二維光幕破片動(dòng)能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張虎威，李錦明，高文剛，郭　淳

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西　太原 030051）

二維光幕破片動(dòng)能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張虎威1，2，李錦明1，2，高文剛1，2，郭淳1，2

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

針對(duì)飛行破片目標(biāo)多、速度快、體積小以及測(cè)試環(huán)境中光強(qiáng)高、電磁干擾強(qiáng)的測(cè)試難點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種非接觸式的二維光幕破片動(dòng)能測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）作為核心控制器，利用高精度ADC與NAND Flash存儲(chǔ)器采集并存儲(chǔ)相互正交的光幕傳感器的輸出信號(hào)，并將數(shù)據(jù)通過USB接口回讀到上位機(jī)進(jìn)行分析，提取出破片的速度與體積信息，進(jìn)而得到破片的動(dòng)能。最后通過氣槍彈實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：該方案解決傳統(tǒng)一維光幕測(cè)試系統(tǒng)只能測(cè)量旋轉(zhuǎn)對(duì)稱破片動(dòng)能的問題，利用二維正交光幕有效地測(cè)量非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱破片的動(dòng)能信息，具有一定的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

破片動(dòng)能；二維光幕；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱

0　引言

彈藥最主要的目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高效毀傷，其中破片的殺傷是最主要的毀傷方式，飛行破片的動(dòng)能是評(píng)估毀傷能力的主要參數(shù)［1］。由于破片戰(zhàn)斗部的殼體材料在爆炸過程中的瞬態(tài)非常復(fù)雜，且隨著新型兵器向精確打擊、高效毀傷方向的發(fā)展，對(duì)破片戰(zhàn)斗部毀傷能力的測(cè)量要求也越來越高［2-3］。早期的多普勒雷達(dá)測(cè)量、高速攝影測(cè)量以及網(wǎng)靶測(cè)量等測(cè)量手段已經(jīng)逐漸不能滿足復(fù)雜環(huán)境下高精度的測(cè)量要求。隨著光幕傳感器精度的不斷提高，以及憑借其抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量目標(biāo)多的優(yōu)點(diǎn)，使得通過光幕測(cè)量破片群的動(dòng)能成為可能［4-5］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)測(cè)量方法的研究正在由一維光幕向多維光幕發(fā)展，文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］均提出了由多維光幕測(cè)量彈丸飛行參數(shù)的方法，通過光幕靶擺放的位置和方位建立數(shù)學(xué)模型，可以準(zhǔn)確地測(cè)量穿靶物體的飛行參數(shù)，這種測(cè)量方法已經(jīng)在許多靶場(chǎng)測(cè)試中得到了應(yīng)用。

本文利用光幕傳感器以及FPGA對(duì)二維光幕破片動(dòng)能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)利用上位機(jī)分析和處理所采集到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行破片動(dòng)能的有效測(cè)量。

1　二維光幕測(cè)量原理

要測(cè)量破片的動(dòng)能，不僅需要測(cè)量破片的速度，還需要測(cè)量破片的體積。通過測(cè)量飛行破片經(jīng)過兩個(gè)光幕靶的時(shí)間可以得到破片的速度信息；通過分析相互正交的兩個(gè)光幕傳感器的輸出數(shù)據(jù)可以得到破片的體積信息［8］。

1.1速度測(cè)量方案

系統(tǒng)采用區(qū)截測(cè)速原理對(duì)破片速度進(jìn)行測(cè)量，區(qū)截裝置由兩個(gè)光幕靶組成［9-10］。分別記錄飛行破片通過兩個(gè)光幕靶的時(shí)間，計(jì)算其差值，依據(jù)公式：

式中：S——光幕靶1與光幕靶2之間的距離；

t1、t2——破片通過光幕靶1與光幕靶2的時(shí)間。便可計(jì)算出破片經(jīng)過兩個(gè)光幕靶時(shí)的平均速度，即該區(qū)域中點(diǎn)的瞬時(shí)速度。

1.2體積測(cè)量方案

將兩套光幕靶按圖1所示的方位正交擺放，形成一個(gè)相互正交的光幕面，當(dāng)破片穿過光幕時(shí)，光幕靶1測(cè)得破片在垂直方向上的形狀，光幕靶2測(cè)得破片在水平方向上的形狀。

