|
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(cè)和識(shí)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)，檢測(cè)效率低下且十分繁瑣。為適應(yīng)未來戰(zhàn)爭(zhēng)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(cè)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(cè)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(zhǎng)、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(cè)波長(zhǎng)和最小可探測(cè)功率等參數(shù)的檢測(cè)。該檢測(cè)儀操作簡(jiǎn)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(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的控制，可迅速直觀地掌握被測(cè)告警器的性能參數(shù)，大大提高了檢測(cè)效率。 漫反射靶板檢測(cè)法及其不足 目前激光告警器的檢測(cè)普遍采用漫反射靶板檢測(cè)法，包括方位覆蓋測(cè)試和俯仰覆蓋測(cè)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(cè)試和俯仰覆蓋測(cè)試示意圖。在方位覆蓋測(cè)試中，激光束在漫反射靶板上形成光斑A，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)告警器在水平面上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光斑在告警器內(nèi)CCD器件上的像點(diǎn)水平移動(dòng)，形成方位輸出信號(hào)。若該信號(hào)與轉(zhuǎn)臺(tái)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(cè)試中，垂直移動(dòng)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(dòng)，形成俯仰輸出信號(hào)。若俯仰信號(hào)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(cè)法原理簡(jiǎn)單，但存在一些問題。首先，測(cè)試一般在室內(nèi)進(jìn)行，故需將告警器從武器上拆下，測(cè)試完后再裝回，較為繁瑣。需測(cè)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(cuò)誤。其次，在俯仰測(cè)試中，光斑高度為無限高時(shí)才能實(shí)現(xiàn)90o入射，而測(cè)試靶板的高度和室內(nèi)空間總是有限的，故該法存在檢測(cè)死角。 針對(duì)漫反射靶板測(cè)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(cè)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(dòng)，則其二維入射角的變化可用來檢測(cè)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(cè)告警器的最小可探測(cè)功率，而調(diào)節(jié)光源的輸出波長(zhǎng)，則可檢測(cè)告警器對(duì)不同波長(zhǎng)輸入光反應(yīng)的敏感性，此外還可以對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，用來檢測(cè)告警器對(duì)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(duì)告警器性能的完整檢測(cè)。 檢測(cè)儀機(jī)械結(jié)構(gòu)分析 根據(jù)上述原理，我們?cè)O(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(dòng)。
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(dòng)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(dòng)激光管在垂直面上運(yùn)動(dòng)，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(cè)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(cè)儀電路 本文所設(shè)計(jì)的告警器檢測(cè)儀控制電路如圖3所示�？刂齐娐返暮诵臑�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(jiǎn)化了軟硬件設(shè)計(jì)。LD1和LD2分別是輸出波長(zhǎng)為1.06mm和 1.54mm[4]的激光二極管，作為檢測(cè)儀的模擬光源，由步進(jìn)電機(jī)M1和M2驅(qū)動(dòng)，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(duì)其電流進(jìn)行控制，故設(shè)計(jì)了由IC2、運(yùn)放IC3、場(chǎng)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)根據(jù)所需設(shè)定的激光輸出功率對(duì)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(chǎng)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(duì)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(dòng)開關(guān)，單片機(jī)通過檢測(cè)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(duì)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(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)等于驅(qū)動(dòng)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(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)，節(jié)約了成本。 根據(jù)用戶要求，該檢測(cè)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(cè)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：?jiǎn)纹瑱C(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(hào)。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(cè)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(zhǎng)和調(diào)制頻率等參數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)告警器性能參數(shù)的測(cè)試�；谠摷夹g(shù)研制的激光告警器在線檢測(cè)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(duì)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(píng)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(chǎng)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 |
