CN117665319B - 一种适用于强自发光自由飞模型的光电探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超高速自由飞模型测量技术领域，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，其中装置包括光幕探测模块、环境探测模块和耦合输出模块；环境探测模块包括第一光电探测光路，第一光电探测光路中的光电探测器用于探测模型到达时的环境光信号；光幕探测模块包括激光光幕和第二光电探测光路，第二光电探测光路中的光电探测器与激光光幕对应设置，用于探测模型到达时遮蔽激光光幕所产生的光信号；耦合输出模块用于将光幕探测模块和环境探测模块输出的两路信号相加、整形，并输出最终的探测信号。本发明能够有效减少环境光影响，提升超高速模型飞行试验中模型探测装置的抗干扰能力。

Description

一种适用于强自发光自由飞模型的光电探测装置及方法

技术领域

本发明涉及超高速自由飞模型测量技术领域，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

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。

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。

发明内容

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。

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：

光幕探测模块、环境探测模块和耦合输出模块；

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；

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；

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；

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。

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；

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。

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；

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；

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。

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；

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；

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；

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；

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；

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。

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；

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；

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；

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；

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。

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；

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。

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；

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；

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。

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。

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：

将各所述光电探测装置间隔设置在靶道中；

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。

可选地，所述的方法还包括：

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。

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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的一种适用于强自发光自由飞模型的光电探测装置电路结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的一种适用于强自发光自由飞模型的光电探测装置电路图；

图3示出了本发明一实施例中原始信号及放大后信号的仿真波形；

图4示出了本发明一实施例中将信号翻转后的仿真波形；

图5示出了本发明一实施例中加法电路仿真信号；

图6示出了本发明一实施例中整形电路仿真信号。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

超高速飞行试验中，当试验模型在靶道内自由飞行，为了获得模型的飞行速度，通常在靶道中从前至后布置多站带有激光光幕的光电探测装置，光电探测装置的工作原理是利用自由飞模型穿过激光光幕时，在相应光电探测器接收面产生光强变化，进而获得探测信号，由此来实现模型的有效探测。但在一定试验条件下，自由飞模型会出现气动加热和光辐射现象，形成模型自发光，模型自发光强度随着试验条件变化而变化，当自发光的模型接近光电探测装置中的激光光幕时，若模型自发光强度超过光电探测装置的接收能力，如模型亮度不小于8W/（sr·cm²），满足强自发光条件，造成光电探测器产生电信号提前饱和，会导致无法获得模型穿越光电探测装置产生的激光光幕的准确时刻。有鉴于此，本发明提供了一种多电路组合的光电探测装置，采用两路光电探测的电路，通过信号耦合，消除强光环境对于光电探测装置的影响，提高自由飞模型非接触探测成功率。

下面描述以上构思的具体实现方式。

请参考图1，本发明针对亮度不小于8W/（sr·cm²）的强自发光自由飞模型，提供了一种适用于强自发光自由飞模型的光电探测装置，包括光幕探测模块、环境探测模块和耦合输出模块；

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；

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，所述第二光电探测光路中的光电探测器用于探测模型到达时遮蔽相应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；

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，即，所述第一光电探测光路与所述第二光电探测光路、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分别采用相同的电路结构及元器件；如图1所示，上路电路（即环境探测模块）和下路电路（即光幕探测模块）相比较，只多了一个信号翻转电路，其他部分功能和器件参数完全一致，作用是对同一个自由飞模型的对象建立相同的处理方法，可降低后端电信号处理的难度；

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。

本发明实施例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，即探测环境光，在模型到达时，将环境辐照光信号转换为电信号，进行放大、滤除直流分量后，只保留交流分量传输至信号翻转电路，在信号翻转电路将电信号进行绝对值翻转，极性为负值的信号特征转换为极性为正值的信号特征，形成第一种电信号；另一路接收激光光幕的照射，属于传统的光幕探测结构，在模型到达时，模型穿过激光光幕造成光电探测器光通量的变化，此时光电探测器将光信号转换为电信号，进行放大、滤除直流分量后，形成第二种电信号；再通过加法进行两路电信号耦合，形成新的电信号后，进行整形，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。并且，电路处理的方式具有探测可靠、响应快速的优势。电路在光电转换、信号放大、信号滤波方面从结构和器件参数上保持一致，可达到结构简单的目的，各个电路按照功能划分为各个功能模块，可达到便于使用和维护的目的。

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；

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。

上述实施例采用两级放大电路，并采用一正一负两种放大模式，可抑制电压信号的漂移，第二级放大电路放大倍数的调节方式可为程控或本地调整。

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，即除了第二光电探测光路中的光电探测器感光表面为开放区域，其他位置采用物理结构对其遮挡，由此可确保只有激光光幕的激光对第二光电探测光路中的光电探测器有效，以避免激光光幕影响到第一光电探测光路中的光电探测器，提高探测精度。