二維光幕測(cè)量體積先要對(duì)破片形狀進(jìn)行限定：1）在投影方向上破片沒有凸起；2）破片在投影方向形狀相同。因此，該方法只能測(cè)量規(guī)則非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱破片的質(zhì)量。通過光幕靶輸出波形與破片形狀關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，可以通過積分運(yùn)算得到破片的體積信息，進(jìn)而得到破片的質(zhì)量信息。具體函數(shù)關(guān)系如下：

圖1　光幕靶擺放方位

式中：i=1，2——光幕1與光幕2的數(shù)據(jù)；

L——破片長度；

ν——破片的平均速度；

t——破片通過一個(gè)光幕的時(shí)間；

Ai——破片在水平和垂直方向的投影面積；

Δφi——激光被遮擋的條數(shù)；

Sφ——光幕的靈敏度；

Ii——光幕的輸出電流；

V——破片體積；

ρ——破片材料密度；

m——破片的質(zhì)量。

最后得到破片的動(dòng)能，其計(jì)算公式為

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

破片動(dòng)能測(cè)試系統(tǒng)主要由光幕傳感器、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FPGA及其配置電路、Flash存儲(chǔ)電路、電源電路、USB接口電路和上位機(jī)等模塊組成。系統(tǒng)中使用的光幕傳感器為美國BANNER公司EZ-ARRAY系列光幕測(cè)量傳感器，其安裝方式與系統(tǒng)框架如圖2所示，供電電壓為24V，光幕中激光光束的間距為1mm，可選擇電壓輸出與電流輸出兩種方式，其中電壓輸出范圍為0～10V，電流輸出范圍為4～20mA，考慮到需使用FPGA進(jìn)行信號(hào)處理，因此使用電流輸出方式。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，飛行破片通過兩臺(tái)正交的光幕靶時(shí)會(huì)引起光幕光通量的變化，從而引起光幕傳感器輸出電流的變化。電流信號(hào)通過I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為適當(dāng)幅值的電壓信號(hào)，模擬電壓信號(hào)經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA通過控制Flash存儲(chǔ)芯片完成對(duì)傳感器信號(hào)的存儲(chǔ)。測(cè)試完畢后，通過USB通信接口將數(shù)據(jù)回讀到PC機(jī)上，利用上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理。

圖2　破片動(dòng)能測(cè)試系統(tǒng)框架圖

圖3　 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1I/V轉(zhuǎn)換電路

由于光幕傳感器輸出的電流信號(hào)比較微弱，為了滿足A/D芯片采集電壓信號(hào)強(qiáng)度的要求，需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和調(diào)零處理。系統(tǒng)I/V轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，考慮到光幕傳感器的供電及內(nèi)阻，將轉(zhuǎn)換電阻R1選為50 Ω，將4～20mA的傳感器輸出電流轉(zhuǎn)換為0.2～1V的電壓。設(shè)計(jì)中運(yùn)算放大器選用模擬器件公司高精度運(yùn)放的OP07，其中U15與R2、R4、R5、R6及Q1組成調(diào)零電路，U15同向端由負(fù)電源提供-2.5V輸入電壓，經(jīng)R6和R5分壓獲得-0.2V電壓，因此U15反向端電壓也是-0.2V，所以U14正向端輸入的電壓為0～0.8V電壓，其放大倍數(shù)為

因此，U14的輸出電壓即I/V轉(zhuǎn)換電路的輸出為0～1.6V的電壓信號(hào)。同時(shí)為了防止噪聲和干擾信號(hào)，電路中還加入了濾波電容C70、C71，組成低通濾波電路和加入高頻負(fù)反饋防止放大電路自激振蕩的產(chǎn)生。

圖4　I/V轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.2A/D轉(zhuǎn)換模塊

考慮到測(cè)量破片飛行速度時(shí)所需要的高采樣速率以及測(cè)量體積時(shí)所需要的高準(zhǔn)確度要求，綜合考慮選擇TI公司的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器AD7934，支持4通道模擬數(shù)據(jù)輸入，12位并行數(shù)據(jù)輸出，采樣率高達(dá)1.5MS/s，分辨率以及采樣速率均滿足測(cè)量要求。由于參考電壓直接關(guān)系到采樣準(zhǔn)確度，所以參考電壓采用高準(zhǔn)確度基準(zhǔn)電壓芯片Ref192提供的2.5V基準(zhǔn)電壓。

