基于激光探测技术的小型化弹丸测速系统(2)

清华大学2012届本科毕业设计说明书

1 绪论

1.1 研究背景

光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴的检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示，光电检测技术在国民经济的各个行业中起着举足轻重的作用，无论科学研究、产品质量及自动控制都需要检测，现代光电子技术无接触、无损、远距离、抗干扰能力强、受环境影响小、检测速度快、测量精度高等优越性，是当今检测技术发展的主要方向。自从激光出现以后，电子学领域的许多探测方法被引入，使测量灵敏度和测量精度得到大大提高；光纤技术的出现，使调制的方法增多，接受更为方便，同时他能进入物体内部，扩大了测量范围，提高了测量精度；CCD固体摄像头的出现，由于它是成像的，又很容易和计算机连接，利用图像处理技术，可以提高测量信噪比，并扩大测量范围，目前他正全面的改造着传统的光学测量法。

目前光电检测抗干扰技术主要应用于靶场测试，而弹丸速度测量是靶场测试的主要内容，弹丸飞行速度是弹道特性的一个重要参数之,也是枪炮、火药生产研制单位的一个重要技术指。传统的测试方法主要可分为接触法和非接触,接触法包括网靶法、钢板靶法等,非接触法包括圈靶、天幕靶、光幕靶、声靶等测试方法。接触法往会影响弹道特性,并且不能用作连发测试场合，于接触法测试场合的局限性,目前非接触法的应越来越广泛。国内靶场主要采用光幕靶和天幕靶，相对而言,光幕靶由于其低价格、高试精度、高可靠性的特点,逐步成为靶场测试系统一个重要的组成部分。目前国内科研人员已研制出大靶面红外测速光幕靶,已逐步用在国内各个靶场。此外，参考国内外诸多文献，现有光幕靶在抗干扰方面主要中在抗蚊虫干扰、抗震动干扰、抗外界自然光干扰、抗炮口火光干扰等。 1.2常用测试方法 1.2.1线圈靶

线圈靶是采用定距测时法测量弹丸运动速度常用的区截装置之一。要求待测运

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动体必须是导磁体，线圈靶分感应式线圈靶和励磁式线圈靶两种。前者需将弹丸事先磁化，当它穿过线圈靶时，造成线圈内磁通量变化，在线圈内产生感应电动势，形成区截信号。后者有两组线圈，内层为励磁线圈，工作时通入直流励磁电流，产生一个恒定磁场。外层为感应线圈，被测弹丸不需事先磁化，当弹丸穿过线圈时，造成感应线圈的磁通变化，产生感应电动势，形成区截信号。用1对线圈靶与1台计时仪相配用构成的测速系统如图1.1所示

图1 .1 线圈靶测试系统

1.2.2 光电靶

光电靶由光学系统、光敏元件、处理电路及机械结构四部分组成，按测试的参数可将光电靶分为光电测速靶和光电立靶，在光电测速靶中,按光源又可分用自然光源的天幕靶和使用人工光源的光幕靶，天幕靶按测试方式可分为水平天幕靶、仰角天幕靶,按天幕靶的光学系统视场大小可分为普通靶和广角天幕靶。

现在分别讨论天幕靶和光幕靶的工作原理。

1）光幕靶的光幕主要由发光部分、接收部分和处理电路三部分组成。发光部分包括灯泡、透镜；接收部分包括狭缝、聚光系统、光电管。灯泡发出的光经透镜和狭缝光阑的作用,便可形成一个具有一定厚度的光幕，一旦有物体快速进入光幕，遮住了进入狭缝的部分光线，则通过狭缝后聚光系统而到达光电管的光通量便发生变化。此时，光电管所在电路中会产生正比于该光通量变化的电信号，处理电路将此信号放大、整形，最后输出脉冲。测速时，两台光幕靶与一台测时仪配合，其测速原理与天幕靶相同。如图1.2所示

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图1.2 光幕靶工作原理

2）天幕靶，顾名思义，它是利用太阳光在大气中的散射光做光源，它的靶面像

一个倒挂在空中的幕帘而得此名，如图1.3所示。天幕靶分为水平天幕靶和仰角天幕靶两种，前者只能用于测量以水平方式或射角小于5°时发射的弹丸的速度；后者除了可以测量小射角的弹速外，还可以用于测量射角大于5°时弹丸的速度，仰角天幕靶的使用适应性比水平天幕靶强得多。

图1.3 天幕靶工作原理图

1.2.3 激光测速靶

激光测速靶是一种有效的弹丸速度测试装置，激光测速靶采用半导体激光器作光源，经准直扩束后，在一个方向上以一定的发散角展成扇形光幕，再用圆弧柱面镜(横截面为圆弧作为光幕反射镜，若E点处放置半导体激光器，半导体激光光幕

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平面垂直于圆弧柱面母线入射，合理设计光学系统，能保证从E点发射的光线经柱面镜反射后会聚到F点。当弹丸飞过有效靶区时，进入光电检测器件的光通量将发生变化，光电检测器件将该光通量的变化转化为电信号，经信号处理电路获得触发计时脉冲，用两套上述相同的激光光幕就可构成一套区截装置，可获取弹丸通过两个光幕的时间间隔，通过接口电路，根据靶距由计算机进行数据处理，得到弹丸的飞行速度。

图1.4 激光测速靶工作原理

1.3本课题要解决的问题

在恶劣的环境下，比如野外全天候的工作环境和存在爆炸冲击、烟雾等恶劣干扰因素。光电检测系统的抗干扰性、可靠性、精确度等问题在弹丸测速方面显得得至关重要。因此在整个研究过程中需要解决以下几个问题：

1）设计抑制环境光干扰的遮光系统及电路； 2）设计抑制蚊虫误触发的程序算法； 3）设计减小震动的减震结构；

4）选择对爆炸火光有效抑制的光源及滤光装置。

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