基于PbS的槍口火焰探測系統(tǒng)研究

王哲，雷鳴

（西安工業(yè)大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710032）

在靶場試驗與測試中，槍（炮）口火焰常常作為其他測試設備的啟動信號。目前常用的兩種測試槍口火焰的方法分別是照相機B門法和轉鼓攝影法[1]。B門照相法測試結果實時性能不佳，同時對試驗時的環(huán)境要求苛刻，測試結果的判讀誤差較大；轉鼓攝影法同樣存在結果判讀困難的缺陷[2]。

本文以槍口火焰為研究對象，在分析槍口火焰紅外輻射特性的基礎上，設計了一種基于拋物面聚能方式的槍口火焰紅外探測系統(tǒng)。分析槍口火焰的輻射特性，計算探測器的光譜匹配因數(shù)，根據(jù)該匹配因數(shù)確定探測器類型；設計了以PbS為探測器的信號處理電路和PbS半導體制冷系統(tǒng)；通過仿真和靶場試驗驗證了系統(tǒng)的探測能力。

1 槍口火焰光譜特性

彈丸發(fā)射時，槍口火焰具有一定的光輻射特性，該輻射特性中含有紅外輻射。圖1為槍口火焰的光譜圖，從圖中可以分析得出，火焰的峰值強度主要集中在0.8～4 μm之間，其中有一部分在近紅外和中紅外波段，這樣就可以考慮采用紅外探測器對槍口火焰進行探測[3]。

圖1 槍口火焰光譜圖Fig.1 Spectrum of the muzzle fire

2 探測器特性分析

探測器對單位入射輻射功率所產生信號大小的能力稱為探測器的響應度R，即

其中P為投射到探測器響應面上的入射輻射功率，V（或I）為探測器產生的信號電壓（或電流）。

入射總輻射功率P是光譜輻射PλT在輻射波段范圍內的積分，即

探測器的總輸出信號電壓V是探測器單色信號電壓在響應波段范圍內的積分，即

代入式（1），則得

這個無量綱的積分比稱為光譜匹配因數(shù)，這個因數(shù)能夠有效的表征探測器的光譜響應與輻射源輻射光譜之間的匹配程度。K越大，匹配越好，探測能力越強。

根據(jù)以上光譜匹配因數(shù)的定義，對常見的幾種紅外探測器計算其相應的光譜匹配因數(shù)，結果如表1所示?？梢缘贸?，PbS探測器的光譜匹配因數(shù)最大，因此，就選用PbS作為槍口火焰探測的傳感器。

表1 常見紅外探測器光匹配因數(shù)Tab.1 Spectral matching factor of the infrared detector

3 總體方案設計

槍口火焰紅外探測系統(tǒng)主要由探測光學部分，信號處理部分和溫度控制部分組成，如圖2所示。其中探測光學部分主要由拋物面匯聚鏡頭組成；信號處理部分由T型放大網(wǎng)絡，二階低通濾波器，比較電路和差分電路組成；溫度控制部分由散熱片，溫度傳感器DS18B20，可控硅和單片機組成。

圖2 系統(tǒng)原理圖Fig.2 Detect system schematics

3.1 探測光學系統(tǒng)

該系統(tǒng)所捕獲的是槍口的瞬態(tài)火焰，該火焰所輻射出的紅外具有瞬態(tài)性，難以捕捉，而又由于PbS探測器本身靈敏元面積有限，所以對入射紅外輻射量的捕獲有限，為了最大限度的捕獲槍口所輻射出的紅外信號，故在探測器前端安裝匯聚鏡頭，以擴大探測范圍。根據(jù)光學成像原理，如圖3所示，采用拋物面作為匯聚鏡頭，可將探測器本身放置在鏡頭的焦點上，當槍口火焰離探測器很遠時，都可以通過該鏡頭將紅外輻射匯聚到探測器的靈敏元上，這樣，既保證了對槍口火焰信號的捕捉，又提高了系統(tǒng)的可靠性，其結構如圖4所示。

圖3 光路原理圖Fig.3 Schematic of the optical path

圖4 匯聚鏡頭示意圖Fig.4 Convergence lens schematic diagram

3.2 信號處理電路

PbS作為一變阻式紅外探測器，其阻值會隨著接受到的紅外輻射量的改變而變化。若想得到電壓（或電流、或功率）信號輸出，必須將該探測器件加適當偏置電路[6-9]。典型的偏置電路有恒壓偏置電路、恒流偏置電路和恒定功率偏置電路。在本系統(tǒng)設計中，采用了恒壓偏置電路。使用電阻分壓，分壓電阻采用220 kΩ，恒壓電壓為12 V，故可得分壓范圍在3.75～11.18 V之間，探測器可根據(jù)槍口火焰所輻射出的紅外輻射量的強弱將其轉換為該范圍區(qū)間內的任一電壓值，從而達到將紅外信號轉變?yōu)殡娦盘柕哪康摹?/p>

