基于可调式模拟激光脉冲的激光告警器在线检测仪

2009年10月20日 10:10    李宽
关键词: 调式 , 告警 , 激光 , 检测仪 , 脉冲
作者:张彬 李刚 军械工程学院光学与电子工程系 王震宇 65581部队司令部作训股   时间:2009-10-12  来源:电子产品世界

  引言

  激光告警器[1] 能迅速探测和识别来自敌方的激光威胁,并进行声光告警,是一种重要的激光对抗装备,广泛应用于坦克、装甲车和舰艇等大型武器上[2]。为确保其在实战中的可靠性,我军每年都要对现役的各类激光告警设备进行分批次检验,而检验方法主要是传统的漫反射靶板法,需将告警探头拆下,在检测室内配合特定的设备分别进行方位和俯仰覆盖检测,检测效率低下且十分繁琐。为适应未来战争的需求,我军装备部门急需一种高效的激光告警器性能检测设备。

  本文介绍一种基于可调式模拟激光脉冲技术的激光告警器在线检测仪。其基本结构是以单片机为核心的激光管半球面定位系统,由于位置控制精确灵活且激光的波长、功率和调制频率可调,可实现告警器方位覆盖、俯仰覆盖、角度分辨率、探测波长和最小可探测功率等参数的检测。该检测仪操作简便,不必拆装告警探头,只需将装有定位系统的半球型罩置于探头上并保持探头位于其球心处,操作者通过人机交互界面实现对检测系统的控制,可迅速直观地掌握被测告警器的性能参数,大大提高了检测效率。

  漫反射靶板检测法及其不足

  目前激光告警器的检测普遍采用漫反射靶板检测法,包括方位覆盖测试和俯仰覆盖测试两部分,如图1所示。中心虚线左右两侧分别为方位覆盖测试和俯仰覆盖测试示意图。在方位覆盖测试中,激光束在漫反射靶板上形成光斑A,当转台带动告警器在水平面上转动时,光斑在告警器内CCD器件上的像点水平移动,形成方位输出信号。若该信号与转台的转角成线性关系且不中断(即漏报),即判定告警器方位覆盖合格。俯仰覆盖测试中,垂直移动激光器令光斑B到告警器的垂直距离H变化,使光斑在CCD上的像点竖直移动,形成俯仰输出信号。若俯仰信号满足H和告警器到靶板间水平距离L所构成的三角关系,则认为告警器俯仰覆盖合格。

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  漫反射靶板检测法原理简单,但存在一些问题。首先,测试一般在室内进行,故需将告警器从武器上拆下,测试完后再装回,较为繁琐。需测试的告警器数量较多时,操作人员的工作量将变得很大,效率低下而且容易发生错误。其次,在俯仰测试中,光斑高度为无限高时才能实现90o入射,而测试靶板的高度和室内空间总是有限的,故该法存在检测死角。

  针对漫反射靶板测试法的不足,本文提出了一种基于可调式模拟激光脉冲技术的激光告警器在线检测仪。

  可调式模拟激光脉冲技术

  在实际使用环境下的激光告警器看来,其告警范围内的等功率激光威胁源A1,A2,A3,…可等效为以告警器O为球心、半径为R球面上的点A`1,A`2,A`3,…(分别位于射线 OA1,OA2,OA3,…与球面的交点处),而A`1,A`2,A`3,…的等效发光功率反比于A1,A2,A3,…与告警器距离的平方(接收孔径不变的条件下,光功率的衰减与距离的平方成正比)。根据这个原理,在机械结构上,若能控制发光源在以告警器为球心的某个球面上移动,则其二维入射角的变化可用来检测告警器的方位覆盖和俯仰覆盖范围,而其使方位和俯仰输出量产生变化所掠过的最小圆心角则代表了告警器的角度分辨率。在电路结构上,调节该光源的发光功率,使其略低于报警阈值,可检测告警器的最小可探测功率,而调节光源的输出波长,则可检测告警器对不同波长输入光反应的敏感性,此外还可以对光源进行调制,用来检测告警器对脉冲光的反应,这就是本文所提出可调式激光模拟脉冲技术的原理,由此实现了对告警器性能的完整检测。

  检测仪机械结构分析

  根据上述原理,我们设计了如图2所示的机械结构,可实现模拟光源在半球面上的可控移动。

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  如图2所示,该结构外层为一半球型罩,用于屏蔽外界杂散光干扰;下部为圆环盘型底座,其上固定有环形齿条;环形水平导轨位于底座上,在步进电机 1的驱动下为激光管提供方位角调节;带有齿条的半环型垂直导轨连接于水平导轨上,其两端的间距等于水平导轨直径。步进电机2带动激光管在垂直面上运动,为激光管提供俯仰角调节。该结构整体紧凑、重量轻(材料为玻璃钢)、便于安装与运输,使用时不需将告警器从装备上拆下,也不存在检测死角问题。

