒子的探测。

在探测电路和响应模式不改变的情况下，可认为电路噪声大小不变，同时电路对不同粒子的响应为线性响应时，在超高速碰撞试验中已经实现了片光宽度为50mm，1mm粒子的成功探测，故可达到d／D＝1／50，当片光宽度为5mm时，在d／D＝1／50不变的情况下，理论上该装置可探测的最小粒子尺寸为0.1mm。

3.3 试验结果

试验获得的粒子信号见图4和5。图4为粒子尺寸φ3.0mm、速度为5.12km／s试验中试验装置的探测信号，信号峰值为－4.2V，图5为粒子尺寸φ0.5mm，速度为4.80km／s试验中试验装置的信号峰值为－0.85V。

图4 φ3.0mm粒子信号（V＝5.12km／s）Fig.4 Signal of particle ofφ3.0mm（V＝5.12km／s）

图5 φ0.5mm粒子信号（V＝4.80km／s）Fig.5 Signal of particle ofφ0.5mm（V＝4.80km／s）

（a）电路响应线性度

通过电压与粒子直径的比值，来确定探测电路的响应度。

由图4可得探测电路对φ3.0mm粒子的响应度为：

由图5可得探测电路对φ0.5mm粒子的响应度为：

虽然不同片光位置的光强度不一致，但经过整形处理后其差别较小，可认为探测器对不同尺寸粒子的响应基本为线性的，对尺寸越小速度越高的粒子，由于其频率越高，故响应度略有增加。

（b）探测能力分析

由图5可得光源和电路的噪声为0.12V，根据信噪比分析结果可知探测器可探测最小粒子尺寸为（响应度按0.5mm尺寸粒子的响应度计算）：

4 结 论

通过技术研究和试验验证，片光反射遮挡式小粒子探测技术可以提高激光光束探测粒子的信噪比和探测下限。其最小粒子探测直径可达0.1mm，满足超高速碰撞试验亚毫米粒子空间碎片防护试验中粒子可靠探测和测速控制的需求，进一步拓展了超高速碰撞靶开展空间碎片防护试验的范围。

致谢：在项目实施过程中得到了得到了文雪忠、谢爱民、宋强、任磊生、陈萍、何贵慎、刘晓龙、廖富强等同志的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢。

［1］ 罗锦阳，柳森.超高速碰撞靶微小弹丸／粒子激光片光测速技术［C］.中国兵工学会弹道专业委员会学术交流会，2004.

［2］ 赵凯华，钟锡华.光学［M］.北京：北京大学出版社，1982.

［3］ 范志刚.光电测试技术［M］.北京：电子工业出版社，2003.