原向反射式大面积三角形探测光幕灵敏度分布_段晨曦.pdf

文章编号：1002-2082(2023)01-0113-09原向反射式大面积三角形探测光幕灵敏度分布段晨曦1，孙忠辉2，李海清2，倪晋平1，武志超1（1.西安工业大学光电工程学院陕西省光电测试与仪器技术重点实验室,陕西西安710021；2.中国人民解放军 63853 部队，吉林白城137001）摘摘 要：要：分体式大靶面测试系统的探测光幕灵敏度直接影响飞行弹丸速度测量的精度。可在散布不大的情况下，使用反射膜与激光器代替矩形大面积测试系统中的人工光源，简化测试系统。对新建的三角形探测光幕的灵敏度进行了分析，综合考虑激光器在不同传播距离处的光强度衰减、空间的非均匀性分布及反射膜逆反射系数和镜头离轴效应等因素，采用数值仿真和实弹试验的方法，将同一弹径的弹丸穿过光幕不同位置时的灵敏度等效到同一基准点进行归一化分析。结果显示，镜头离轴效应对灵敏度影响最大，激光器空间非均匀性分布影响最小。在 3.5m2m(宽高)的直角三角形探测光幕区域进行实弹试验，其结果与仿真结果一致，距镜头越近，灵敏度越高；反之越低。研究结果可为类似原向反射式大面积探测光幕的工程设计提供参考。关键词：关键词：弹丸速度测量；大面积探测光幕；离轴效应；光强度分布；灵敏度分布中图分类号：TN206文献标志码：ADOI：10.5768/JAO202344.0103001Sensitivity distribution of large-area triangular detection lightscreen with original reflectionDUANChenxi1，SUNZhonghui2，LIHaiqing2，NIJinping1，WUZhichao1（1.ShaanxiProvinceKeyLaboratoryofPhotoelectricMeasurementandInstrumentTechnology,SchoolofOptoelectronicEngineering,XianTechnologicalUniversity,Xian710021,China；2.No.63853UnitofPLA,Baicheng137001,China）Abstract：Theaccuracyoftheflyingprojectilespeedmeasurementisdirectlyaffectedbythedetectionlightscreensensitivityofthesplitlarge-targettestsystem.Inthecaseofsmalldispersion,theartificiallightsourceintherectangularlarge-areatestsystemcanbereplacedbyareflectivefilmandalasertosimplifythetestsystem.The sensitivity of the new triangular detection light screen was analyzed.The light intensityattenuation of lasers at different propagation distances,the non-uniform distribution in space,the retro-reflectioncoefficientofthereflectivefilmandtheoff-axiseffectofthelensweretakenintoaccount.Thesensitivityofprojectilesofthesamediameterthroughdifferentpositionsofthelightscreenwasanalyzedbyequivalent normalization at the same reference point by using numerical simulation and firing test.Thesimulationresultsshowthatthesensitivityismostaffectedbythelensoff-axiseffectandleastbythenon-uniformdistributionofthelaserspace.Thefiringtestwascarriedoutintheright-angledtriangledetectionlightscreenareaof3.5m2m(widthheight).Theresultsareconsistentwiththesimulationresults,thecloserthe lens,the higher the sensitivity,and the lower the versa.The results can provide a reference for theengineeringdesignofalarge-areadetectionlightscreensimilartothereflectiontype.收稿日期：2022-04-27；修回日期：2022-05-24基金项目：国家自然科学基金(61471289)；陕西省教育厅重点实验室项目(20JS057)；作者简介：段晨曦（1996），男，博士研究生，主要从事光电测试技术研究。E-mail：通信作者：倪晋平（1965），男，博士，教授，主要从事兵器试验与测试技术、光电测试与仪器研究。