基于光电开关模型的坐标传感器设计

基于光电开关模型的坐标传感器设计
曹勇;张宇;付静
【摘要】针对光栅靶中存在的标校问题,采用了光电坐标传感器,详细分析了坐标传感器的原理；构建了光电开关模型,回避了光电管亮度和发射角的一致性问题,并对坐标传感器进行了线性化分析和校正,取得了良好的改善效果.通过实验证明传感器的设计方案优化、参数选取合理、设计指标实用,具有使用安全、成本低的优点,有效提高了报靶的测试精度.%Aiming at the calibration problem existing in the grating target,photoelectric coordinate sensors are designed and applied. By describing the principle of photoelectric coordinate sensors in detail,photoelectric switch model is set up. The scheme avoids the requirements which ask for the radiation brightness and the emission angle to be uniform. Experimental results proved that the scheme of the coordinate sensor is feasible and the parameters selected are reasonable. The design has the advantages of easy making,high precision and low cost. The shot indicating precision is effectively improved.
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2011(041)009
【总页数】4页(P1019-1022)
【关键词】光栅靶;坐标传感器;光电开关模型;线性化;标校
【作者】曹勇;张宇;付静
【作者单位】装甲兵工程学院控制工程系,北京100072;装甲兵工程学院控制工程系,北京100072;北京跟踪通信技术研究所,北京100094
【正文语种】中文
【中图分类】TN242
传统的报靶主要依靠人工实现，存在精度不高、安全隐患较大及人力资源浪费的不足［1］。

目前较先进的光栅靶报靶系统不依赖靶纸，不依赖于环境，并且精度高、成本较低［2］。

报靶系统的坐标定位原理图如图1所示。

图1中光源为激光器，探测器为光敏二极管，箭头表示激光发射器形成一对一的
激光发射接收对。

水平方向以X坐标轴表示，垂直方向以Y坐标轴表示，X轴的
激光束和Y轴的激光束垂直交叉形成网状光栅平面。

打靶时，所有的激光器都处
于发射状态，光敏二极管都处于工作状态。

当弹丸击中靶板穿过激光束组成的光幕时，会遮挡住某水平、垂直方向的激光束，使接收装置（光敏管）的开关状态发生变化，通过对光敏管开关状态进行编码，可记录弹丸穿过时对应的光敏管状态，对该信号进行处理可得到弹着点坐标和环数［3-4］。

在坐标定位的方式中，由于激光具有准直性好的优点，当一对激光发射、接收器对准时形成如图1所示光栅。

然而，光栅靶在具体的实现中，由于光学系统、机械
结构的精度原因，发射器和接收传感器很难达到严格意义的对准。

对激光发射器进行机械校准后，在相距0.5m处的接收光斑如图2所示。

分析产生图2所示的接收结果，主要是因为每个激光管自带的光学系统存在偏差。

虽然对激光发射器和接收传感器逐一进行手工机械校准能减小偏差，但是，对于大量的光栅，工作量很大，增加了设计成本；若采用高精度的光学系统和机械结构，成本更高，且经过校直对准后未必能达到理想效果。

可见，光栅靶的标校问题将直接影响报靶系统的报靶质量及其推广应用。

本文采用大发射角的红外发光管代替激光器形成光幕，以回避激光发射器和接收传感器的对准问题，如图3所示。

光栅靶的光源由多个红外发光管紧密排列而成，由光的直线传播和叠加原理可知，光幕靶的光强分布，当激光管间距达到一定值时，可近似认为是均匀的。

图4为
多个红外发光管组成的发射光幕的实测光强分布。

当弹丸穿过靶区，与弹丸位置K对应的若干个光电传感器接收的光强均有不同程
度的变化，其中与弹丸正对的光电传感器S的光强变化最大，输出电压信号最大；其他光电传感器距离S越远，输出信号电压就越弱。

输出电压随位置X变化关系，如图5所示。

从原理上说，只要能测量出X和Y方向输出电压最高的位置坐标，即可计算出弹
丸的弹着点坐标和环数。

4.1 光幕靶存在的问题
上述采用大发射角的红外发光管构成光幕，虽然回避了发射器和接收传感器的对准问题，但同时也存在如下问题：
（1）当弹丸穿过光幕时，会在对应区域的多个接收器上形成强弱不同的输出信号，由于多光束的照射，使弹丸过靶产生的光强变化幅度减小，因此对光电传感器的灵敏度及一致性的要求较高。

（2）随弹丸K过靶位置的不同，被遮挡的光电接收器的数量p随之变化，必须同时由X和Y方向被遮挡的光电接收器的数量和坐标才能确定弹丸过靶位置。

（3）为了获得弹丸的位置，必须同时对X方向和Y方向所有接收器的输出电压进行采样，而且由于弹丸飞行速度较高，对数据采集系统的采样通道数、采样频率、数据存储和信号判断等处理提出了很高的要求。

