基于PBS的遠(yuǎn)程火光紅外探測(cè)系統(tǒng)研究*

雷　鳴　李　璐

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院　西安　710032)

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基于PBS的遠(yuǎn)程火光紅外探測(cè)系統(tǒng)研究*

雷鳴李璐

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院西安710032)

摘要針對(duì)靶場(chǎng)測(cè)試與試驗(yàn)中由于槍口火焰信號(hào)較小,遠(yuǎn)距離探測(cè)時(shí)難以探測(cè)的問題,分析了槍口火焰的光譜特性,以PBS紅外探測(cè)器為核心,設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程火光信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)。采用平凸鏡聚光方式增加系統(tǒng)的遠(yuǎn)程探測(cè)能力,完成了相應(yīng)的信號(hào)采集電路以及信號(hào)處理電路,同時(shí)對(duì)系統(tǒng)采取了一些抗干擾措施,以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過對(duì)鞭炮爆炸時(shí)的火光的測(cè)試,表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程火光具有很強(qiáng)的探測(cè)能力,滿足靶場(chǎng)試驗(yàn)觸發(fā)的要求。

關(guān)鍵詞遠(yuǎn)程火光; 平凸鏡; PBS探測(cè)器; 抗干擾

Remote Fire Infrared Detection System Based on PBS

LEI MingLI Lu

(School of Electronic Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710032)

AbstractIn view of the remote detection problem of hard to detect in shooting range test and trial because the muzzle flame signal is small, and the spectral characteristics of muzzle flame is analyzed, PBS IR detector as the core, a remote light signal detection system is designed. Using flat convex lens focusing means to increase the system’s ability to remote detection, the corresponding signal acquisition circuit and signal processing circuit are completed, and the system has made some anti-interference measures, in order to ensure the stability of the system. Through the test of the firecrackers exploded fire, it shows that the design of the system for remote light has strong detection ability, meet the requirements of shooting range test trigger.

Key Wordsremote fire, flat convex mirror, PBS detector, anti-interference

Class NumberTN971

1引言

靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中基本的測(cè)試有:測(cè)速、測(cè)試立靶密集度、高速攝影等等。多數(shù)測(cè)試需要在同一時(shí)刻得出的性能參數(shù)才能作為性能評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)。所以需要給測(cè)試設(shè)備統(tǒng)一的基準(zhǔn)時(shí)間,大多的測(cè)試中都采用槍口火焰信號(hào)作為測(cè)試設(shè)備的基準(zhǔn)時(shí)間,對(duì)于整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)來說,槍口火焰信號(hào)可以作為觸發(fā)信號(hào),用來啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)。槍口火焰信號(hào)在作為觸發(fā)信號(hào)的同時(shí),也為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)提供了同步的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào),這在測(cè)試中是十分重要的,直接決定了后期測(cè)試系統(tǒng)是否能夠獲取測(cè)試信號(hào),以及獲取的測(cè)試信號(hào)間的匹配[1]。

2槍口火焰光譜特性

從圖1中可以看出火焰的峰值強(qiáng)度主要集中在0.8μm~4μm之間[2],其中有一部分在近紅外和中紅外波段[3],這樣就可以考慮采用紅外探測(cè)器對(duì)槍口火焰進(jìn)行探測(cè)[4~5]。分析常見的幾種探測(cè)器的特性可知,PBS探測(cè)器的響應(yīng)波段為0.8μm~3.2μm[6],包含了火焰中大部分的紅外線波段,故本設(shè)計(jì)選取PBS探測(cè)器作為遠(yuǎn)程火光探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)器。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外探測(cè)系統(tǒng)主要由光學(xué)部分、探測(cè)瞄準(zhǔn)部分、信號(hào)處理部分和抗干擾部分組成。其中瞄準(zhǔn)部分采用瞄準(zhǔn)鏡,信號(hào)處理部分采用橋式電路,抗干擾部分主要消除外界環(huán)境以及探測(cè)器自身的干擾。

