一种适用于强自发光自由飞模型的光电探测装置及方法与流程

本发明涉及超高速自由飞模型测量，特别涉及一种适用于强自发光自由飞模型的光电探测装置及方法。

背景技术：

1、在室内靶场的自由飞模型速度测量试验中，由于试验模型高速自由飞行，且有效飞行距离短，该模型的试验特征为：实际飞行弹道未知、实际飞行速度快，且实际在空中滞留时间短。目前，通常采用在金属罐体形成的靶道上间隔安装多个非接触光电探测装置的方式，利用光电效应对模型到达各光电探测装置的时刻进行实时采集，再依据相邻两个光电探测装置的已知安装距离和实时采集时刻差，计算出模型的区间平均飞行速度。同时，可通过光电探测器的采集时刻、实测速度及速度偏差，预估出模型到达下一个测试区域的准确时间，促使其他测试设备完成数据采集。

2、在超高速飞行试验中，由于试验条件特殊，自由飞模型会出现气动加热和光辐射现象，即转为强自发光模型，这会在靶道内引入强光干扰，可能造成光电探测装置误触发或强光饱和，严重影响光电探测装置准确测量模型到达时刻。

技术实现思路

1、基于现有光电探测装置难以准确测量强自发光自由飞模型实际到达时刻的问题，本发明提供了一种适用于强自发光自由飞模型的光电探测装置及方法，能够有效提升超高速模型飞行试验中模型探测装置的抗干扰能力。

2、第一方面，本发明提供了一种适用于强自发光自由飞模型的光电探测装置，包括：

3、光幕探测模块、环境探测模块和耦合输出模块；

4、所述环境探测模块包括依次连接的第一光电探测光路、第一信号放大及滤波电路和信号翻转电路；所述第一光电探测光路包括光电探测器，用于探测模型到达时的环境光信号，所述第一信号放大及滤波电路用于对所述第一光电探测光路输出的信号进行放大并滤除直流分量，所述信号翻转电路用于对所述第一信号放大及滤波电路输出的信号进行翻转；

5、所述光幕探测模块包括激光光幕、第二光电探测光路和第二信号放大及滤波电路；所述第二光电探测光路包括光电探测器，与所述激光光幕对应设置，用于探测模型到达时遮蔽激光光幕所产生的光信号；所述第二信号放大及滤波电路用于对所述第二光电探测光路输出的信号进行放大并滤除直流分量；

6、所述第一光电探测光路中的光电探测器与所述第二光电探测光路中的光电探测器位于靶道同一纵截面上，以便在模型到达时同时探测信号；所述第一光电探测光路与所述第二光电探测光路相同，所述第一信号放大及滤波电路与所述第二信号放大及滤波电路相同；

7、所述耦合输出模块包括依次连接的加法电路和整形电路；所述加法电路与所述信号翻转电路和所述第二信号放大及滤波电路的输出端连接，用于将所述光幕探测模块和所述环境探测模块输出的信号相加，所述整形电路用于对所述加法电路输出的信号进行整形，并输出最终的探测信号。

8、可选地，所述第一信号放大及滤波电路和所述第二信号放大及滤波电路均包括依次连接的第一级放大电路、滤波电路和第二级放大电路；

9、其中，第一级放大电路用于将输入的电压信号进行正向放大，并输出至滤波电路，滤波电路用于滤除放大后的电压信号中的直流分量，并输出至第二级放大电路，第二级放大电路用于将滤波后的电压信号进行反向放大后输出。

10、可选地，所述第一光电探测光路中的光电探测器为第一光电二极管d1，所述第一光电探测光路还包括第一电容c1、第三滑动变阻器r3、第十电阻r10和第十三电阻r13；

11、第一光电二极管d1工作在反向偏置模式，第一光电二极管d1的阴极通过并联的第一电容c1和第三滑动变阻器r3连接至+12v工作电压vdd_12，阳极通过第十三电阻r13接地；

12、第十电阻r10的一端连接第一光电二极管d1的阳极，另一端为所述第一光电探测光路的输出端，连接所述第一信号放大及滤波电路。

13、可选地，所述第一信号放大及滤波电路中，第一级放大电路包括：第一运算放大器u1、第八电阻r8和增益电阻；

14、第一运算放大器u1的正供电端连接+12v工作电压vdd_12，负供电端连接-12v的负电源vee_-12，信号输入正极连接所述第一光电探测光路的输出端，信号输入负极通过第八电阻r8接地；

15、增益电阻包括第一电阻r1、第二电阻r2、第四电阻r4、第一开关s1和第二开关s2，第一电阻r1、第二电阻r2和第四电阻r4通过第一开关s1和第二开关s2构成可选择通路，一端连接第一运算放大器u1的信号输入负极，另一端连接第一运算放大器u1的输出端；其中，第一电阻r1、第二电阻r2和第四电阻r4一端均连接第一运算放大器u1的信号输入负极，另一端为可选连接端，第一开关s1可选连接第一电阻r1或第二电阻r2，第二开关s2可选连接第一开关s1或第四电阻r4；

