基于PbS的枪口火焰探测系统研究

王哲，雷鸣

（西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710032）

在靶场试验与测试中，枪（炮）口火焰常常作为其他测试设备的启动信号。目前常用的两种测试枪口火焰的方法分别是照相机B门法和转鼓摄影法[1]。B门照相法测试结果实时性能不佳，同时对试验时的环境要求苛刻，测试结果的判读误差较大；转鼓摄影法同样存在结果判读困难的缺陷[2]。

本文以枪口火焰为研究对象，在分析枪口火焰红外辐射特性的基础上，设计了一种基于抛物面聚能方式的枪口火焰红外探测系统。分析枪口火焰的辐射特性，计算探测器的光谱匹配因数，根据该匹配因数确定探测器类型；设计了以PbS为探测器的信号处理电路和PbS半导体制冷系统；通过仿真和靶场试验验证了系统的探测能力。

1 枪口火焰光谱特性

弹丸发射时，枪口火焰具有一定的光辐射特性，该辐射特性中含有红外辐射。图1为枪口火焰的光谱图，从图中可以分析得出，火焰的峰值强度主要集中在0.8～4 μm之间，其中有一部分在近红外和中红外波段，这样就可以考虑采用红外探测器对枪口火焰进行探测[3]。

图1 枪口火焰光谱图Fig.1 Spectrum of the muzzle fire

2 探测器特性分析

探测器对单位入射辐射功率所产生信号大小的能力称为探测器的响应度R，即

其中P为投射到探测器响应面上的入射辐射功率，V（或I）为探测器产生的信号电压（或电流）。

入射总辐射功率P是光谱辐射PλT在辐射波段范围内的积分，即

探测器的总输出信号电压V是探测器单色信号电压在响应波段范围内的积分，即

代入式（1），则得

这个无量纲的积分比称为光谱匹配因数，这个因数能够有效的表征探测器的光谱响应与辐射源辐射光谱之间的匹配程度。K越大，匹配越好，探测能力越强。

根据以上光谱匹配因数的定义，对常见的几种红外探测器计算其相应的光谱匹配因数，结果如表1所示。可以得出，PbS探测器的光谱匹配因数最大，因此，就选用PbS作为枪口火焰探测的传感器。

表1 常见红外探测器光匹配因数Tab.1 Spectral matching factor of the infrared detector

3 总体方案设计

枪口火焰红外探测系统主要由探测光学部分，信号处理部分和温度控制部分组成，如图2所示。其中探测光学部分主要由抛物面汇聚镜头组成；信号处理部分由T型放大网络，二阶低通滤波器，比较电路和差分电路组成；温度控制部分由散热片，温度传感器DS18B20，可控硅和单片机组成。

图2 系统原理图Fig.2 Detect system schematics

3.1 探测光学系统

该系统所捕获的是枪口的瞬态火焰，该火焰所辐射出的红外具有瞬态性，难以捕捉，而又由于PbS探测器本身灵敏元面积有限，所以对入射红外辐射量的捕获有限，为了最大限度的捕获枪口所辐射出的红外信号，故在探测器前端安装汇聚镜头，以扩大探测范围。根据光学成像原理，如图3所示，采用抛物面作为汇聚镜头，可将探测器本身放置在镜头的焦点上，当枪口火焰离探测器很远时，都可以通过该镜头将红外辐射汇聚到探测器的灵敏元上，这样，既保证了对枪口火焰信号的捕捉，又提高了系统的可靠性，其结构如图4所示。

图3 光路原理图Fig.3 Schematic of the optical path

图4 汇聚镜头示意图Fig.4 Convergence lens schematic diagram

3.2 信号处理电路

PbS作为一变阻式红外探测器，其阻值会随着接受到的红外辐射量的改变而变化。若想得到电压（或电流、或功率）信号输出，必须将该探测器件加适当偏置电路[6-9]。典型的偏置电路有恒压偏置电路、恒流偏置电路和恒定功率偏置电路。在本系统设计中，采用了恒压偏置电路。使用电阻分压，分压电阻采用220 kΩ，恒压电压为12 V，故可得分压范围在3.75～11.18 V之间，探测器可根据枪口火焰所辐射出的红外辐射量的强弱将其转换为该范围区间内的任一电压值，从而达到将红外信号转变为电信号的目的。

