枪口火光探测系统研究∗

付永升 雷秉山 闫克丁

（西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021）

枪口火光探测系统研究∗

付永升 雷秉山 闫克丁

（西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021）

针对枪口火光探测系统中存在的探测灵敏度低及系统信噪比低的主要问题，论文基于PBS探测器主要研究火光探测系统中的前端探测系统。建立了探测器遇到火光时的数学模型，通过分析探测器前端的电压变化量，求得有最大电压变化时的最佳匹配电阻，以便提高探测灵敏度与系统的信噪比。论文根据选择的PBS探测器，经过对12.7mm步枪枪口火光的探测证明了最佳匹配电阻数学模型的正确性。

枪口信号；枪口触发器；灵敏度；SNR PBS探测器

1 引言

子弹飞离枪口伴随有大量的火药气体冲出形成枪口火焰［1～2］，通过相关传感器将这一火光的非电量信号转换成电量信号，再经过放大、整形、驱动、滤波等处理，将其转换成幅值、脉宽固定的脉冲信号，这一信号即为枪口信号［3］。此信号经过相应处理，输出给外弹道测试设备以便统一外弹道多密集度测试系统的时间基准，为后续子弹飞行姿态的计算与弹丸密度的分布、空间坐标等奠定基础［4］。

常用的枪口信号产生装置大多是采用断靶线［5］。此方法安全性差，且影响弹丸在空中的飞行姿态。或者是利用枪口磁场分布规律检测枪口信号，但此方法受到环境影响比较大，测量不是很准确［6］，故在一些特定场合是不适用的。而最新的枪口信号由枪口的火光信号产生，但主要存在探测距离近的问题［7～8］。因此设计一种高灵敏度、高信噪比、探测距离远的非接触式枪口触发系统是弹道测试中必须具备的。

2 PBS探测器性能与参数

子弹飞离枪口时周围会产生火焰信号形成枪口焰，枪口火焰发出的光大部分属于红外的近红外区和中红外区，其中最小的辐射波长是0.94μm，最大的辐射波长由SO2发射出的是8.69μm。但其中52%的能量在0.94μm～2.5μm之间。所以选择的光电探测器所能接受的辐射波长在0.94μm～3μm之间，能接受60%的火光能量［9～10］。硫化铅探测器基本能满足以上要求。图1为某型号PBS红外探测器的阻值与其温度关系曲线。

图1 Pbs红外探测器阻值与温度关系曲线

由图1可知：PBS探测器的内阻值随着测试环境温度的增加而下降，内阻值呈指数函数上升，并且在一般的生活环境中，内阻值在200k～500k之间。

3 火光信号的提取

火光信号的提取与放大原理图如图2：可知电路运行的主要因素在于A点电压瞬间变化的大小，如果A点电压太小，输出的电压将可能被噪声信号淹没，无法得到有效信号。所以设计电路尽可能地将A点瞬间变化的电压值越大越好，以便于噪声信号的分离，提高系统的可靠性［11～12］。

影响A点电压瞬间变化的主要因素是电阻R1的取值，如图2。

图2 火光信号采集电路

假设：当PBS探测器没有受到光照时其内阻值为Rn。此时A点的电压值为U1。当PBS探测器受到红外光的照射时其内阻值为Rm。此时A点的电压值为U2。

由PBS探测器性能可知Rn大于Rm。所以U1大于U2，此刻A点的电压瞬变量为∆U=U1-U2。

式中：U为外接电压值，即为VCC+，单位V。R1，Rn，Rm单位都为欧姆。

当外接电源一定，且PBS探测器接收到的红外光一定的情况下，要是系统有很高的灵敏度和较高的抗干扰能力，要求∆U取得极大值，那么R1为何值时才能使∆U取得极大值？

以上式（1）∆U为函数，R1为其自变量，对R1求偏导数可得：

要使∆U取得极大值，只有∆U对R1的偏导数等于0。

所以当PBS探测器受到红外光照内阻值变化不大时可以取R1=Rn。即PBS探测器的匹配电阻可以选择与探测器的暗电阻相当的电阻值，而且Rn的阻值容易测定，方便于做实验。

4 最佳匹配电阻实验与仿真分析

4.1 探测器匹配电阻实验

由于探测器的暗电阻值在试验中容易测得，如图3。

图3 探测器内阻测试图

在A点用示波器DC耦合可直接读出A点的电压值，根据欧姆定律可计算出PBS的暗电阻值：

其中Rn为PBS探测器暗电阻，U为电源电压VCC+的值，单位V。

图3是R1为240k，外接电源为12V时，示波器使用DC耦合用小炮做实验时经过适当放大后得出的波形图，由图3可知PBS探测器的暗电阻大约为240k左右。

图4 探测器内阻值测试波形

4.2 探测器匹配电阻仿真分析

通过上图3匹配电阻 R1分别取210k，240k，270k，300k，330k，360k，390k，420k几个阻值时，通过对12.7mm枪口火焰提取的实验得到如图5所示几个典型波形。

图5 探测器性能测试波形图

图5 所示以上图形，由式（3）计算可得当外部匹配电阻分别为

表2 探测器内阻值测试结果

由式R1=Rm可得最佳的外接匹配电阻值如图6：

图6 最佳外接电阻值拟合曲线

图6 中☆为当外部匹配电阻不同时由式（3）计算所得的最佳外部匹配电阻，□是将其进行线性拟合以后的外接匹配电阻值。

由以上可得知当红外光辐射量一定且与12.7mm枪口焰强度相近时探测器受光照时的内阻在225.7k～227.6k之间。Rm取当探测器有红外光照时电阻的平均值：（225.7+226.8+225.7+226.6+226.9+226.1+227.6+227.2）/8=226.5k

即：取 Rn=240k，Rm=226.5k时，通过 R1在210k、240k、270k、300k、330k、360k、390k、420k 取值画出压差的图形如图7。

图7 压差值与外接电阻值关系图

由图7可知：其在外接匹配电阻为240k时由最大压差值可以达到199mv，其电阻值与以上推论复合，且幅值接近实验波形。

5 结语

由以上原理图搭建的电路以12.7mm机枪产生的火光信号作为探测目标，探测距离可达到10m以外，且有较高的灵敏度和抗干扰力，满足靶场的实验要求。

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System Research Based on Muzzle Flame

FU Yongsheng LEI Bingshan YAN Keding
（School of Electronic Information Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710032）

Focused on the problem of low sensitivity and low signal to noise ratio（SNR）in the detection system of muzzle flame，this paper mainly researches froe-end detection circuit of muzzle detection system which is based on PBS detector.The math⁃ematical model of the detector is established and through analyzing the voltage change ratio at front of the detector，the best match⁃ing resistance has obtained with the maximum voltage change ratio，which is improve the detection sensitivity and SNR of the sys⁃tem.The paper chooses the PBS detector and best matching resistance mathematical model is proved by detecting the flame of 12.7mm rifle.

muzzle signal，muzzle trigger，sensitivity，SNR，PBS Detector

Class Number TN215

TN215

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.12.019

2017年6月20日，

2017年7月23日

国家自然科学基金项目“弹道多目标参数测量与识别方法及目标光学特性研究”（编号：61575155）；校长基金项目（编号：XAGDXJJ5013）；西安工业大学科研创新团队建设计划资助。

付永升，男，硕士，助教，研究方向：检测与控制、电源系统设计等。雷秉山，男，博士研究生，助教，研究方向：探测与制导、红外与激光检测等。闫克丁，男，博士，讲师，研究方向：检测与控制、大数据融合等。