2.3FPGA控制模塊

為解決系統(tǒng)需同時(shí)處理兩路數(shù)據(jù)且在高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)所需要大容量緩存的問題，選用FPGA取代單片機(jī)作為主控制器［11］。本設(shè)計(jì)選用Xilinx公司的XC3S500E芯片作為主控制器，使系統(tǒng)可以滿足A/D采集與Flash存儲(chǔ)的雙時(shí)鐘域的匹配?？紤]到除去配置引腳及電源引腳之外還需要ADC控制接口、Flash接口、USB接口等，因此封裝選為TQ144，剩余30% 的I/O引腳用于電路調(diào)試。

2.4Flash模塊

系統(tǒng)選用了鎂光公司的16位Flash存儲(chǔ)器MT29 FAG16A。在提高Flash的讀寫速度方面，除了Flash芯片本身的頁編程時(shí)間，最重要的就是讀寫時(shí)序，與傳統(tǒng)Flash存儲(chǔ)芯片相比較該Flash具有Two-plane模式即雙頁讀寫模式，它可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)Plane進(jìn)行讀、寫和擦除操作［12］。這種操作方式提升了近一倍的存儲(chǔ)速度，減小了FPGA內(nèi)部緩存空間的壓力。

2.5電源模塊

系統(tǒng)各個(gè)模塊工作電壓包含24，5，3.3，1.2，2.5，-2.5V 6種。為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，系統(tǒng)使用了低噪聲、高準(zhǔn)確度的供電電源。系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)框圖如圖5所示，外部24V電源作為系統(tǒng)總電源并通過電源轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為其他所需電源，主要由EMI濾波器、DC/DC轉(zhuǎn)換電路、LDO穩(wěn)壓器以及π型濾波器組成。

圖5　系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)框圖

EMI濾波電路作為電源電路中第1道濾波電路加在DC/DC之前，其主要作用是濾除電路中的高頻雜波和干擾信號(hào)，同時(shí)還防止電源產(chǎn)生的電磁輻射泄漏到外面，以減少電源開關(guān)本身對(duì)外界的干擾。系統(tǒng)中EMI濾波器選用LFG-04無源濾波器，其共模抑制比可達(dá)到30dB。

由于FPGA需要I/O電壓、輔助電壓和內(nèi)核電壓3種電壓供電，分別為3.3，2.5，1.2V，所以使用LDO穩(wěn)壓芯片分別產(chǎn)生這3種電壓。芯片選用TPS70358 和TPS70345，其中TPS70358輸出3.3 V和2.5V電壓，TPS70345輸出3.3V和1.2V電壓，輸出電壓準(zhǔn)確度可達(dá)±0.2%。此外由于運(yùn)放OP07需-2.5V供電，因此采用變極性DC/DC變換器ICL7660將2.5V電壓轉(zhuǎn)換為-2.5V電壓。

由于系統(tǒng)的電源部分與控制部分采用獨(dú)立的PCB制作方案，DC/DC的輸出電壓在傳輸過程中會(huì)耦合進(jìn)其他的噪聲信號(hào)，因此在電源接口電路中使用了π型濾波電路，如圖6所示，截止頻率為106kHz，可以對(duì)白噪聲信號(hào)進(jìn)行很好地抑制。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要工作與控制邏輯都由FPGA完成，其主要功能包括控制ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、控制Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫、控制USB接口讀數(shù)以及內(nèi)部FIFO的數(shù)據(jù)緩存。FPGA主要工作流程如圖7所示。

系統(tǒng)上電開始工作后先判斷USB接口是否有讀數(shù)信號(hào)，若有讀數(shù)信號(hào)則進(jìn)入讀數(shù)模式，否則進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模式。兩路數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)進(jìn)行了編幀處理，幀格式如表1所示，每一幀數(shù)據(jù)有4 kB數(shù)據(jù)組成，包含4089B光幕數(shù)據(jù)、4B幀標(biāo)志以及3B幀計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，其中幀標(biāo)志位包括BEH、90H、兩路數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)（第1路為11H、第2路為22H）和00H，幀計(jì)數(shù)3個(gè)字節(jié)按低位在前高位在后的順序排列。由于Flash的讀寫操作時(shí)以頁為單位，要滿足A/D采集和USB讀數(shù)與Flash讀寫的時(shí)序要求，需加入FIFO作為兩個(gè)時(shí)鐘域之間的緩沖，其中FIFO的讀寫判斷以半滿信號(hào)為標(biāo)識(shí)。

圖6　π型濾波電路

圖7　FPGA程序流程圖

表1　 數(shù)據(jù)幀格式

4　系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析

使用氣槍彈對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，氣槍彈的速度為130～150m/s，分別對(duì)速度與體積測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析［13］。對(duì)式（1）進(jìn)行微分可得速度誤差公式為

