基于光幕靶的抗干扰信号处理电路设计

陈毛宁，吴玲玲

（西安工业大学 光电工程学院，西安710021）

武器评估时弹丸速度是一个重要的参数，目前测试弹丸速度的方法主要分为接触法和非接触法[1]，其中新型测速系统非接触式光幕靶由于其高稳定性和精确性的优点，在光电测试领域应用越来越广泛。

光幕靶是一种以光电转换为基础的非接触式弹丸飞行速度测量系统，由发射装置、接收装置、靶架组成。在发射装置和接收装置中间形成均匀光幕，目标穿过光幕时会使接收装置中光电探测器输出过靶信号，经过光电转换、放大、滤波、整形输出一个方波触发信号，再进一步处理计算出目标的飞行速度[2]。在实际弹丸飞行速度测试中，由于外界干扰信号的存在，会影响测试系统的精度[3]。为剔除测速过程中干扰信号对测试结果的影响，结合光幕靶测速原理，设计抗干扰信号处理电路，使电路满足有效抑制干扰信号的需求。

1 干扰信号分析与解决方案

1.1 干扰来源分析

光幕靶工作时任何外界干扰信号作用在光幕上，会使光电探测器接收到的光通量发生变化，直接影响信号输出结果[4]。外界干扰信号如蚊虫、杂散光、炮口火光等，都会使光电探测器输出干扰信号，影响测速结果准确性，在实际使用光幕靶测速时，须剔除这些干扰信号，以提高光幕靶测速的准确性。

1.2 抗干扰设计方案

针对弹丸出射时产生的火光干扰信号，提出一种双通道光电转换解决方案，弹丸穿过光幕时引起光通量的变化仅作用在弹道位置上的探测器，火光引起光通量的变化作用在接收装置的全部探测器件上。弹道位置的探测器为主探测器，非弹道位置探测器为补偿探测器，两个通道信号经过放大后做减法运算，可有效削减火光对弹丸信号的干扰。

外界激波、杂散光以及随机的干扰信号由于速度存在差异，这些干扰信号脉冲宽度要小于弹丸信号脉冲宽度；蚊虫飞过光幕靶所产生的干扰信号脉冲宽度大于弹丸信号脉冲宽度[5]。实测中通过对弹丸过靶信号进行傅里叶分析，可以得出弹丸信号的频带宽度。利用这一特点，设计对应的带通滤波电路来滤除干扰信号，抗干扰电路设计方案如图1所示。

图1 双通道光电转换抗干扰电路设计方案Fig.1 Dual-channel optoelectronic conversion anti-interference circuit design scheme

2 信号处理电路设计

光幕靶信号处理电路分为四大部分，如图2 所示。

图2 抗干扰信号处理电路原理Fig.2 Anti-jamming signal processing circuit principle

光电转换电路将微弱变化的光信号转换为电信号；放大电路将信号有效放大，再进行相应的减法运算实现抗干扰性；滤波电路从频域上将干扰信号滤除，此时输出信号为不规则的波形，整形电路将信号整形成一个方波触发信号输出。

2.1 光电转换电路

光电转换电路要求输出速度快，不仅跟光电探测器的灵敏度有直接关系，跟偏置电路的形式也存在很大关系，每一种偏置电路使探测器工作在伏安特性的不同区域，从而使探测器转换电路的输出具有不同特性。

电路选用PIN 光电二极管（C30807E），是一种快速光电二极管，具有小的时间常量，结电容小，响应速度快，有较大的线性响应动态范围，其主要性能指标如表1 所示。