可选地，如图2所示，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。

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。自由飞模型的强自发光照射第一光电二极管D1，产生极性为正的电信号。

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。

第一电容C1的作用是对第三滑动变阻器R3形成快速充放电，提高第一光电二极管D1的频响，使其工作在快速响应状态。第三滑动变阻器R3的作用是调节光电二极管D1的上端工作电压，使其两端的电压差范围在可控调节内。第十电阻R10和第十三电阻R13连接在第一光电二极管D1阳极，第十三电阻R13的作用是取样电阻，形成输入后段电路的电信号电压值，第十电阻R10的作用是限流，其阻抗在不同应用下阻值选择不同。

在一些实施例中，第一电容C1容值可选0.1μF，第三滑动变阻器R3的可变阻值可选15kΩ，第十电阻R10的阻值可选200Ω，第十三电阻R13的阻值可选5kΩ。

第一光电探测光路与第二光电探测光路相同。如图2所示，所述第二光电探测光路中的光电探测器为第四光电二极管D4，所述第二光电探测光路还包括第三电容C3、第二十二滑动变阻器R22、第三十一电阻R31和第三十二电阻R32。

第四光电二极管D4工作在反向偏置模式，第四光电二极管D4的阴极通过并联的第三电容C3和第二十二滑动变阻器R22连接至+12V工作电压VDD_12，阳极通过第三十一电阻R31接地。模型到达前，激光光幕照射在第四光电二极管D4上，自由飞模型到达时，遮挡激光光幕的激光，第四光电二极管D4产生极性为负的电信号。

第三十二电阻R32的一端连接第四光电二极管D4的阳极，另一端为所述第二光电探测光路的输出端，连接所述第二信号放大及滤波电路。

本发明提供的光电探测电路对光通量变化敏感，对高速变化的光信号响应较快，特别适用于超高速自由飞模型探测上。

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；

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，即连接第十电阻R10，信号输入负极通过第八电阻R8接地；

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；

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；

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；

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。

第一运算放大器U1的作用，是将电信号进行同向放大，由第一电阻R1、第二电阻R2、第四电阻R4组成增益电阻，实现不同的放大增益调节。第九电阻R9、第十四电阻R14与第二电容C2组合形成滤波电路，作用是隔离电信号中的直流分量导通电信号中的交流分量，再传送给第二运算放大器U2进行反向放大。两级放大极性相反的作用是抑制信号漂移，优点是可以避免电信号的静态电压时钟处于0V附近，只有当探测到自由飞模型时才对第一光电二极管D1和第四光电二极管D4产生的光通量变化敏感，达到探测可靠的目的。

在一些实施例中，第一运算放大器U1、第二运算放大器U2的型号可选AD844，第一电阻R1的阻值可选75Ω，第二电阻R2的阻值可选204Ω，第四电阻R4的阻值可选714Ω，第八电阻R8的阻值可选51Ω，第九电阻R9的阻值可选51Ω，第二电阻C2的容值可选0.1μF，第十四电阻R14的阻值可选510Ω，第五电阻R5的阻值可选510Ω。

第一信号放大及滤波电路与第二信号放大及滤波电路相同。所述第二信号放大及滤波电路中，第一级放大电路包括：第五运算放大器U5、第二十九电阻R29和增益电阻；

第五运算放大器U5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二光电探测光路的输出端，信号输入负极通过第二十九电阻R29接地；

增益电阻包括第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十三电阻R23、第三开关S3和第四开关S4，第二十电阻R20、第二十一电阻R21和第二十三电阻R23通过第三开关S3和第四开关S4构成可选择通路，一端连接第五运算放大器U5的信号输入负极，另一端连接第五运算放大器U5的输出端；其中，第二十电阻R20、第二十一电阻R21和第二十三电阻R23一端均连接第五运算放大器U5的信号输入负极，另一端为可选连接端，第三开关S3可选连接第二十电阻R20或第二十一电阻R21，第四开关S4可选连接第三开关S3或第二十三电阻R23；

滤波电路包括第三十电阻R30、第三十三电阻R33和第四电容C4，第三十电阻R30的一端连接第五运算放大器U5的输出端，另一端连接第四电容C4，第四电容C4的另一端连接第二级放大电路，并通过第三十三电阻R33接地；

第二级放大电路包括第六运算放大器U6、第二十四电阻R24和第三十六电阻R36；

第六运算放大器U6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三十六电阻R36接地，信号输入负极连接第四电容C4，并通过第二十四电阻R24连接第六运算放大器U6的输出端。所述第一光电探测光路与所述第二光电探测光路采用相同的电路结构及元器件，器件的选择不再重复说明。