  步进电机采用常规的2相混合式步进电机,步距角为1.8o。电机1输出轴齿轮与水平导轨齿条的齿数比为1:22.3,电机2输出轴齿轮与垂直导轨齿条的齿数比1:12.5(180o覆盖),故方位角的最小调节量为0.08o,俯仰角的最小调节量为0.072o,满足要求。

  检测仪电路

  本文所设计的告警器检测仪控制电路如图3所示。控制电路的核心为8位Atmel AVR单片机ATmega16[3],具有内部资源丰富、速度快、价格低廉和稳定性高的特点,非常适合于便携式控制设备。图中,IC2为SPI接口12bit串行数模转换器LTC1456,可直接与ATmega16的SPI接口连接,简化了软硬件设计。LD1和LD2分别是输出波长为1.06mm和 1.54mm[4]的激光二极管,作为检测仪的模拟光源,由步进电机M1和M2驱动,运行在图2所示的导轨上。为了实现激光管输出功率的可调,必须对其电流进行控制,故设计了由IC2、运放IC3、场效应管Q和电阻R4构成数控电流源[5]。其工作原理为:单片机根据所需设定的激光输出功率对IC2写入控制字后,VOUT端随即输出相应电压;运放工作时同、反相输入端“虚短”,这一作用必然令Q的源极输出一个电流值,使R4上的电压与IC3同相输入端电压相等,从而实现了电流的数字控制。场效应管栅极电流为零,其源、漏极电流相等,故控制精度高,避免了采用双极型晶体管时控制精度受到基极分流影响的问题。 R4采用温度系数小的精密线绕电阻,减小了温度对电流控制精度的影响,同时具有较强的抗过载能力。由于两种激光管的输出功率——电流曲线不同,故切换激光管时也必须“通知”单片机,以保持正确的电流控制规律,因此设计了S1_1和S1_2构成的联动开关,单片机通过检测PD4上的逻辑电平来判断当前与Q相接的激光管,以调整控制系数。LTC1456具有异步清零端,这就为激光的调制提供了方便:通过设定单片机的定时器中断,使其溢出频率2倍于欲设定的调制频率,对IC2交替进行写入和清零即可。

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  DR1和DR2是2相步进电机驱动器。步进电机运行的步数等于驱动器控制端P接收到脉冲数,而D端是方向控制端;故可控制激光管运行至图2所示半球面上的任意一点。由于步进电机转子的惯性,起步时的输入到P端的脉冲频率不能太高,以防电机失步而使定位控制出现误差。如上文分析,方位角和俯仰角的调节已经足够精细,故不需对步进电机进行细分驱动,节约了成本。

  根据用户要求,该检测仪应能与PC机进行通信,以实现更强的数据处理与操作功能,为此设计了以IC4 MAX232为核心的电平转换器,该芯片在5V工作电压下可产生-10V的负压输出,从而与PC机的RS-232串口实现电平兼容,数据和命令字得以传输。

  在不具备PC的条件下,检测仪通过一个3×3键盘实现功能操作。其工作原理如下:单片机上电后将PB0~PB2配置为低电平,而将PD5~PD7配置为高电平(AVR单片机I/O口为推挽输出,强上拉),此时3输入与门IC5的输出为高电平。当有按键按下时,IC5输入端出现低电平,故输出下降沿,使INT0中断;进入中断服务程序后,首先将PB0~PB2配置为弱上拉输入模式,然后将PD5置低,接着读取PB0~PB2的逻辑电平。由于单片机内部上拉电阻(数十KW) 远大于R1~R3(2KW),因此若K3、K6或K9按下,则必然能在PB0、PB1或PB2读到逻辑0,从而判断出所按下的键号。若未发现 PB0~PB2上有低电平,则说明被按下的键不在此列,恢复PD5的高电平,依次置低PD6和PD7,重复上述过程,直至找到所按下的键。

  LCD 1602液晶用于显示菜单、操作提示和检测结果。

  结语

  激光告警器是一种重要的现代武器装备,本文提出的可调式模拟激光脉冲技术通过控制光源在半球面上的位置、发光功率、波长和调制频率等参数实现了对告警器性能参数的测试。基于该技术研制的激光告警器在线检测仪,具有机械结构紧凑、电路成熟可靠、控制精确、使用方便和功能完善的特点,较传统方法大大提高了效率。

  参考文献:

  [1] 张洁. 激光告警设备的组成和工作原理[J]. 航天电子对抗, 2002(2): 42-46

  [2] 张锦. 国外激光威胁告警器发展现状及评价[J]. 红外与激光, 2008(4): 307-314

  [3] 马潮. AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2007

  [4] 葛强胜, 葛强林, 龚赤坤. 车载激光告警器灵敏度技术指标分析[J]. 兵工学报, 2005.26(4): 473-476

  [5] 马场清太郎(著),何希才(译). 运算放大器应用电路设计[M]. 北京:科学出版社,2007
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