基于光纤的膛内运动状态测试技术

李志凌 贾世甄 尹 航 张银领

基于光纤的膛内运动状态测试技术

李志凌 贾世甄 尹 航 张银领

近年来，电磁炮作为一种新型的武器备受关注，由于其利用了电磁感应产生的电磁力发射弹丸，传统炮膛内弹丸测速方法易受其产生的高电压强磁场干扰，测试精度较低。为解决这一问题，本文设计了一套基于光纤的电磁炮膛内弹丸运动状态测试系统，利用高能激光器作为光源，利用光纤作为能量传输通道，光电二极管作为探测传感器，并设计了相应的光电转换电路和信号处理电路，将光信号转换为电信号进行分析处理，从而实现膛内弹丸运动状态的检测。

电磁发射技术是借助电磁力做功，将电磁能转化为弹丸的动能，依靠强大的动能摧毁目标从而完成预定的作战任务，在发射的过程中，电磁力长时间作用于弹丸，较常规火炮利用化学能发射弹丸，能大大提高弹丸的出射速度，精度更高，射程更远，发射过程无噪声，武器系统生存能力强。因此，电磁发射武器军事应用潜力巨大，但是，实验费用昂贵并且实验步骤繁琐，各变量间的参数存在耦合关系，如果只通过实验，很难确立各种影响因素对弹丸性能的影响，因此，有必要利用计算机仿真技术对电磁炮系统的测试模块进行建模及仿真研究，为电磁炮的性能优化提供数据支持。

常见测试方法

激光干涉法

激光干涉测量技术是利用任意反射表面的速度干涉仪（velocily interfemmeter system for any reflector，VISAR）和法一珀干涉仪进行快速响应和高分辨率诊断的系统，二者都可以用来对超高速运动的物体进行测量，因此可以用VlSAR或者法一珀干二涉仪来测量电磁炮膛内弹丸速度。

微波干涉法

微波干涉法一般采用数据采集器和微波干涉仪，利用多普勒效应原理获得弹丸运动时发射波与干涉波之间的频率变化来对弹丸位置-时间变化关系进行测量，确定弹丸的运动速度。但是受微波本身波长的限制，对高速运动的物体该测量方法的精度较低，因此，不适用于弹丸速度极高的电磁炮。

共轭抑制线圈法

共轭抑制线圈法（Flux Ruler）是电磁轨道炮性能测试工作中一种非常简便的基于电枢内弹道位置测量方法，目前该方法主要应用于实验室小型电磁轨道炮的演示中。共轭抑制线圈法应用于串联增强电磁轨道炮的实验平台的情况同样是很少见的。共轭抑制线圈其特殊的排布方式，有助于消除增强外界磁场的干扰，使得采集通道数小于磁探针阵列的通道数。因此，课题从实验角度考察了串联增强电磁轨道炮的基于共轭抑制线圈测速方案的可行性。

测试电路的设计

如图1所示，在本文设计的检测系统中，原始信号来源于电枢运动引起的光信号变化，但是直接对光信号分析、处理难度较大，因此对于输入到检测系统的光信号，我们首先采用光电转换电路将其转变成电信号，再对该电信号进行处理。在该系统中，由于电枢运动引起的电信号变化相对微弱，因此应首先对该电信号进行放大处理，故经过光电转换电路后首先进入信号放大电路进行放大处理。在信号的采集过程中，难免会有噪声信号掺杂在初始信号中，对检测结果产生干扰，因此我们要通过信号滤波电路将噪声信号过滤掉，从而提高系统的精度，故经过信号放大电路后再进入信号滤波电路。

图1　电路整体设计

图2　光电转换电路原理图

光电转换电路

在本课题中，采用了主动激光束照明的方案。高灵敏度光电探测器在激光器前方形成的光路上，当没有弹丸通过光路时，探测器接收到全部能量的激光信号。当弹丸到达检测点时，部分光路会被弹丸遮挡，从而引起光电探测器接收到的光通量发生跳跃变化。光电转换模块主要功能是把高速运动的弹丸通过测试光路时引起的光信号的变化转换为动态的电信号。

课题所采用的光电转换电路如图2所示，测试电路采用的是以高速运放为核心的运算放大电路，将电流信号转换为电压信号，其中，其反向偏压连接方式提高了探测电路的高频响应的性能。根据理论计算，该运放带宽为1.6Hz，常温下压摆率为500V/us，可以满足电路的要求。有激光照射的情况下，V0为正，输出电压V0可通过以下公式计算得出

式中ID为在反向偏置下，光电二极管经激光照射后产生的电流，其大小与光照度成正比；Rf为光电转换电阻。

对于本增益电路的介绍：电路工作原理为光电二极管PIN经光照射后便会产生电流信号，经反相放大器进行放大后输出Uout。该光电转换电路中的电容C1可以减小电路中的噪声。

小结

本文在分析了国内外发展现状的基础上提出了基于光纤的电磁炮膛内测试方案，重点讨论了如何减小电磁炮自身电磁感应对检测系统的干扰，完成了系统硬件电路的设计。仿真实验结果表明，该系统受环境影响较小，可以捉到电枢通过检测点时光信号的变化并进行信号分析。

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1.中国人民解放军乌鲁木齐民族干部学院；2.江南大学理学院；3.中国科学院大学物理学院；4.中国人民解放军68081部队

李志凌，研究方向计算机应用技术，讲师。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.001