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作者：張彬 李剛 軍械工程學(xué)院光學(xué)與電子工程系 王震宇 65581部隊(duì)司令部作訓(xùn)股 時(shí)間：2009-10-12 來源:電子產(chǎn)品世界 引言 激光告警器[1] 能迅速探測和識別來自敵方的激光威脅，并進(jìn)行聲光告警，是一種重要的激光對抗裝備，廣泛應(yīng)用于坦克、裝甲車和艦艇等大型武器上[2]。為確保其在實(shí)戰(zhàn)中的可靠性，我軍每年都要對現(xiàn)役的各類激光告警設(shè)備進(jìn)行分批次檢驗(yàn)，而檢驗(yàn)方法主要是傳統(tǒng)的漫反射靶板法，需將告警探頭拆下，在檢測室內(nèi)配合特定的設(shè)備分別進(jìn)行方位和俯仰覆蓋檢測，檢測效率低下且十分繁瑣。為適應(yīng)未來戰(zhàn)爭的需求，我軍裝備部門急需一種高效的激光告警器性能檢測設(shè)備。 本文介紹一種基于可調(diào)式模擬激光脈沖技術(shù)的激光告警器在線檢測儀。其基本結(jié)構(gòu)是以單片機(jī)為核心的激光管半球面定位系統(tǒng)，由于位置控制精確靈活且激光的波長、功率和調(diào)制頻率可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)告警器方位覆蓋、俯仰覆蓋、角度分辨率、探測波長和最小可探測功率等參數(shù)的檢測。該檢測儀操作簡便，不必拆裝告警探頭，只需將裝有定位系統(tǒng)的半球型罩置于探頭上并保持探頭位于其球心處，操作者通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)對檢測系統(tǒng)的控制，可迅速直觀地掌握被測告警器的性能參數(shù)，大大提高了檢測效率。 漫反射靶板檢測法及其不足 目前激光告警器的檢測普遍采用漫反射靶板檢測法，包括方位覆蓋測試和俯仰覆蓋測試兩部分，如圖1所示。中心虛線左右兩側(cè)分別為方位覆蓋測試和俯仰覆蓋測試示意圖。在方位覆蓋測試中，激光束在漫反射靶板上形成光斑A，當(dāng)轉(zhuǎn)臺帶動告警器在水平面上轉(zhuǎn)動時(shí)，光斑在告警器內(nèi)CCD器件上的像點(diǎn)水平移動，形成方位輸出信號。若該信號與轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系且不中斷(即漏報(bào))，即判定告警器方位覆蓋合格。俯仰覆蓋測試中，垂直移動激光器令光斑B到告警器的垂直距離H變化，使光斑在CCD上的像點(diǎn)豎直移動，形成俯仰輸出信號。若俯仰信號滿足H和告警器到靶板間水平距離L所構(gòu)成的三角關(guān)系，則認(rèn)為告警器俯仰覆蓋合格。 
漫反射靶板檢測法原理簡單，但存在一些問題。首先，測試一般在室內(nèi)進(jìn)行，故需將告警器從武器上拆下，測試完后再裝回，較為繁瑣。需測試的告警器數(shù)量較多時(shí)，操作人員的工作量將變得很大，效率低下而且容易發(fā)生錯誤。其次，在俯仰測試中，光斑高度為無限高時(shí)才能實(shí)現(xiàn)90o入射，而測試靶板的高度和室內(nèi)空間總是有限的，故該法存在檢測死角。 針對漫反射靶板測試法的不足，本文提出了一種基于可調(diào)式模擬激光脈沖技術(shù)的激光告警器在線檢測儀。 可調(diào)式模擬激光脈沖技術(shù) 在實(shí)際使用環(huán)境下的激光告警器看來，其告警范圍內(nèi)的等功率激光威脅源A1，A2，A3，…可等效為以告警器O為球心、半徑為R球面上的點(diǎn)A`1，A`2，A`3，…(分別位于射線 OA1，OA2，OA3，…與球面的交點(diǎn)處)，而A`1，A`2，A`3，…的等效發(fā)光功率反比于A1，A2，A3，…與告警器距離的平方(接收孔徑不變的條件下，光功率的衰減與距離的平方成正比)。根據(jù)這個(gè)原理，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，若能控制發(fā)光源在以告警器為球心的某個(gè)球面上移動，則其二維入射角的變化可用來檢測告警器的方位覆蓋和俯仰覆蓋范圍，而其使方位和俯仰輸出量產(chǎn)生變化所掠過的最小圓心角則代表了告警器的角度分辨率。