表1 C30807E 相关性能参数Tab.1 C30807E related performance parameters

电路采用光电二极管反向偏置工作方式，传统光电转换电路如图3 所示。

图3 光电转换电路Fig.3 Photoelectric conversion circuit

光电二极管反向偏置时，PN 结势垒区加宽，内建电场增强，结电容降低，可得到较高的灵敏度[6]，C为隔直电容，输出电压为

式中：Ip为光电二极管输出的光电流。

光电二极管输出电流信号一般在微安级，实测中要求光电转换电路的输出信号一般为毫伏级，因此偏置电阻至少选用千欧级。

图4 为光电二极管在反偏工作下的等效电路，外加反向偏压时暗电流可忽略。光电流随光照的增大而增大，光电流变化量可表示为

图4 光电转化等效电路Fig.4 Equivalent circuit of photoelectric conversion

式中：S 为光电灵敏度；φ 为光通量。因此，光电转换电路输出电压变化量为

在实际测试中，根据有效靶面指标要求，需要多个光电探测器组合工作，对于火光干扰信号的存在，设计双通道光电转换的方案进行削减，电路设计如图5 所示。

图5 双通道光电转换电路Fig.5 Dual-channel photoelectric conversion circuit

光电转换电路不仅要求快速，而且对稳定性要求也十分严格，通过改变光电二极管的光通量对光电转换电路进行稳定性测试，表2 中每个数据是经10 次测试得到的均值。

表2 稳定性测试数据结果Tab.2 Stability test data results

对输出电压变化量数据进行处理与分析，求得其平均值为1.512 mV，标准差为0.011662 mV，数据表明光电转换电路表现出良好的稳定性。

2.2 前置放大减法器电路

光电转换电路输出的信号较小，需进一步放大，同时为削减火光对信号的影响，结合双通道光电转换电路设计对应的双通道放大电路，再进行减法运算输出一个有效的目标信号。单级放大电路的误差比较大，导致实际调试起来比较麻烦，为了防止信号失真，获得好的信噪比，采用多级放大，每级电路都是单独控制反馈量和补偿等，电路设计、调试的难度也会大幅度的降低，电路设计如图6所示。

图6 前置放大减法器Fig.6 Preamplifier subtractor

前置放大减法器通道1 由放大器U1（OP37）和U2组成两级放大电路，两级放大倍数G 为

通道2 与通道1 的放大同理。两路信号经过放大后分别通过R7和R15加载到运放的同相端和反向端，输出电压经R16反馈到反相输入端。根据运放虚短、虚断的概念，对运放U5构成的电路进行分析可以得到：

根据U+=U-，当R7、R8、R15、R16相等时，输出信号为两路信号的差值，即可实现两路信号的减法运算。

实测中要求输出信号的幅值在0～10 V 之间，在放大电路处理前的信号一般为毫伏级，因此放大电路需进行千倍以上的放大，利用Multisim 进行仿真，输入振幅为1 mV、频率为10 kHz 的正弦信号，占空比设置为50%，偏置电压设置为0 V。

通过仿真波形可看出对信号实现了一千倍放大，如图7（a）所示。对通道1 与通道2 放大后的两路信号再进行减法运算仿真，结果如图7（b）所示，图中通道A、B 为输入信号，通道C 为输出信号。

图7 放大模块仿真Fig.7 Amplification module simulation

图7（a）中示波器通道A 的值为两级放大电路的输出结果，为1.020 V，实现了一千倍放大。图7（b）中示波器通道A、通道B 为两路信号经过相同放大电路后的输出结果，电压值分别为2.000 V、3.999 V。通道C 为两路信号做减法处理后的输出结果，电压值为2.000 V，结果表明电路实现了两路信号的减法运算，验证了电路设计的合理性。

2.3 带通滤波电路

不同物体穿过光幕靶时产生不同脉冲宽度，可有效区分出蚊虫、冲击波、弹丸等信号，设计带通滤波电路可削减干扰信号对目标信号的影响。不同速度的物体穿过光幕的脉冲宽度可利用式（7）进行计算：

式中：l 为飞行物体的长度；d 为光幕面的厚度；v 为飞行物体的速度。

利用式（7）对不同速度的飞行物体计算分析可以得出有效弹丸的脉冲宽度基本在40 μs 到200 μs之间，其蚊虫等低速物体都高于200 μs，冲击波、声波等干扰信号的脉冲宽度都要小于40 μs。