16、滤波电路包括第九电阻r9、第十四电阻r14和第二电容c2，第九电阻r9的一端连接第一运算放大器u1的输出端，另一端连接第二电容c2，第二电容c2的另一端连接第二级放大电路，并通过第十四电阻r14接地；

17、第二级放大电路包括第二运算放大器u2、第五电阻r5和第十五电阻r15；

18、第二运算放大器u2的正供电端连接+12v工作电压vdd_12，负供电端连接-12v的负电源vee_-12，信号输入正极通过第十五电阻r15接地，信号输入负极连接第二电容c2，并通过第五电阻r5连接第二运算放大器u2的输出端。

19、可选地，所述信号翻转电路包括：第三运算放大器u3、第四差分放大器u4、第二二极管d2、第三二极管d3、第六电阻r6、第七电阻r7、第十一电阻r11、第十二电阻r12以及第十六电阻r16至第十九电阻r19；

20、第十一电阻r11一端连接第二运算放大器u2的输出端，另一端连接第三运算放大器u3的信号输入正极；

21、第三运算放大器u3的正供电端连接+9v工作电压vdd_9，负供电端连接-9v的负电源vee_-9；

22、第二二极管d2的阴极通过第六电阻r6连接第三运算放大器u3的信号输入负极，并通过第七电阻r7连接第四差分放大器u4的1号输入端；第二二极管d2的阳极连接第三运算放大器u3的输出端，并连接第三二极管d3的阴极；第三二极管d3的阴极通过第十七电阻r17连接第三运算放大器u3的信号输入负极，并通过第十二电阻r12连接第四差分放大器u4的2号输入端；

23、第四差分放大器u4的正供电端连接+9v工作电压vdd_9，负供电端连接-9v的负电源vee_-9；第四差分放大器u4的3号输入端通过第十八电阻r18接地，4号输入端通过第十九电阻r19接地，并通过第十六电阻r16连接第四差分放大器u4的输出端。

24、可选地，所述加法电路包括第七运算放大器u7、第二十五电阻r25、第二十六电阻r26、第二十八电阻r28、第三十四电阻r34和第三十七电阻r37；

25、第七运算放大器u7的正供电端连接+12v工作电压vdd_12，负供电端连接-12v的负电源vee_-12，信号输入正极通过第二十八电阻r28连接第四差分放大器u4的4号输入端，并通过第三十四电阻r34连接第六运算放大器u6的输出端，信号输入负极分别通过第二十五电阻r25、第三十七电阻r37接地，并通过第二十六电阻r26连接第七运算放大器u7的输出端。

26、可选地，所述整形电路包括高速比较器u8、第二十七电阻r27、第三十五电阻r35、第三十八滑动变阻器r38和第三十九电阻r39；

27、第三十八滑动变阻器r38和第三十九电阻r39串联，第三十八滑动变阻器r38连接+5v工作电压vdd_5，第三十九电阻r39接地；

28、高速比较器u8的正供电端连接+12v工作电压vdd_12，负供电端连接-12v的负电源vee_-12，信号输入正极连接第七运算放大器u7的输出端，信号输入负极连接第三十八滑动变阻器r38的滑动端，高速比较器u8的集电极输出端通过第二十七电阻r27连接+5v工作电压vdd_5，发射极输出端通过第三十五电阻r35接地，并引出输出端out，用于输出最终的探测信号。

29、可选地，所述第二光电探测光路中的光电探测器周向设有遮挡。

30、第二方面，本发明还提供了一种适用于强自发光自由飞模型的光电探测方法，采用多个如上述任一项所述的光电探测装置实现，该方法包括如下步骤：

31、将各所述光电探测装置间隔设置在靶道中；

32、在靶道中发射超高速自由飞模型，并利用各所述光电探测装置分别测量超高速自由飞模型到达各所述光电探测装置的实际时刻；其中，各所述光电探测装置用于将环境光信号与遮蔽激光光幕所产生的光信号对应的电信号进行耦合，输出探测信号。

33、可选地，所述的方法还包括：

34、根据测得的实际时刻及相应光电探测装置在靶道中的位置，解算超高速自由飞模型的实际平均速度。

35、本发明提供了一种适用于强自发光自由飞模型的光电探测装置及方法，本发明采用两路光电探测的电路，其中一路用于接收模型自发光照射，另一路接收激光光幕的照射，当自发光模型到达光电探测装置，同时被两路电路中的光电探测器采集并分别产生电信号，再将两路电信号耦合，得到最终的探测信号，从而尽量消除强光环境对于光电探测装置的影响，实现强光干扰下超高速自由飞模型的非接触探测。