圖1　槍口火焰光譜圖

圖2　系統(tǒng)整體框圖

3.1系統(tǒng)光學(xué)部分設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)引進(jìn)光學(xué)元件放大所探測(cè)到的火焰信號(hào),選擇一塊焦距較大的平凸鏡作為光學(xué)取景器,安裝在探測(cè)器的前端,利用盡可能少的光學(xué)鏡頭,使得光線從平凸鏡主光軸方向進(jìn)入后得到充分利用。此平凸鏡相當(dāng)于望遠(yuǎn)鏡的物鏡,實(shí)際通過平凸鏡看到的火焰是縮小了的,但是通過平凸鏡拉近了火焰與探測(cè)器的距離,故使得探測(cè)器能夠探測(cè)到火焰[7]。同時(shí)平凸鏡的匯聚光線作用使得探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)增強(qiáng)[8~9]。

圖3　光路原理圖

圖4　光學(xué)設(shè)計(jì)原理圖

1) 光學(xué)中最基本的高斯成像公式:

1/u+1/v=1/f

式中u為物距,v為像距,f為焦距。即物距的倒數(shù)加上像距的倒數(shù)等于焦距的倒數(shù)。由于距離較遠(yuǎn),1/u近似為零,火光經(jīng)過平凸鏡后的像位于平凸鏡的焦點(diǎn)位置,故將探測(cè)器放置于平凸鏡的焦點(diǎn)位置來探測(cè)信號(hào)。

2) 根據(jù)公式s/f=S/u

式中s為物體經(jīng)過凸透鏡后所成像的大小,S為物體的大小,f為凸透鏡的焦距,u為物距,即像的大小比上焦距的大小等于物體的大小比上物距的大小。

s應(yīng)與探測(cè)器的有效接收面積相同,S由于瞄準(zhǔn)鏡在瞄準(zhǔn)時(shí)仍會(huì)存在微小的誤差,故平凸鏡的視場(chǎng)應(yīng)大于物體的大小,以確保探測(cè)器可以探測(cè)到火光,u即探測(cè)距離。綜合考慮探測(cè)距離及平凸鏡的視場(chǎng)大小,根據(jù)上述公式可以得出應(yīng)選取一塊長(zhǎng)焦凸透鏡,即可以滿足我們的設(shè)計(jì)需求。

3.2探測(cè)瞄準(zhǔn)部分

本設(shè)計(jì)中將探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)槍口是一個(gè)很重要的部分。由于探測(cè)距離較遠(yuǎn),通過肉眼直接瞄準(zhǔn)誤差會(huì)過大。假設(shè)瞄準(zhǔn)時(shí)探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)方向偏離目標(biāo)1°時(shí),根據(jù)公式Tanα=y/x,在200m遠(yuǎn)時(shí),探測(cè)器的對(duì)準(zhǔn)方向已經(jīng)偏離槍口3.5m。同理得出當(dāng)α=5°時(shí)探測(cè)器的方向?qū)⑵x槍口17.5m。此時(shí)探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)將十分微弱甚至是探測(cè)不到信號(hào)。故應(yīng)將探測(cè)器盡可能地對(duì)準(zhǔn)探測(cè)目標(biāo),以減小誤差。

圖5　誤差示意圖

本設(shè)計(jì)利用瞄準(zhǔn)鏡作為瞄準(zhǔn)器件,在槍口火焰紅外探測(cè)器上安裝一個(gè)瞄準(zhǔn)鏡,將其對(duì)準(zhǔn)被探測(cè)目標(biāo),利用云臺(tái)或絲杠等設(shè)備調(diào)整紅外探測(cè)器的位置,最終使得紅外探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)被探測(cè)目標(biāo),即完成了瞄準(zhǔn)工作。

圖6　瞄準(zhǔn)框圖

3.3信號(hào)采集部分

微小火光信號(hào)的提取是信號(hào)采集電路的基礎(chǔ),也是核心部分。當(dāng)探測(cè)器檢測(cè)到有火光信號(hào)時(shí),探測(cè)器的電阻值會(huì)減小。由于在室外環(huán)境下采集信號(hào),干擾會(huì)比較大,所以應(yīng)該加入濾波電路。同時(shí)采集到的信號(hào)會(huì)很微弱,所以應(yīng)經(jīng)過放大電路放大信號(hào)。