滤波电路选用NE5532 放大器，是一种双运放高性能低噪声运算放大器，主要性能参数如表3 所示。

表3 NE5532 相关性能参数Tab.3 NE5532 related performance parameters

根据实际指标与试验可得到目标信号的频带宽度，为留有一定余量且防止某些偶然噪声，此次设计的带通滤波电路的上限频率为74 kHz，下限频率为6 kHz。带通滤波电路设计如图8 所示，滤波电路的截止频率计算公式为

图8 带通滤波电路Fig.8 Bandpass filter circuit

电路采用一阶有源滤波电路，相比于无源滤波电路可补偿各次谐波，能自动跟踪处于补偿变化中的谐波，具有高度可控性和良好的响应性能[7]。把高通滤波电路与低通滤波电路串联起来组成带通滤波电路，高通滤波电路的截止频率为fP1，低通滤波电路的截止频率为fP2，可得到带通滤波电路的通带为fP2-fP1。根据式（8）可得到：

电路中C1、R1构成高通滤波器，C2、R4构成低通滤波器，C3、C4、C5、C6用于电源滤波。根据实际指标要求，可计算出相应的电阻、电容值，文中实现带宽为6 kHz～74 kHz 的滤波电路，借助Multisim 软件对滤波电路进行仿真，结果如图9 所示。

图9 滤波电路仿真结果Fig.9 Simulation results of the filter circuit

使用信号发生器加载正弦输入信号，仿真软件模拟计算在-3 dB 时带宽约为6.3 kHz～74.7 kHz，可使前置放大减法器电路输出的信号稳定通过，满足设计要求。

2.4 信号整形电路

信号整形电路主要用来对那些变化缓慢或不规则的信号进行整形，也可用于剔除输入信号中的干扰信号，设计信号整形电路可输出有效的方波触发信号[6]。电压比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较，结果用比较器输出的数字逻辑电平来表示，其传输特性如图10 所示。

图10 传输特性Fig.10 Transmission characteristics

UR为参考电压，ui为被比较电压。当ui＞UR时，uo＝+Uom；当ui＜UR时，uo=-Uom。

整形电路设计如图11 所示，采用LM311 单限电压比较芯片，通过调节可变电阻R2来控制2 端口的参考电压，当输入的目标信号高于参考电压时，输出端口输出高电平，当输入的目标信号低于参考电压时，输出端口输出低电平。由于输出信号稳定性差，所以在比较电路后面通过运放U2构成一个电压跟随器，可将输出信号真实的传递给负载，在电路中也可以用作缓冲级。

图11 信号整形电路原理图Fig.11 Schematic diagram of signal shaping circuit

使用Multisim 软件对电路进行模拟仿真，使用信号发生器将滤波电路输出带宽为6 kHz～74 kHz内的信号加载到整形电路中，并在电路中调节可变电阻R2使参考电压约为500 mV，其仿真结果如图12 所示。

图12 仿真结果Fig.12 Simulation results

上图中通道A 为输出电压，结果为3.376 V（TTL高电平为2.4～5.0 V）；通道B 为被比较电压，结果为712.868 mV，大于设置的参考电压。根据仿真结果可以看出信号整形电路正常工作，输入信号在阈值为500 mV 左右时实现了预期的功能，可输出有效的方波触发信号，验证了电路设计的合理性。

3 结语

本文针对光幕靶过靶信号处理时存在外界干扰信号的问题，基于双通道光电转换设计了抗干扰信号处理电路，并进行仿真分析。仿真结果表明，利用双通道光电转换与减法运算处理，可使火光干扰信号有效的削减，达到抗干扰的目的。其次设计6 kHz～74 kHz 的带通滤波电路，从频域上对蚊虫、冲击波等干扰信号进行一定的滤除。最后目标信号通过信号整形电路输出一个规则的方波触发信号。文中电路设计简单可靠，既满足了电路有效抑制干扰信号的需求，也为其他相关领域的电路设计提供了参考。