式中：Δν——速度測(cè)量誤差；

ΔS——距離測(cè)量誤差；

Δt——時(shí)間測(cè)量誤差。

其中測(cè)時(shí)誤差的主要來源為晶振頻率和各種干擾、噪聲引起的誤差。系統(tǒng)使用的晶振為20MHz，每次計(jì)時(shí)會(huì)帶來50ns的誤差，各種噪聲引起的誤差約為20ns，因此總誤差Δt為70ns。測(cè)距誤差主要來源為彈道不垂直引起的誤差ΔS1，光幕不平行引起的誤差ΔS2和距離測(cè)量誤差ΔS3。使用吊重錘與多次測(cè)量的方法保證光幕垂直，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)靶距S=1000mm時(shí)，ΔS1為0.3mm，ΔS2為0.5mm。使用鋼卷尺測(cè)量靶距，綜合讀數(shù)誤差，精度誤差以及環(huán)境溫度變化引起的誤差，ΔS3為1.2mm，采用均方和的形式來求測(cè)距誤差，即：

取彈速為140m/s，將以上數(shù)據(jù)帶入式（8），得出速度測(cè)量的相對(duì)誤差為0.13%。

上位機(jī)軟件對(duì)氣槍彈穿過光幕時(shí)所產(chǎn)生的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖分析，如圖8所示?？梢钥闯?，電壓曲線與彈頭的截面輪廓基本一致。分別對(duì)4，4.5，5.5mm的氣槍彈進(jìn)行測(cè)試，將所測(cè)數(shù)據(jù)利用上位機(jī)軟件進(jìn)行分析，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表中D為氣槍彈外徑，測(cè)得彈丸外徑的相對(duì)誤差分別為1.88%、1.44%和1.09%，根據(jù)體積計(jì)算公式得到其體積的相對(duì)誤差分別為1.37%、1.05%和0.80%，則破片體積的平均相對(duì)誤差為1.07%。將以上數(shù)據(jù)和速度相對(duì)誤差帶入動(dòng)能相對(duì)誤差的計(jì)算公式：

式中：ΔW——?jiǎng)幽苷`差；

ΔV——體積誤差；Δν——速度誤差。

得到破片動(dòng)能的相對(duì)誤差為1.33%。

圖8　氣槍彈穿過光幕時(shí)的電壓變化

表2　測(cè)量結(jié)果

5　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于光幕傳感器的二維破片動(dòng)能測(cè)試系統(tǒng)，介紹了光幕傳感器在彈丸及破片測(cè)試領(lǐng)域的廣闊的應(yīng)用前景；同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)中所用的電流電壓轉(zhuǎn)換電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FPGA控制電路、Flash存儲(chǔ)電路以及電源電路等模塊進(jìn)行了詳細(xì)闡述。通過氣槍彈實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)測(cè)量效果，并對(duì)測(cè)試過程中存在的誤差進(jìn)行了分析。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)可以有效地對(duì)飛行破片的動(dòng)能進(jìn)行測(cè)量，所得數(shù)據(jù)無明顯波動(dòng)，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

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（編輯：李妮）

Design of two-dimensional screen fragment kinetic energy measurement system

ZHANG Huwei1，2，LI Jinming1，2，GAO Wen'gang1，2，GUO Chun1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，
Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Aiming at the difficulties of multi-target，high speed，small volume for flying fragments and high luminous intensity，strong electromagnetic interference in measurement environment，a non-contact two-dimensional screen fragment kinetic energy measurement system is designed.The system takes FPGA as the core controller，making use of high precision ADC and NAND Flash memory chip to acquire and store signal from mutually orthogonal screen senor，and reading the data back to the host computer for analysis through the USB interface，which extract the fragment velocity and volume information，then acquire the information of the kinetic energy of fragments. Based on the air-gun projectile impacting experiment，the results show that this scheme use twodimensional orthogonal screen to measure kinetic information of non-rotational symmetry fragment effectively，which solves the issues that the traditional one-dimensional screen measurement system can only measure rotational symmetry fragment kinetic energy，and the system has a certain practical value and application prospect.

fragment kinetic；two-dimensional screen；FPGA；non-rotational symmetry

A

1674-5124（2016）08-0093-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.019

2015-12-21；

2016-01-30

張虎威（1991-），男，山西太原市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理。