惠斯通電橋在電子學(xué)發(fā)展的早期用來精確測(cè)量電阻值,無需精確的電壓基準(zhǔn)或高阻儀表。實(shí)際應(yīng)用中,電阻電橋很少按照最初的目的使用,而是廣泛用于傳感器檢測(cè)領(lǐng)域。在本設(shè)計(jì)中采用惠斯通電橋來檢測(cè)探測(cè)器的信號(hào)。當(dāng)紅外探測(cè)器探測(cè)到信號(hào)之后,探測(cè)器的電阻值瞬間會(huì)發(fā)生變化,會(huì)使惠斯通電橋的輸出電壓發(fā)生瞬間變化,其變化的大小決定了信號(hào)采集系統(tǒng)的性能。

惠斯通電橋計(jì)算公式:

Vo=Ve(R4/(R3+R4)-R1/(R1+R2))

式中Vo為輸出電壓,Ve為工作電壓,R1、R2、R3為固定阻值電阻,R4為探測(cè)器的電阻值。

由于采集到的信號(hào)非常微弱,故電路中引入放大元件放大所采集到的信號(hào)。

圖7　電路原理圖

3.4抗干擾部分

電源系統(tǒng)作為電子電路系統(tǒng)的心臟,是電路工作的基礎(chǔ),同時(shí)也是引起電路工作障礙的主要因素。一個(gè)電路系統(tǒng)中電源系統(tǒng)是電路的核心部分,電源系統(tǒng)不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)會(huì)給電路系統(tǒng)的調(diào)試帶來不可預(yù)測(cè)的麻煩,對(duì)電路板帶來的干擾會(huì)使電路不正常工作甚至不工作。為避免電路受到其他用電設(shè)備的干擾,采用電池供電,將電路電源和市電區(qū)分開來,有效地避免了因其他用電設(shè)備使用時(shí)產(chǎn)生干擾而使設(shè)備誤觸發(fā)[10~11]。

在系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中電路本身容易受到外界來自各個(gè)方面的干擾,在系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將容易受到干擾的電路系統(tǒng)放置于屏蔽盒中,避免來自各個(gè)方面的電磁干擾[12]。

4實(shí)驗(yàn)與分析

圖8　探測(cè)器試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)采用鞭炮爆炸時(shí)的火光模擬槍口的火光,探測(cè)系統(tǒng)距鞭炮的直線距離為200m。圖8為探測(cè)系統(tǒng)在試驗(yàn)條件下的波形圖。

從圖中可以看出電路對(duì)火焰信號(hào)的處理滿足要求,2通道信號(hào)為探測(cè)器的直接輸出信號(hào),信號(hào)幅值為12V,脈寬為8.0ms。

5結(jié)語

本論文概述了基于PBS的遠(yuǎn)程火光紅外探測(cè)系統(tǒng)的工作原理,分析了系統(tǒng)的組成,在分析槍口火焰光譜特性的基礎(chǔ)上為系統(tǒng)選取了合適的探測(cè)器,設(shè)計(jì)了紅外探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng),探測(cè)器的瞄準(zhǔn)系統(tǒng),信號(hào)的采集處理電路,以及對(duì)系統(tǒng)有可能會(huì)受到的一些干擾做了分析并提出了解決措施。通過實(shí)際試驗(yàn),論證了系統(tǒng)對(duì)于瞬態(tài)火焰的采集和處理能力,尤其是對(duì)遠(yuǎn)距離的火焰信號(hào)也能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的采集,符合測(cè)試要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)TN971

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.020

作者簡(jiǎn)介:雷鳴,男,碩士,副教授,研究方向:智能控制與應(yīng)用。李璐,男,碩士研究生,研究方向:智能控制與應(yīng)用。

*收稿日期:2015年8月12日,修回日期:2015年9月25日