图5（a）为PbS信号处理电路，采用T型网络放大电路，将PbS探测器输出的微弱电压信号进行放大，放大倍数Au=10；由于PbS探测器的内阻随接收到的红外能量的大小而变化，所以要求放大器有较高的输入阻抗，该T型网络放大电路的输入阻抗Ri=R3=5 MΩ；对于直流信号来说，输出阻抗近似为0；采用仪表放大器来提高增益；并且要求具有良好的线性和抗干扰能力。在结构上要求紧凑，靠近探测器，良好的接地与屏蔽。

图5 信号处理电路Fig.5 Processing circuit of the signal

将探测器转换后的信号放大后送至比较器的正向输入，并与参考电压进行比较，为可变电位器，可以根据不同的测试设备要求来改变参考电压的电压值，其变化范围为0～10 V可调，当输入的信号大于参考电压时，比较器输出高电平。传输芯片将最终的高电平信号转换成差分信号输出，以供其他测试设备使用。图5（b）为使用Multisim对电路进行仿真结果图，其中通道1信号为比较器的输入信号，幅值为12 V，通道2信号为比较器的输出信号，为一高电平，参考电压为6 V。

3.3 温度控制系统

由PBS探测器的工作原理可知，PbS的禁带宽度很窄，在室温下，一旦发生热激发，大量载流子会发生跃迁参与导电，这会降低PbS对红外辐射的灵敏度。因为热激发产生的载流子在光照前已经降低了势垒高度，被陷在势垒里的载流子数目大大减少，探测器所处的环境温度愈高，接受红外辐射势垒降低再释放的载流子就少了，电导的变化就不明显，灵敏度就低；反之，电导的变化就很明显，灵敏度就高。所以降低探测器的温度可以有效的提高探测性能。因此，如图6所示，PbS探测器的最佳工作温度区间为-40℃～40℃[8-11]，而这个范围已经能够代表一般的应用温度范围。

图6 PbS探测器的温度特性Fig.6 Temperature characteristics of the PbS detector

图7为半导体制冷片原理图，因为半导体制冷片的温度调节范围为-130～90℃，且具有热惯性小，功率小，通过控制电流可以精确的控制温度，并且工作时不需要制冷剂，没有震动噪音等特点，故冷却器件采用半导体制冷片。将制冷片的冷端贴近探测器，当通电后，由于PN结热电偶对的工作，将热量由N型元件端吸收至P型元件端，达到降温的效果，其降温速度由PN结热电偶对的数量和所通直流电的大小决定。当环境温度高于设定值时，单片机控制可控硅导通，使半导体制冷片通电，开始工作，降低探测器周围的环境温度，当温度降低至-20℃时，通过PID算法精确地控制电流大小，使探测器的环境温度稳定在-20℃±0.5℃；当温度低于设定值时，制冷系统不工作。图8为冷却系统原理图。

图7 半导体制冷片原理图Fig.7 Schematic of semiconductor cooling piece

图8 冷却系统原理图Fig.8 Schematic of cooling system

温度传感器选用DS18B20，微控制器选用C51单片机。图9为温度控制系统的流程图。系统上电后首先启动PID参数自整定，调用PID自整定子程序；然后设定温度，通过与温度传感器所测得的温度进行比较，来判断制冷系统是否工作。

4 试验结果

对所设计电路进行试验，试验采用7.62 mm口径自动步枪为主武器，探测系统距枪口的直线距离为10 m，射击方式为单发点射。图10为探测系统在试验条件下的波形图。

从图中可以看出电路对枪口火焰信号的处理满足要求，2通道信号为探测器的直接输出信号，信号幅值为1.8V，脉宽为2.0 ms；3通道信号为经过反相后的信号，信号幅值为2.0 V，脉宽为2.0 ms；1通道信号为最终比较输出的方波信号，该方波信号为高电平。

图9 温度控制流程图Fig.9 Flow chart of the temperature control

图10 探测器的试验结果Fig.10 Test result of the detector

5 结束语

文中论述了枪口火焰的光谱特性，红外探测器件的光学探测系统，探测器的制冷结构和信号处理电路，通过系统仿真得到系统的各项参数，论证了系统的可行性，并通过实际试验，论证了系统对于瞬态火焰的采集和处理能力，特别是对远距离的枪口火焰信号也能够进行准确的采集，符合靶场测试要求。

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