光幕靶探测光幕光能及性能研究

李豪杰

(西安工业大学电子信息工程学院，陕西西安 710032)

目前，光幕靶靶面已达到3 m×3 m，但可以投入实际应用的只有2 m×2 m，随着武器测试技术的发展要求，对测试靶面的大小和性能提出了更高的要求，军方甚至提出了3 m×3 m～10 m×10 m靶面的要求，为此，有必要进行更大靶面的光幕性能进行分析［1－2］。

1 原理

文中的研究对象是发光二极管组成的线光源，研究的主要内容是该线光源所形成光幕的光能分布以及该光幕的探测灵敏度［3－5］。该光幕靶的模型如图1所示。

该光幕靶模型的左侧为发光二极管组成的线光源，右侧为光电接收单元，发光二极管阵列前有一个狭缝光阑，其作用是限制在垂直光幕面方向上的杂散光，当有目标穿过光幕时，引起光电接收单元上光通量的变化，经后续信号调理电路放大这个微弱信号，最终输出一个脉冲［6－7］。

图1 光幕靶模型

表征发光二极管的参数主要有:法线方向上的光强、发射角、发光强度的角分布等，考虑到光幕面光能量是多个发光二极管光能叠加的结果，每个发光二极管对整个光幕的能量贡献仅占百分之几，为简化分析，建立模型假设每个发光二极管的发射角θ为常数，且在不同角度的光强分布均匀，发光二极管的排列间距为d［8］。

2 光能分布

设单个发光二极管法线方向上的光强为I0，在距离 x处的光强 I为［9］

其中，k为比例系数。

单个发光二极管的发光模型如图2所示，在距离为x处的光照区域为m，由几何关系可以得出

图2 单个发光二极管发光模型

由于每个发光二极管的发光情况独立，因此整个光幕面的发光能量情况是各发光二极管能量代数和的叠加［10－14］。

图3 光能分布示意图

根据图1所示的光幕靶模型，可将整个有效探测靶面的光幕靶能量分布分成如图3所示的3个区域。对于1#区域，由于收到光源发散角的限制，不可避免的存在测量盲区，当目标正好从该测量盲区通过时，我们就不能检测到目标的过靶信息。对于2#区域，由于既不存在测量盲区又能量损失过大的问题，因此比较适合作为探测区域。因为每个发光二极管都以间距d均匀排列，所以每个发光二极管的照射区域都以间距均匀叠加，则2#区域的光强。对于3#区域，由于光能量在空气介质传播过程中存在散射、吸收等能量损失，故而目标通过该区域时由于目标过靶时引起的能量变化过小，淹没在噪声中，不能被提取出来，因此该区域不适合作为探测区域。

把式(1)和式(2)代入式(3)，可得

3 光幕性能

在光幕靶测量系统中，狭缝是形成光幕的必要条件，狭缝的宽度决定了光幕的宽度并且影响探测器件接收光能的多少，因此整个探测系统中狭缝光阑起到了重要作用。受到探测器接收角度的影响，一般设计狭缝的宽度与探测器件的感光面宽度一致即可。光幕的厚度L和运动目标的长度l，必然存在3种关系，光幕厚度大于、小于或者等于运动目标的长度，如图4所示。在这3种情况下光幕靶的探测灵敏度和捕获率不同，需要具体分析［15－17］。

图4 光幕厚度与运动目标长度关系

光幕靶的工作原理是当弹丸通过光幕时，对光路进行遮挡，进而光电转换器件上的光能量将发生变化，引起光电转换器件上的电流发生变化。由此可知光幕靶的灵敏度是指能探测到的最小光通量变化，它可表示为

其中，δ为光幕靶的灵敏度;φmin为能探测到的最小光通量变化;φ为光电转换器件敏感面接收到的总能量。从光幕靶的灵敏度的定义可以看出，在信号放大调理电路确定的情况下，光幕靶的灵敏度与被遮挡的最小光能量有关，它是一个常量，如果光电器件接收到的总的光能量越多，它所占的比重越小，灵敏度就越高，捕获率也相应提高［18－19］。

假设目标在与光幕垂直平面上投影宽度为h，如果φmin为系统有信号输出的最小光通量，对应的探测距离为x'，那么在光幕厚度与运动目标长度3种关系下的最小变化光通量φmin为

从式(4)可以看出，在光幕能量均匀的情况下，当光幕厚度小于等于目标长度时，φmin与目标的投影面积相关;当光幕厚度大于目标长度时，φmin与目标的投影宽度和幕厚有关。

在光幕靶探测系统中，根据目标穿越光幕的过程，目标在探测器件上产生的目标信号值可以表示为

其中，A为光电器件的平均响应度;Δk为光电探测器的边长;v为目标的飞行速度。

背景噪声产生的信号值IB可表示为

其中，I1为背景噪声值;有I1=AE0(Δk)2t;(Δk)2为光电探测器的感光面积;t为目标作用于光幕的时间;A为光电器件的平均响应度;I2为光电器件的暗电流。

为能够检测出目标信息，目标信号与背景噪声必须满足一定的条件

其中，Imin为光电器件所能表示的最低信号值;Imax为光电器件饱和输出的信号值。

假设目标穿越光幕时遮挡的光通量Δφ所引起的光电转换输出的信号幅值为V，有

其中，β为放大倍数;κ为光电探测器的灵敏度;R为电流电压转换的等效电阻。从式(10)可以看出，探测电路输出的信号幅值与目标所遮挡的光通量Δφ成正比，目标所遮挡的光通量Δφ又与目标穿越光幕的区间有关。

4 实验分析

探测电路如图5所示，为了提高光电转换效率D1采用PIN。

图5 光电探测电路

光电二极管阵列，Rf为反馈电阻，完成电流/电压转换，Cf可以抑制白噪声;C3、C4、C5和 R2组成一个低通滤波电路，抑制高频干扰;R2、R4和R8可以调节放大倍数，进而控制目标信号输出值的大小。通过示波器采集到的目标过靶信号，如图6所示。

图6 目标过靶信号

由图6可以看出，该探测电路可以准确地检测到目标。

5 结束语

从单个发光二极管出发，建立了整个光幕区域的光能分布模型;通过分析光幕厚度与目标长度的3种关系得出不同情况下的最小光通量;通过分析不同因素对目标信号幅值的影响得出探测电路输出信号幅值的理论计算公式。为设计更大靶面的光幕靶提供了理论依据。

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