编码式光幕立靶测试系统的研究

1 引言
    在轻武器的生产和研制的弹丸质量评定中，要求测试弹丸速度以及测量弹丸在靶面上的散布情况，即射击密集度。射击密集度是低伸武器射击性能的一项重要指标，它与武器效能有关。传统测量射击密度是在预定的弹道上竖立硬纸靶．射击一定次数后，人工测量纸靶上留下的弹孔。该方法操作简单，但测量结果不够客观，测量精度不高。目前射击实验大多采用无形靶，包括声靶，光电靶以及基于无线电测量等。激光光幕靶是光电靶中的一种，它主要由激光系统和计算机系统组成。激光系统由激光二极管和激光束构成网格，网格的间距根据武器弹丸大小进行调整。当弹丸将激光束切断时，相应的二极管产生一个脉冲，经转换为数字信号传输到计算机。以光电转换为原理的光纤编码立靶测试系统具有测量精度高、有效靶面大等优点，但是其光纤编排工艺复杂，测量结果不是弹道预定点的着靶位置，室内同样需配置人工光源，且组成较大靶面时成本大、系统复杂。因此，为了构建低成本、大面积、高精度的立靶精度测量系统，对信号接收电路编码，并与平行光幕设计相结合实现弹丸坐标的测量。

2 光电靶原理及结构
    光电靶是利用光源与透镜组合发射平行光束，光电二极管接收，形成垂直交叉的光路网隔，网隔距离(二极管间隔)是由子弹直径确定。其数目则根据子弹直径和靶面的大小确定。弹着点坐标测量系统架构如图1所示。

    传统的目标靶纸置于光电靶前，两靶同轴。当子弹击中靶面时，子弹遮挡住X轴、Y轴各一束光路，改变对应的光电二极管的开关状态，此时，所有的光电二极管的开关状态都已被编码，编码后的数字信号由计算机处理后即得到子弹击中靶面的位置。这其中，光电二极管能否检测子弹快速遮挡光路这一动作，主要由光电二极管的响应时间决定。通常子弹击中靶的速度小于l 000 m／s，被遮挡光路的有效长度大于5 mm，由此得出子弹遮挡光路的时间大于5 ms，而普通光电二极管的响应时间小于0．1 ms，因此可满足测量要求。

3 平行光幕系统的设计
    平行均匀矩形光幕系统由半导体激光器、光阑、鲍维尔透镜、焦距为650 mm的菲涅尔透镜和光敏二极管阵列组成。平行光幕系统选用点状半导体激光二极管作光源，具有体积小、效率高、成本低、无需高压电源、寿命长等优点。使用光阑选取激光器点光斑中间光强比较均匀的部分。***透镜是一种光学划线透镜，使激光束通过非球面透镜最优化地划成光密度均匀、稳定性好、直线性好的一条直线，达到线形激光整形的目的。利用菲涅尔透镜的平行聚焦特性，让点光源从菲涅尔透镜的焦点发射，经过它之后形成平行光。图2为平行光幕系统图。

4 光电靶信号编码系统设计
    参照光纤编码的方法，假设光电二极管为一矩形薄片，外形尺寸为1．5 mmxl．5 mm，厚度对接收无影响。其敏感面积与外形尺寸一致。考虑到安装因素，将光电二极管均匀地按2 mmx2 mm区域排列成直线，敏感面朝向光源方向，直线长度决定探测区域长度。假设选定长度为400 mm．则光电二极管数为200个。选取同样排列的二极管阵列条，分别编号为大区、中区和小区，每一条上的二极管实行分组编码。4等份大区，从左到右每份编号为A1，A2，A3，A4，每等份共有50个二极管。对应同一大区的中区也分为5等份，对应编号为B11，B12…B15，其中第一位数字为大区号，最后一位数字是中区号，依次类推。10等份对应同一中区的小区，对应编号为C111，C112，……，C1110。其中，前两位数字为中区号，最后一位或两位是小区号，依次类推。每一个编号对应一个二极管。大区的A1~A4作为4组，每组的光电二极管并在一起，其输出接入一个放大电路，放大电路的编号与每组的编号相同．即A1，A2，A3，A4。将中区B11，B2l，B31，B41所在区域的光电二极管编为一组B12，B22，B32，B42，依次类推，B15，B25，B35，B45光电二极管作为一组，中区共有5组，其放大电路也有5组，编号分别为B1，B2…B5，依次类推。小区中将分别属于不同中区的后一位或后两位编号相同的二极管作为一组，分组编号为C1，C2…C10，每组有20个光电二极管，其对应的放大电路编号与分组编号相同。图3为编码原理示意图。图4为编码电路示意图。

    当弹丸垂直光幕穿过时，每个区至少有一路放大电路产生信号。假设有信号为1，无信号为0，则采集电路将4+5+10个放大电路的信号按数字信号方式采集，得到一个19字节的数字信号。两个正交光幕靶共有2x19个数字信号，依此可判断弹丸穿过光幕时的坐标。针对一个给定的探测区域的长度，要根据不同情况计算最佳的阵列数，以及各个阵列组数。与光纤编码相比，电路编码省去复杂的光纤编排工艺，电路设计简单、灵活，可靠性高。因此，该电路编码是一种新型的编码方法。为保证采集数据的可靠性，使各路放大电路信号的位必须与计算机数据线的位相对应并确保数据信息的准确性不受各脉冲先后顺序的影响，采用信号保持技术．保证有足够采样时间而且在此时间内各路信息状态稳定。假设选定长度为400 mm，将光电二极管均匀地按2mmx2 mm区域排列成一条直线。4个大区将视场均分为100 mm，5个中区将视场均分为20 mm，10个小区则均分为2 mm。视场的坐标原点为两靶的交点，当弹丸穿过接收装置的2号大区、1号中区、3号小区时，则弹丸的坐标位置为(2—1)×100mm+(1—1)×20 mm+(3—1)x2 mm=104 mm。依此类推，可以得弹丸坐标。

5 结语
    经过论证，该系统的理论分析正确，技术方案可行。采用电路编码替代光纤编码，结构简单易于实现，克服了光纤编码立靶测试系统的不足，具有明显的优越性，成本较低，易于推广使用，但存在电路复杂，不易调试的缺点，还需要进一步改进。