在電路結(jié)構(gòu)上，調(diào)節(jié)該光源的發(fā)光功率，使其略低于報(bào)警閾值，可檢測告警器的最小可探測功率，而調(diào)節(jié)光源的輸出波長，則可檢測告警器對不同波長輸入光反應(yīng)的敏感性，此外還可以對光源進(jìn)行調(diào)制，用來檢測告警器對脈沖光的反應(yīng)，這就是本文所提出可調(diào)式激光模擬脈沖技術(shù)的原理，由此實(shí)現(xiàn)了對告警器性能的完整檢測。 檢測儀機(jī)械結(jié)構(gòu)分析 根據(jù)上述原理，我們設(shè)計(jì)了如圖2所示的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)模擬光源在半球面上的可控移動。
如圖2所示，該結(jié)構(gòu)外層為一半球型罩，用于屏蔽外界雜散光干擾;下部為圓環(huán)盤型底座，其上固定有環(huán)形齒條;環(huán)形水平導(dǎo)軌位于底座上，在步進(jìn)電機(jī) 1的驅(qū)動下為激光管提供方位角調(diào)節(jié);帶有齒條的半環(huán)型垂直導(dǎo)軌連接于水平導(dǎo)軌上，其兩端的間距等于水平導(dǎo)軌直徑。步進(jìn)電機(jī)2帶動激光管在垂直面上運(yùn)動，為激光管提供俯仰角調(diào)節(jié)。該結(jié)構(gòu)整體緊湊、重量輕(材料為玻璃鋼)、便于安裝與運(yùn)輸，使用時(shí)不需將告警器從裝備上拆下，也不存在檢測死角問題。 步進(jìn)電機(jī)采用常規(guī)的2相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8o。電機(jī)1輸出軸齒輪與水平導(dǎo)軌齒條的齒數(shù)比為1:22.3，電機(jī)2輸出軸齒輪與垂直導(dǎo)軌齒條的齒數(shù)比1:12.5(180o覆蓋)，故方位角的最小調(diào)節(jié)量為0.08o，俯仰角的最小調(diào)節(jié)量為0.072o，滿足要求。 檢測儀電路 本文所設(shè)計(jì)的告警器檢測儀控制電路如圖3所示。控制電路的核心為8位Atmel AVR單片機(jī)ATmega16[3]，具有內(nèi)部資源豐富、速度快、價(jià)格低廉和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，非常適合于便攜式控制設(shè)備。圖中，IC2為SPI接口12bit串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器LTC1456，可直接與ATmega16的SPI接口連接，簡化了軟硬件設(shè)計(jì)。LD1和LD2分別是輸出波長為1.06mm和 1.54mm[4]的激光二極管，作為檢測儀的模擬光源，由步進(jìn)電機(jī)M1和M2驅(qū)動，運(yùn)行在圖2所示的導(dǎo)軌上。為了實(shí)現(xiàn)激光管輸出功率的可調(diào)，必須對其電流進(jìn)行控制，故設(shè)計(jì)了由IC2、運(yùn)放IC3、場效應(yīng)管Q和電阻R4構(gòu)成數(shù)控電流源[5]。其工作原理為：單片機(jī)根據(jù)所需設(shè)定的激光輸出功率對IC2寫入控制字后，VOUT端隨即輸出相應(yīng)電壓;運(yùn)放工作時(shí)同、反相輸入端“虛短”，這一作用必然令Q的源極輸出一個(gè)電流值，使R4上的電壓與IC3同相輸入端電壓相等，從而實(shí)現(xiàn)了電流的數(shù)字控制。場效應(yīng)管柵極電流為零，其源、漏極電流相等，故控制精度高，避免了采用雙極型晶體管時(shí)控制精度受到基極分流影響的問題。 R4采用溫度系數(shù)小的精密線繞電阻，減小了溫度對電流控制精度的影響，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗過載能力。由于兩種激光管的輸出功率——電流曲線不同，故切換激光管時(shí)也必須“通知”單片機(jī)，以保持正確的電流控制規(guī)律，因此設(shè)計(jì)了S1_1和S1_2構(gòu)成的聯(lián)動開關(guān)，單片機(jī)通過檢測PD4上的邏輯電平來判斷當(dāng)前與Q相接的激光管，以調(diào)整控制系數(shù)。LTC1456具有異步清零端，這就為激光的調(diào)制提供了方便：通過設(shè)定單片機(jī)的定時(shí)器中斷，使其溢出頻率2倍于欲設(shè)定的調(diào)制頻率，對IC2交替進(jìn)行寫入和清零即可。
