基于反射式光幕靶的信号处理电路设计

摘要：针对大面积反射式光幕靶的特点设计了光电转换电路，并通过野外试验对测试电路的性能进行了实弹考核。该光电转换电路具有低噪声、高增益、低输出阻抗、较好的响应带宽和带负载能力。通过野外实弹试验表明，该电路能有效去除飞虫干扰和杂散光的干扰，保证了大面积反射式光幕靶的测试性能。
关键词：光幕靶；反射式；转换电路；测试

反射式光幕靶是利用光反射的原理研制而成的。大功率激光光源经光学系统处理后产生一定厚度的激光光幕，经支架上的反射膜反射后，将光幕反射信号经反射镜收集于右面的光学系统镜头内。由于反射式光幕靶的光源发生端和接收端之间没有连接部件，因此光的有效探测区域增加，特别适合测试诸如破片等散布范围大的飞行试验。但反射式光幕靶也有自身的一些缺点和不足，发射和接收部件分离，因此容易受到来自外界的冲击波和地震波的干扰，而且由于有效检测区域增加，在野外试验的时候来自飞虫等的干扰也将增加。当飞行物经过以后会有大量的干扰信号产生，如何得到真实的飞行物过靶时间而避免由于干扰信号给测试所带来的影响，需要设计一种响应速度快，抗干扰能力强的电路才能满足其测试要求。

1 电路设计
反射式光电测速系统的光信号通过逆向反射的方式进行传输，其传输距离达到12 m。由于光信号远距离的传输，光敏元件接收到的光信号强度比较弱，经光电转换后形成的光电流信号也很微弱仅有几十个微安，因此需要将电信号进行放大，整形后输出，以形成触发信号。由于光电信号很微弱并且伴有干扰，为了避免在放大过程中将噪声信号也同时放大，才用了两级放大的方法，第一级放大电路的主要功能是放大和滤波，二级电路主要作用是信号放大便于传输。
1．1 一级放大电路设计
系统采用光敏二极管，其光电流为30～50μA，所以需要将微弱的光电流信号转换成电压信号提供给后续放大电路处理。在前级放大电路设计时应用了晶体管共射极放大电路和共集电极放大电路的电流放大作用，将微弱的光电流信号进行放大后通过可调电阻形成输出电压，具体电路如图1所示。

图1工作原理如下：光敏管将光通量的变化转换成电流信号，经隔直电容C4耦合，滤除直流信号，保证其各自直流工作状态的独立性。 Q3，Q4晶体管将光电流放大后通过可调电阻调节放大倍数输出电压信号。信号的公共端是集电极，输出电压与输入电压同相且输出电压随输入电压的变化而变化。输出的电压信号经可调电阻W调节后再经电容C6滤除频率低的干扰信号，输出信号A1。为了抑制噪声和共模干扰信号，前级放大电路中的电压信号放大倍数控制在10倍以内。
前级放大电路利用了晶体管组成的放大电路具有低噪声，高增益，低输出阻抗，较好的信号带宽和带负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。为后续电路的信号处理提供了电压信号，滤除了一部分低频干扰信号。
1．2 二级放大电路
前级放大电路输出的电压信号A1依然比较微弱，需要进一步放大处理。而且信号A1中还存在着共模电压引起的共模干扰，主放大电路需要有极强的共模抑制能力，据此设计了二级放大电路原理图，如图2所示。

[p]
二级放大电路的核心器件选择的是LF357，其具有高增益，低噪声和高输入阻抗等特点且具有极强的共模抑制能力。主放大电路中设置的放大倍数在100倍左右。前级输出信号通过R16和R18分压后接入LF357反相输入接口引脚2，正向输入接口引脚3接地，放大后的输出信号由引脚6输出.

在室外进行靶场实验时，苍蝇、蚊虫等生物体往往导致测试系统的误触发，频繁时甚至导致整个测试无法进行。蚊虫运动产生的干扰信号的频率可以进行估计。与弹丸速度相比，蚊虫的运动速度要低的多，只要保证信号处理电路具有滤除一定数值范围的低频信号功能，就可滤除因蚊虫等生物体运动而产生的干扰信号。主放大电路中在LF357运算放大器后加入C7和R20组成的高通滤波电路，通过改变电容电阻的参数值可提高截至频率，削弱蚊虫信号引起的干扰信号。
电路中LF357输出电压与输入电压的关系为：

C7和R20高通滤波器的截止频率为：

1．3 比较电路
比较电路的主要功能是通过不同的比较电压阈值来调节系统的灵敏度，从而实现在外场试验时系统可避免体积较小的蚊虫等生物体引起的误触发。比较电路原理图如图3所示。

主放大电路的输出电压A2接入LM339的反向输入端，其同相输入端为比较阈值电压，可通过S1～S5进行五种不同的电压选择。系统灵敏度通过S旋转开关来进行调节，灵敏度设为1 V，2 V，3 V，4 V，5 V五档。1 V为灵敏度最高档，当选择该灵敏度时，弹丸过靶信号幅值超过1 V即可使LM339由截止状态变为饱和状态，经上拉电阻R15形成一个脉冲。[p]
1．4 整形电路
信号整形电路是将比较电路输出的脉冲信号进行整形，以获得理想的脉冲输出信号。在整形电路设计中，选用型号为CD4013的双向D型触发器。整形电路原理图如图4所示。利用CD4013可给出测时仪所需脉冲信号，并且脉冲信号宽度固定，边沿陡峭变化过程在1μs以内，确保了测时精度。

2 试验测试
为验证反射式测速光幕靶的电路部分的测试性能，在野外进行试验。试验同时用锡箔靶进行测速，将其测速数据与反射式进行比较，实验结果如表1所示。实验进行了10发破片测速，反射式激光测速系统对破片的速度测量整体表现良好，与锡箔靶测试结果相差不大，电路工作稳定，未出现蚊虫干扰和误触发等现象，表明该系统的电路设计合理，工作可靠，能保证测试任务的完成。

3 结论
针对反射式光幕靶的工作特点，设计了专用电路，在电路设计中重点考虑了对蚊虫干扰以及对声波、地震波等的抗干扰处理，并且保证了电路的响应速度和可靠性。试验表明，该系统的电路设计合理、工作稳定，测试结果准确。电路的设计思想和方法不仅可以用于反射式激光测速装置，也为其他相关领域的电路设计提供了有益的参考和帮助。