4.2 光电开关模型的提出
为了简化数据采集和降低对数据采集系统的要求，采用基于取样电阻网络的光电坐
标传感器，如图6所示。

坐标传感器，使输入到电阻网络的开关量转化为模拟量，从取样电阻网络两端输出，从而使弹丸着靶信号的多路数字信号检测简化为两路模拟信号的检测，即将多通道数据采集简化为双通道数据采集，使光幕靶多通道高速数据采集问题得以实现，但前提是要有理想的光电开关，将光电模拟信号转换为数字开关量，即将弹丸过靶时遮挡光线产生的光强变化视为开关量0和1。

理想的光电开关模型如图7（a）所示，当有光照射时开关开路，光线被遮挡时，
开关闭合导通，简化的光电开关模型如图7（b）所示。

4.3 光电开关模型的实现
可以看出在光电坐标传感器的设计中，光电开关模型的构建是关键问题之一，设计中采用光电检测、高频耦合、选频放大及开关驱动等部分构建光电开关模型，原理如图8所示。

光电管Q1接收的光电信号经高频耦合电容C进入选频放大电路U1。

选频放大器
U1是一个高增益的窄带滤波器，由弹速（600～1000m/s）和弹长（5～8mm）不难确定其频率特性：中心频率f0＝85.476 kHz，增益Av＝39.2dB，选频带宽Bw＝5.6 kHz，如图9所示。

电路对弹丸过靶信号的起到良好的筛选作用，而对
于背景辐射，由于其变化频率远低于电路选通频率，因而被有效地抑制。

光电信号经选频及高增益放大后，驱动MOS开关。

MOS管Q2可等效为压控电
子开关，其开路阻抗很高（＞1mΩ），只要输入信号电压超过器件的开关参数就
可导通（导通电阻＜10mΩ），完全满足设计要求。

由于光电开关电路采用高增益窄带选频及压控型MOS管开关电路，所以对选频范围内的光强变化具有极高的灵敏度，可等效为光电流控制的高增益窄带光电开关（如图7所示），回避了对发光管亮度及发射角的一致性要求。

4.4 同步触发电路及高速采样保持电路设计
弹丸过靶时，光电坐标传感器的输出信号为宽度极窄的脉冲（若弹速700m/s，弹长5mm，弹丸过靶时间约为7.1μs）。

为了得到准确的弹丸位置，需要设计弹着
点信号的同步触发电路和采样时间很短的高速采样保持电路。

高速采样保持电路主要用于对高速窄脉冲信号进行可靠地采集，其原理框图如图
10所示，图中（a）～（d）信号的波形如图11所示。

弹丸过靶时，光电管的光强变化引起光电开关的导通，坐标传感器的电阻网络左右两端输出脉冲信号，如图11（a）所示。

这一信号，经窄带选频高增益放大电路放大后输入到触发电路，如图11（b）所示。

同步触发电路主要用于产生高速采样
保持脉冲，同步触发电路是由组合逻辑电路、时序逻辑电路构成，主要完成对信号的求极值运算，其输出为同步于弹丸过靶信号的同步触发信号，如图11（c）所示。

其中，上升沿S用来触发采样电路进行信号采样，高电平H用来控制采样电路的
数据保持，保持时间经触发电路展宽为t。

这一信号控制高速采样/保持电路对过
靶信号（Vx1，Vx2，Vy1，Vy2窄脉冲模拟信号）进行采样/保持，采样/保持电
路输出信号如图11（d）所示。

这一信号展宽后供单片机进行A/D采集、转换、处理，单片机对得到的弹丸着靶
位置坐标（XI，YJ）进行编码处理及存储，待射击结束后通过无线通信模块，完成数据的传递。

当弹丸上靶时，必须使Vx1和Vx2输出的电压信号在0～5 V之间变化，以供单
片机系统进行采集，因此，要对定位电阻R1，…，Rn和采样电阻R0的阻值进行设计，使坐标传感器线性化，并对弹着点位置有较高的分辨率。

定位电阻R1，…，Rn的阻值相同均为R时，可以使相邻的光电管输出电压有明显的线性变化，通过多次调整，设计合适的R，R0，根据公式（1）和（2），计算
出弹丸着靶位置处的第n个光电管Qn，坐标传感器的输出信号Vx和光电管位置
线性关系如图12所示。

同时考虑到红外光电管发出的是有一定发射角的光线，弹丸着靶时，存在p个光电管同时导通的情况，以p＝10为例，重叠导通时的输出信号Vx和光电管位置线性关系如图13所示，线性图分为三段，每段的线性度很好，较好地满足了要求。

针对光栅靶中存在的标校问题，采用了光电坐标传感器，回避了发射器和接收传感器的对准性问题；设计了高灵敏度光电开关，构建了光电开关模型，回避了发光管亮度和发射角的一致性问题，并且通过对电阻网络进行线性化设计，有效提高了测试精度。

基于光电开关模型的坐标传感器具有原理简单，精度高、成本低的优点。

通过实验证明传感器的设计方案优化、参数选取合理、设计指标实用。

可广泛应用于军事训练中的实弹射击报靶，以及普通体育比赛和游乐场中的射击报靶［7］，具有良好的应用前景。

【相关文献】
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