DR1和DR2是2相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)等于驅(qū)動器控制端P接收到脈沖數(shù)，而D端是方向控制端;故可控制激光管運(yùn)行至圖2所示半球面上的任意一點(diǎn)。由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性，起步時(shí)的輸入到P端的脈沖頻率不能太高，以防電機(jī)失步而使定位控制出現(xiàn)誤差。如上文分析，方位角和俯仰角的調(diào)節(jié)已經(jīng)足夠精細(xì)，故不需對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動，節(jié)約了成本。 根據(jù)用戶要求，該檢測儀應(yīng)能與PC機(jī)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理與操作功能，為此設(shè)計(jì)了以IC4 MAX232為核心的電平轉(zhuǎn)換器，該芯片在5V工作電壓下可產(chǎn)生-10V的負(fù)壓輸出，從而與PC機(jī)的RS-232串口實(shí)現(xiàn)電平兼容，數(shù)據(jù)和命令字得以傳輸。 在不具備PC的條件下，檢測儀通過一個(gè)3×3鍵盤實(shí)現(xiàn)功能操作。其工作原理如下：單片機(jī)上電后將PB0~PB2配置為低電平，而將PD5~PD7配置為高電平(AVR單片機(jī)I/O口為推挽輸出，強(qiáng)上拉)，此時(shí)3輸入與門IC5的輸出為高電平。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，IC5輸入端出現(xiàn)低電平，故輸出下降沿，使INT0中斷;進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，首先將PB0~PB2配置為弱上拉輸入模式，然后將PD5置低，接著讀取PB0~PB2的邏輯電平。由于單片機(jī)內(nèi)部上拉電阻(數(shù)十KW) 遠(yuǎn)大于R1~R3(2KW)，因此若K3、K6或K9按下，則必然能在PB0、PB1或PB2讀到邏輯0，從而判斷出所按下的鍵號。若未發(fā)現(xiàn) PB0~PB2上有低電平，則說明被按下的鍵不在此列，恢復(fù)PD5的高電平，依次置低PD6和PD7，重復(fù)上述過程，直至找到所按下的鍵。 LCD 1602液晶用于顯示菜單、操作提示和檢測結(jié)果。 結(jié)語 激光告警器是一種重要的現(xiàn)代武器裝備，本文提出的可調(diào)式模擬激光脈沖技術(shù)通過控制光源在半球面上的位置、發(fā)光功率、波長和調(diào)制頻率等參數(shù)實(shí)現(xiàn)了對告警器性能參數(shù)的測試。基于該技術(shù)研制的激光告警器在線檢測儀，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、電路成熟可靠、控制精確、使用方便和功能完善的特點(diǎn)，較傳統(tǒng)方法大大提高了效率。 參考文獻(xiàn)： [1] 張潔. 激光告警設(shè)備的組成和工作原理[J]. 航天電子對抗, 2002(2): 42-46 [2] 張錦. 國外激光威脅告警器發(fā)展現(xiàn)狀及評價(jià)[J]. 紅外與激光, 2008(4): 307-314 [3] 馬潮. AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2007 [4] 葛強(qiáng)勝, 葛強(qiáng)林, 龔赤坤. 車載激光告警器靈敏度技術(shù)指標(biāo)分析[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2005.26(4): 473-476 [5] 馬場清太郎(著)，何希才(譯). 運(yùn)算放大器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2007 |
