天幕靶人工光源的設計

趙 亮，王召巴，陳友興

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西太原030051)

0 引言

測定彈丸飛行速度是衡量武器系統技術指標的一項重要參數，在靶場測試中常常需要測試彈丸的初速。在靶場測試領域，天幕靶是一種常用的光電觸發設備，兩臺天幕靶與一臺測時儀配合就可以實現彈丸飛行速度的測量，它由鏡頭、探測器、放大電路以及相應的機械結構組成。由于天幕靶采用光電轉換非接觸測試原理，測試精度高、適用范圍廣，日益受到靶場使用者的歡迎。

由于自然光是天幕靶工作的光源，那么自然光的變化勢必影響其工作性能，在天空亮度高低2個極端光照條件下天幕靶的工作性能比較差。光照強度極強時環境的背景噪聲很大，將會產生干擾現象，而在光照強度較低的情況下，雖然背景噪聲很低，但彈丸過靶的信號也相應減弱，也降低天幕靶的探測靈敏度。

本設計提出用LED作為天幕靶的人工光源，來代替自然光。從而解決了天幕靶不能在陰天或室內測試的問題。

1 天幕靶工作原理

天幕靶是以光電轉換為基礎的探測儀器。以天空亮度為背景，用光學成像透鏡和置于透鏡焦平面上的狹縫在天空中形成光幕，進入光幕的光能經光學變換匯聚到光電轉換器件上，當運動物體進入光幕時，遮擋部分投射到狹縫中的光能，使光電轉換后形成一個波動，通過放大整形電路輸出一個脈沖信號，完成一次測試功能。

當彈丸通過光幕時，彈丸遮住部分光線引起光通量變化，由此引起探測器上的光電流變化并輸出電脈沖利用兩套同樣的天幕靶并接入測時儀，通過輸出的電脈沖啟動測時儀和停止測時儀可得到彈丸通過兩天幕靶的時間，測量兩靶距，即可算出彈丸速度［2］。按下試計算:

式中:s為起始靶和停止靶間的距離;v為彈丸起始靶和停止靶間的飛行速度(m/s);t為測時系統測得的彈丸在起始靶和停止靶間的飛行時間［3］。

天幕靶是一種光電靶，其利用太陽光在大氣中散射而形成的自然光為光源。天幕靶對彈丸材料沒有特殊要求，對彈丸飛行沒有干擾，具有其它區截裝置所沒有的特殊優點。

圖1為光源所形成的面幕。

圖1 光源所形成的面幕

如圖2，根據透鏡成像原理，發光體ab所成的像為a'b'。如在像前裝一個光闌，則只有光闌上狹縫所允許通過的光才能成像于c'd'。如對準c'd'安裝一個光敏元件，它所接收的只是垂直于紙面方向(與光闌狹縫平行)，寬度為cd的一條光幕的光。當彈丸飛過該光幕時，彈丸的影像將使照射到光敏元件上的光通量發生變化，使光敏元件產生的電信號發生變化，發出區截信號。因此，天幕靶是以天光形成的光幕為區截面的，故而有此名稱。

圖2 天幕靶的工作原理

2 人工光源的設計

2.1 人工光源的選擇

當在室外天空亮度高低2個極端光照條件下，選擇適當人工光源代替自然光。尋找一合適可控光源，能夠在計算機的控制下產生可調光，照射天幕靶，如尋找合適陣列光源代替天幕，以便天幕靶在天氣不好或夜晚也可正常工作。反射式光源為首選，如不成功可選擇透射式光源。

圖3 反射式、透射式人工光源

2.2 發光器件的選擇

發光器件是天幕靶用室內光源設計中非常關鍵的部分，首先它要滿足足夠的亮度，又要具有使用壽命長，耗電量低和體積小的優點。經過比較，高亮度的發光二極管能滿足要求，且發光二極管的制造工藝已相當成熟，天幕靶的光敏器件接收的是可見光，因此選擇白色發光二極管，其外形有多種形式，比較適合應用在天幕靶光源上的有2種外形:子彈頭形和平頭圓柱形。這2種形式的發光二極管所具有的共同性能是亮度高，消耗功率低，高可靠性和高穩定性，能提高光學設計和機械設計的靈活性。它們的區別在于平頭形沒有聚焦透鏡，而子彈頭形是在頭部加入了聚焦透鏡，因而兩者發出的光束有所不同。子彈頭形的半功率角2θ1/2=8°，平頭圓柱形的半功率角2θ1/2=23°［4-5］。在此設計的光源中采用的是平頭圓柱形發光二極管，因為光束比較寬，在滿足測速精度的條件下可以使2個發光二極管之間的間距大一些，以減小安裝難度。

2.3 驅動電路

根據天幕靶的工作原理"要求光源發出的光強必須穩定"因此采用恒壓恒流源來驅動。經過試驗比較，由集成穩壓塊和精密電阻構成的恒壓源效果最好。

3 整體結構

天幕靶的視場是一個扇形區域，為了充分利用光源所發出的光線，光源應該是一個弧形的線光源。把光源做成一個整體的弧形在加工和裝配上比較困難，為此，采用了由許多很短的直線光源拼成長弧形光源的方法，該光源可以通過安裝孔固定在天花板、墻壁或者根據特定需要制作的架子上，如圖4所示。

4 實驗結果

當天空亮度低于120Lux時，用天幕靶和設計的弧形線狀LED光源組成的測速系統進行實驗。圖5為沒有使用人工光源與使用人工光源的天幕靶輸出信號對比圖。

圖4 人工光源照明過程

圖5 天幕靶輸出信號對比

5 結論

通過理論分析和實際測試證明了該光源的可用性。在陰天或室內時，為天幕靶配備使用弧形線狀LED光源，可以增加天幕靶的靈敏度、提高天幕靶的分辨力。擴展了天幕靶的測試范圍，克服了天氣狀況對天幕靶使用的限制，方便了天幕靶的全天候測量以及在室內的測量。

［1］邵澤波.無損檢測技術［M］.北京:化學工業出版社，2003:1－5.

［2］王鐵嶺.天幕靶精度分析［J］.兵工學報彈箭分冊，1987(2):39.

［3］李翰山.高洪堯.天幕靶精度測量系統改進研究［J］.西安工業學院學報，1997，17(1):30.

［4］《無線電》編輯部.無線電元器件精匯［M］.北京:人民郵電出版社，2002:152－153.

［5］金友.高亮度發光二極管開辟新的照明市場［J］.光機電信息，2004(5):25－26.