阵列光电探测器在光电探测靶中的应用研究 doc

阵列光电探测器在光电探测靶中的应用

摘 要:针对在外弹道测量弹丸速度及命中靶标的两维坐标参数的光电探测靶,结合探测靶自身结构特点,提出将阵列光电探测器应用于光电探测靶的研制中,改善与提高其探测灵敏度和增大作用视场;提出采用离焦弥散技术,来消除阵列光电探测器中的探测盲区;分析在光电探测靶中应用光电探测靶时影响光电探测靶探测的因素并提出合理改善措施。

关键词:阵列光电探测器;探测盲区;探测灵敏度

The Application of Array Optic-electric Detector to Optic-electric

Detecting Fire

Abstract: The optic-electric detecting fire was used in the exterior trajectory to measure the velocity and two-dimensional coordinate of the bullet, considering the structure characteristics of optic-electric detecting fire, the array optic-electric detector was used to improve the detect sensitivity and increase the detect scope in the optic-electric detecting fire; array optic-electric detector exists the detection blind area which cannot detect the bullet signal and the deviating focus technique was proposed to eliminate detect blind area; The factors of influencing optic-electric detecting fire were analyzed and reasonable improving measures were introduced.

Keywords: array optic-electric detector; optic-electric detecting fire;

detect sensitivity

1引言

光电探测靶主要是应用光电转换原理做成非接触式区截装置,当入射到光电探测靶的光量发生变化时,光电元器件能够产生电信号的化,利用这个变化的电信号来启动或停止测时器[1,6]。影响光电探测靶的主要因素有探测放电路、光学成像镜头、探测器件的响应速度及收的光能等。对光电探测靶来说,提高电路对号的放大倍数,可以将更小的光能变化的量放并输出信号,提高仪器的灵敏度,但放大倍数提高也会使光电器件放大电路固有的噪声被大,特别是天空亮度产生的背景噪声[2]。如果大电路放大的被遮拦掉的光敏产生的光电信已经无法从同时被放大噪声信号中检测出来,大倍数的提高已毫无意义。在放大电路确定以后,探测灵敏度还与必须遮拦掉的最小光能量有关,它是一个常量,如果光电探测器件接收到的全部光能量越多,它所占的比率越小,灵敏度越高,在同样的光照条件下,光电探测器件上能接收到的光能多少,取决于镜头孔径、光由固定狭缝到光电接收器件间转换的光能损失。此外,光电探测接收器件的噪声、频率响应、光电转换效率等性能直接影响到探测靶的探测灵敏度。为提高改善光电探测靶,文中建立于野外高空大靶面LBS-1型立靶测量系统的光电探测靶进行讨论,研究阵列光电探测器在探测靶的应用。

2光电探测器件选择

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在LBS-1型立靶测量系统中的光电探测靶,一般要求作用距离高达弹径3000倍,探测视场大(高达20m×20m)。最重要的莫过于选择符合系统要求的光电转换器件,同时,仪器用于室外高空测试,探测器件的探测灵敏度要求较高。因此,在选择光电探测靶的探测器件时要合理。从探测灵敏度方面考虑,为了保证探测系统具有很高的响应速度,要求所选择探测器件响应速度要足够快;从探测视场考虑,尽可能的满足大视场。传统解决方法是用透镜将光缝汇聚或用光纤将光缝汇聚后再由小面积光电管接收,但是,这样使结构复杂化,也会使光斑汇聚后能量集中,易使小面积光电管在静态时饱和。弹丸穿越探测靶光幕的光能变化量本身就很微弱,有可能还不足以使光敏二极管脱离饱和状态,也就不会有响应;若选用大面积光电接收管,既不用将光缝汇聚,又不易饱和,但成本较高。根据系统探测靶的结构特点采用多元拼接阵列光电探测器,配合适当的光学镜头,可以实现不同的测试要求。

从上面的分析,在研制的LBS-1型立靶测量系统中的光电探测靶,采用阵列光电探测器件代替原先的光纤汇聚方法,简化系统设计结构。该阵列光电探测器件是由16个光敏二极管排列

而成一长条形的接收管,每单元接收光敏二极管的边长为2.5mm,拼接间隙为0.1mm,光电探测器探测总长为41.5mm,有效探测面积为2.5mm×16mm,采用这种拼接条形的光电接收器件主要是考虑到它的工艺成本低,以及硅光敏二极管的特性,该器件在0.4~1.1μm的波长范围,响应度比较接近一致,对各种光都能探测到,对波长在0.8~0.9μm的范围响应度偏高,转换的效果比较好,同时,具有低噪声,响应速度快,

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高探测灵敏度等的特点[3]。应用阵列光电探测器件,虽然简化结构,给设计带来方便,但是由于光电探测器件存在着不接收光能的探测盲区,同时,还可能出现光能量过强而使放大电路产生自激干扰等,为了消除探测盲区,结合结构特点研究采用离焦弥散技术与可调光阑措施,提高阵列光电探测器的应用效能。

3 光电探测靶的光电接收器设计分析

光电探测靶的测试结构示意图如图1所示,由于探测器是由16个正方形小单元的PIN二极管阵列组成,在两小单元接收管间出现探测盲区,如果采用形成天幕的固定狭缝紧贴光电探测器势必将存在探测盲区,当弹丸成像落于探测盲区时就会出现漏测现象,捕获率降低,为了消除探测盲区采用离焦弥散技术,即将光电探测器远离固定狭缝一段距离,达到整个视场的探测灵敏度接近均匀,这种方法占用空间小,光能量损失少,是比较先进的方法[4]。

图1 光电探测靶测试结构示意图

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从光学性能方面考虑,固定狭缝的位置影响汇聚到光电探测器件上光线的多少,物镜与狭缝形成的光幕,汇聚天空无穷远背景光线的光能,在焦平面内聚焦成一个点,焦平面前后都形成弥散的光斑。运动物体在距离探测仪有限远距离l上通过光幕,在离开焦平面S的平面内成清晰的影像如图2所示,其他平面内影像是模糊的,

图2 固定狭缝离焦平面的示意图

S的计算公式为:

S?f2(l?f) （1）

S为物镜焦距与固定狭缝距离 f为镜头焦距。

狭缝位置可以位于运动物体像平面上或成像物镜焦平面上。如果狭缝位于运动物体的像平面上,虽然成像清晰,但是由于存在离焦量,则无穷远背景光线成像物镜后在像平面内形成弥散光斑,使部分光能被狭缝遮挡住,减少投射到光电器件上的光能,距离l越近,损失越大。

如果狭缝位于焦平面上,天空中进入光幕的光线全部汇聚在狭缝

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