图3示出了本发明一实施例中原始信号及经过第一信号放大及滤波电路放大后信号的仿真波形。图3中以直线表示原始信号，圆点直线表示放大后信号，从仿真结果可知放大电路产生的放大增益为6倍，因为在常规的超高速自由飞模型探测中，受到探测视场、光电转换快速响应等条件限制，光电探测器能感应的光电流并不强，需要先将有效探测信号通过对应电路进行低噪声放大，提高有效探测信号的信噪比。

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；

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；

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；

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；

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。

反向放大后的电信号传送给第三运算放大器U3和第四差分放大器U4组成实现半波整流功能的信号翻转电路，将电信号中的极性为负的信号转换为极性为正的信号，优点是可以实现自由飞模型刚进入探测视场就可以瞬间被探测到，达到快速响应的目的。在一些实施例中，第三运算放大器U3的型号可为THS4001CD，第四差分放大器U4的型号可为AD830AN，第二二极管D2和第三二极管D3的型号可选1N4471，第六电阻R6的阻值可选1kΩ，第七电阻R7的阻值可选10Ω，第十一电阻R11的阻值可选10kΩ，第十二电阻R12的阻值可选10Ω，第十六电阻R16至第十九电阻R19的阻值可选1kΩ。

图4示出了本发明一实施例中将信号翻转后的仿真波形，将放大后信号进行翻转处理，将负电平电压转换为正电平电压，图4中以圆点直线表示放大后信号，方框直线表示进行翻转处理得到的翻转后信号。在实际的试验条件下，电路设计为环境探测模块中响应强光照射的光电探测器经第一信号放大及滤波电路后生成负电平电压信号，此时的负电平电压对测试结果是无效的，需要处理掉。

可选地，如图2所示，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；

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。

采用上述实施例，能够将两路电信号耦合生成新的电信号。在一些实施例中，第七运算放大器U7的型号可选AD844，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的阻值可选1kΩ。

图5示出了本发明一实施例中加法电路仿真信号，图5以圆点直线表示放大后信号，方框直线表示翻转后信号，三角直线表示加法后信号，加法电路将一路光电探测器接收到的光干扰信号和一路光电探测器接收到的模型探测信号进行加法处理，进一步将强光干扰产生的电信号翻转后的相位与模型探测信号的相位相加，得到干净加法后信号。

可选地，如图2所示，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；

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；

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。

通过整形电路，可将耦合的电信号进行整形并输出。进一步地，高速比较器U8输出的信号后段可连接斯密特触发电路，进一步将数字信号整形为标准方波型号。

在一些可选的实施例中，高速比较器U8的型号可选LM311PWR，第二十七电阻R27的阻值可选10Ω，第三十五电阻R35的阻值可选1kΩ，第三十八滑动变阻器R38的总阻值可选1kΩ，第三十九电阻R39的阻值可选100Ω。

图6示出了本发明一实施例中整形电路仿真信号，图6以三角直线表示加法后信号，直线表示最终输出的整形后信号，整形电路将加法后信号整形为标准方波信号，共负载使用。

一些实施例中，为实现快速响应，第一光电二极管D1、第四光电二极管D4的频率响应≥20MHz，第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第五运算放大器U5、第六运算放大器U6、第七运算放大器U7的压摆率可选2000V/us，第三运算放大器U3的压摆率可选400V/us，第四差分放大器U4的压摆率可选360V/us，高速比较器U8的响应时间可选200ns。整个光电探测装置电路的响应时间≤1us。

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实施例所述的光电探测装置实现，该方法包括如下步骤：

步骤100，将各所述光电探测装置间隔设置在靶道中；

步骤102，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，由此实现对强自发光环境下的电信号处理，实现有效探测，获得准确的模型到达时刻。

采用上述实施例，能够对超高速飞行的强自发光模型进行准确的到达时刻探测。

进一步地，该方法还包括：

步骤104，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。

采用上述实施例，能够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。

综上，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，本发明的光电探测装置将模型自发光产生的电信号与激光光幕遮挡产生的电信处理后耦合得到具有新特征的电信号，由此实现强自发光环境的自由飞模型探测，采用电路结构实现，具有探测可靠、响应快速、结构简单、便于使用和维护的特点，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，提高自由飞模型非接触探测成功率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种适用于强自发光自由飞模型的光电探测装置，其特征在于，包括：

光幕探测模块、环境探测模块和耦合输出模块；

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；

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；

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；

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；

其中，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；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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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。

2.根据权利要求1所述的光电探测装置，其特征在于，

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；

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；

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。

3.根据权利要求1所述的光电探测装置，其特征在于，

所述第二光电探测光路中的光电探测器周向设有遮挡。

4.一种适用于强自发光自由飞模型的光电探测方法，其特征在于，采用多个如权利要求1-3中任一项所述的光电探测装置实现，该方法包括如下步骤：

将各所述光电探测装置间隔设置在靶道中；

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。

5.根据权利要求4所述的光电探测方法，其特征在于，还包括：

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。