E-mail：第44卷第1期应用光学Vol.44No.12023年1月JournalofAppliedOpticsJan.2023Key words：projectilevelocitymeasurement；large-areadetectionlightscreen；off-axiseffect；distributionoflightintensity；sensitivitydistribution引言在轻武器外弹道测试领域中，膛口初速是评估武器毁伤效能的重要参数，在研制和生产中，初速测量考虑到设备和人员的安全，以防备由于异常弹和散布大击中设备或者弹丸碎片反弹，大都采用探测面积大、易防护的测量设备。目前主要有3 种初速非接触式测试方法：1)天幕靶1-3，采用光学镜头形成探测视场，称为镜头式接收装置。天幕靶依赖自然光，故无法在夜间和室内使用；2)光幕靶4-6，解决了全天候初速测量问题，测量精度高，但依赖阵列 LED 光源与光电接收器件成对使用，测试装置迎弹面存在框架，容易被击中，也很难做到 2m2m 以上的大面积测试靶面；3)人工光源配接镜头式光幕探测器的分体式光幕7-8，能够满足大靶面的测试要求，因空间位置要求精确，但人工光源安装困难，维护不便。为解决上述方法的不足，有研究者提出使用原向反射膜9-10替代人工光源的原向反射式的光幕初速测试方法11-12，光幕的空间位置主要由发射光源一侧决定，不存在光源安装的繁琐，保留了大面积光幕的优点，但尚未对其光幕探测灵敏度进行分析。本文构建原向反射式直角三角形光幕探测模型，分析灵敏度在光幕区域内的变化，综合考虑激光束光强度距离衰减13-15、激光束光强度分布16-17、反射膜的逆反射系数18以及光学镜头离轴效应19等因素，并建立原向反射式光幕探测灵敏度模型，得到直角三角形探测光幕内灵敏度分布规律，且重点关注主要射击区域内灵敏度均匀性。通过试验验证模型的合理性，研究结果可为实际中的工程设计或室内靶道的使用提供参考。1 原向反射式三角形探测光幕原理及灵敏度模型原向反射式直角三角形探测光幕主要由镜头式接收装置、激光器和原向反射膜组成。室内靶道的横截面一般为矩形，如图 1 所示。弹道两侧为墙壁，弹道右侧的墙壁放置原向反射膜，型号为3M 公司 8710，反射膜的发散角约为 120-21；左侧墙壁放置镜头式接收装置，接收装置中装有狭缝光阑，约束视场为 30的扇形光幕，接收装置的光学镜头一侧装有一字线激光器，距镜头的距离满足反射膜发散角以内。激光光束与镜头的视场重合，探测光幕是激光光束与镜头视场的交集。原向反射膜将激光器发出的激光束原向反射回镜头处，激光束经光学镜头汇聚，从而被后端的光电敏感元件接收。光电接收器件室内弹道墙体镜头式接收装置镜头主光轴原向反射膜三角形探测光幕部分激光束光线一字线激光器探测光幕主要射击区域光学镜头镜头式接收装置图 1 原向反射式大面积三角形探测光幕结构示意图Fig.1 Structure diagram of large-area triangular detectionlight screen with original reflection关注的主要射击区域为三角形探测光幕中的圆形区域，其圆心在室内弹道地面的投影为弹道横截面的中心，弹道高度一般在 1.1m1.2m 处，能覆盖弹丸散布的主要区域，如图 1 所示。若接收装置放置的地面距离弹道高度较远，可采用整体垫高的方法使圆形区域的圆心与弹道高度匹配。若将镜头式接收装置垫高至与弹道齐平，则探测光幕称为等腰三角形。本文的研究以直角三角形为主，其结论也可推广到等腰三角形。当探测光幕中无飞行弹丸穿过时，接收装置中的光电转换器件接收的光能量固定不变，假设总光通量为；当有弹丸穿过弹着点(x,y)时，光电转换器件接收到的光能量会发生变化，从而产生微弱变化的电信号，后续电路对该电信号进行放大等处理。一般情况下，探测光幕输出电压信号的幅值与光电转换器件接收的光通量相对变化量为线性关系，探测光幕的探测模型22为V(t)=(t)R U（1）式中：V 为信号处理电路的输出电压；为弹丸遮挡住探测光幕内投影到镜头处的光通量；为光电探测器的光照灵敏度；为电路放大倍数；R 为电流电压转换电阻；U 为阈值电压。假设弹丸长度始终大于光幕厚度，在镜头视场范围内，同一口径弹丸从不同位置(x,y)穿过光幕，在镜头处接收到的光通量的变化量为(x,y)，定114应用光学第44卷第1期义探测光幕区域最小光通量相对变化量为探测灵敏度(x,y)(x,y)=(x,y)=I(x,y)d（2）式中：为弹丸穿过探测区域(x,y)时，弹丸遮挡住的方位立体角(圆心在镜头处)；I(x,y)为在镜头处弹丸遮挡区域的光强度。2 归一化数值仿真采用数值仿真方法计算光幕不同位置的灵敏度变化，将不同位置处的灵敏度与基准点的灵敏度数值相比进行归一化。光幕参数：直角边为 3.5m2m(宽高)的 30直角三角形；采用 50mm 定焦标准镜头；选用波长为 650nm 的激光器。假定激光器发出的一字线状激光束的光强度在垂直一字线方向上是均匀的。图 1 中圆形区域半径为 0.33m，圆心在(1.75m，0.33m)处。坐标系的选择如图 2所示，以 G 点作为光强度归一化基准点，将反射膜处光强度与其相比；O为主要射击区域的圆心位置作为灵敏度归一化基准点，探测光幕内灵敏度与其相比。XYOJQHJQGLxLyO图 2 探测光幕光强度传播示意图Fig.2 Schematic diagram of light intensity propagation ofdetection light screen2.1 弹丸穿过探测区域引起镜头处的光通量变化弹丸穿过探测光幕遮挡住部分激光束，如图 2中 OJQ 区域所示，该区域的光强度称为由飞行弹丸遮挡住的光强度。激光器发出的光束强度在出口位置为 I0，在探测光幕中传播，经距离 H 传播至反射膜处，距离衰减系数 dq将 I0衰减为 I1，再经逆反射系数 r衰减为 I2，反射后传播到镜头处，2 次距离衰减系数dh将 I2衰减为 I3，则有I3=I0dqrdh=I1rdh=I2dh（3）考虑镜头离轴效应和激光器光强度角度分布，则探测光幕区域被弹丸遮挡住的光强度 I 为I=I3jl（4）式中：l为镜头离轴效应系数；j为激光束光强度角度分布系数。当探测光幕中有飞行弹丸从光幕内任意点(x,y