圖5（a）為PbS信號處理電路，采用T型網(wǎng)絡放大電路，將PbS探測器輸出的微弱電壓信號進行放大，放大倍數(shù)Au=10；由于PbS探測器的內阻隨接收到的紅外能量的大小而變化，所以要求放大器有較高的輸入阻抗，該T型網(wǎng)絡放大電路的輸入阻抗Ri=R3=5 MΩ；對于直流信號來說，輸出阻抗近似為0；采用儀表放大器來提高增益；并且要求具有良好的線性和抗干擾能力。在結構上要求緊湊，靠近探測器，良好的接地與屏蔽。

圖5 信號處理電路Fig.5 Processing circuit of the signal

將探測器轉換后的信號放大后送至比較器的正向輸入，并與參考電壓進行比較，為可變電位器，可以根據(jù)不同的測試設備要求來改變參考電壓的電壓值，其變化范圍為0～10 V可調，當輸入的信號大于參考電壓時，比較器輸出高電平。傳輸芯片將最終的高電平信號轉換成差分信號輸出，以供其他測試設備使用。圖5（b）為使用Multisim對電路進行仿真結果圖，其中通道1信號為比較器的輸入信號，幅值為12 V，通道2信號為比較器的輸出信號，為一高電平，參考電壓為6 V。

3.3 溫度控制系統(tǒng)

由PBS探測器的工作原理可知，PbS的禁帶寬度很窄，在室溫下，一旦發(fā)生熱激發(fā)，大量載流子會發(fā)生躍遷參與導電，這會降低PbS對紅外輻射的靈敏度。因為熱激發(fā)產生的載流子在光照前已經(jīng)降低了勢壘高度，被陷在勢壘里的載流子數(shù)目大大減少，探測器所處的環(huán)境溫度愈高，接受紅外輻射勢壘降低再釋放的載流子就少了，電導的變化就不明顯，靈敏度就低；反之，電導的變化就很明顯，靈敏度就高。所以降低探測器的溫度可以有效的提高探測性能。因此，如圖6所示，PbS探測器的最佳工作溫度區(qū)間為-40℃～40℃[8-11]，而這個范圍已經(jīng)能夠代表一般的應用溫度范圍。

圖6 PbS探測器的溫度特性Fig.6 Temperature characteristics of the PbS detector

圖7為半導體制冷片原理圖，因為半導體制冷片的溫度調節(jié)范圍為-130～90℃，且具有熱慣性小，功率小，通過控制電流可以精確的控制溫度，并且工作時不需要制冷劑，沒有震動噪音等特點，故冷卻器件采用半導體制冷片。將制冷片的冷端貼近探測器，當通電后，由于PN結熱電偶對的工作，將熱量由N型元件端吸收至P型元件端，達到降溫的效果，其降溫速度由PN結熱電偶對的數(shù)量和所通直流電的大小決定。當環(huán)境溫度高于設定值時，單片機控制可控硅導通，使半導體制冷片通電，開始工作，降低探測器周圍的環(huán)境溫度，當溫度降低至-20℃時，通過PID算法精確地控制電流大小，使探測器的環(huán)境溫度穩(wěn)定在-20℃±0.5℃；當溫度低于設定值時，制冷系統(tǒng)不工作。圖8為冷卻系統(tǒng)原理圖。

圖7 半導體制冷片原理圖Fig.7 Schematic of semiconductor cooling piece

圖8 冷卻系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic of cooling system

溫度傳感器選用DS18B20，微控制器選用C51單片機。圖9為溫度控制系統(tǒng)的流程圖。系統(tǒng)上電后首先啟動PID參數(shù)自整定，調用PID自整定子程序；然后設定溫度，通過與溫度傳感器所測得的溫度進行比較，來判斷制冷系統(tǒng)是否工作。

4 試驗結果

對所設計電路進行試驗，試驗采用7.62 mm口徑自動步槍為主武器，探測系統(tǒng)距槍口的直線距離為10 m，射擊方式為單發(fā)點射。圖10為探測系統(tǒng)在試驗條件下的波形圖。

從圖中可以看出電路對槍口火焰信號的處理滿足要求，2通道信號為探測器的直接輸出信號，信號幅值為1.8V，脈寬為2.0 ms；3通道信號為經(jīng)過反相后的信號，信號幅值為2.0 V，脈寬為2.0 ms；1通道信號為最終比較輸出的方波信號，該方波信號為高電平。

圖9 溫度控制流程圖Fig.9 Flow chart of the temperature control

圖10 探測器的試驗結果Fig.10 Test result of the detector

5 結束語

文中論述了槍口火焰的光譜特性，紅外探測器件的光學探測系統(tǒng)，探測器的制冷結構和信號處理電路，通過系統(tǒng)仿真得到系統(tǒng)的各項參數(shù)，論證了系統(tǒng)的可行性，并通過實際試驗，論證了系統(tǒng)對于瞬態(tài)火焰的采集和處理能力，特別是對遠距離的槍口火焰信號也能夠進行準確的采集，符合靶場測試要求。

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