柏超龍，江 劍，趙傳榮

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094； 2.安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243032)

彈丸的速度是研究彈丸戰(zhàn)斗部威力效應(yīng)和分析彈丸飛行規(guī)律的重要參數(shù)[1]。彈丸速度的測量是新型炮彈裝備驗(yàn)收的基本測試項(xiàng)目之一[2]，所以對彈丸速度測量方法的研究和發(fā)展是非常重要的。目前國內(nèi)常采用價格低廉和便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理的非接觸式區(qū)截測速法來測量破片速度[3]。對于高速飛行的彈丸的速度測量，按照測量原理通常分為3種，即瞬時速度測量法、平均速度測量法和多普勒原理測量法[4]。對于測量速度在200～2 000 m/s之間、尺寸大小(Φ大于等于20 mm)的彈丸，瞬時速度測量法的誤差較大，多普勒測速體積龐大、價格昂貴，兩種均不適合設(shè)計要求，本研究采用基于激光光幕靶的平均速度測量法。

光幕靶的區(qū)截裝置大致分為兩種，一種是激光器發(fā)射裝置和接收光電器件陣列分列兩邊，激光器發(fā)出的光直接照射在接收器上，當(dāng)有物體通過時，由于遮擋而引起接收器光能量的變化而產(chǎn)生觸發(fā)信號[5]；另一種是采用反射式光幕，激光器發(fā)射裝置和接收裝置都在同一側(cè)，激光器發(fā)射出的是一個扇形光幕，只有當(dāng)物體穿過扇形光幕時，物體的反射光信號才會被光電裝置接收[6]，引起接收器光能量變化而產(chǎn)生觸發(fā)信號。

本研究提出了反射式激光光幕測速系統(tǒng)，設(shè)計光幕靶的發(fā)射和接受裝置都在同側(cè)，利用高速硅光電傳感器接收彈丸穿過激光光幕反射的光[7]，轉(zhuǎn)化為電信號作為觸發(fā)信號。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)簡潔且易于調(diào)節(jié)，它具有價格低、測量精度高、便于攜帶和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[8]。

1 測速原理及系統(tǒng)裝置組成

平均速度測量法可以分為定時測距法和定距測時法兩種[9]。在本次設(shè)計中采用的是定距測時法，即通過測量彈丸飛過一定距離和彈丸飛過這段距離的時間，由下式計算彈丸平均速度的方法。

(1)

在彈丸的路徑上預(yù)先放置好兩個平行光幕靶，固定靶距S，然后記錄下彈丸垂直通過前后光幕靶所用的時間T，根據(jù)式(1)可以計算出彈丸的飛行速度。

測速原理如圖1所示，激光光幕的發(fā)射裝置和激光信號接收裝置在同一側(cè)，前后兩光幕成對稱結(jié)構(gòu)。彈丸經(jīng)過一定厚度的扇形光幕時產(chǎn)生反射信號，該信號經(jīng)過透鏡聚焦成一個點(diǎn)狀的光斑成像在高速光電探測器上，引起光電效應(yīng)，將電信號進(jìn)行傳輸[10]。記錄彈丸通過兩激光光幕之間的時間，就獲得了彈丸的飛行時間T，即可以求得彈丸的飛行速度。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計的測速裝置由三大部分組成：

1) 光電轉(zhuǎn)換部分。光電轉(zhuǎn)換部分作用是為了更有效地提取反射光信號，由于彈丸的穿過速度較快，反射的激光信號比較弱，在光電探測器的前面加上非球面透鏡和窄帶濾光片，適當(dāng)增強(qiáng)有效反射光信號并濾除大部分雜散光。

2) 信號處理部分。信號處理部分是為了將光電探測器轉(zhuǎn)化的電信號，進(jìn)行一定倍數(shù)的放大和濾波，最后利用電壓比較器轉(zhuǎn)化為方波形式向測速部分傳輸，作為前后光幕靶的啟動觸發(fā)信號和停止觸發(fā)信號。

3) 測速部分。測速部分主要利用記錄FPGA晶振振蕩脈沖數(shù)目的方法來測定時間間隔，實(shí)現(xiàn)彈丸過靶的測速功能。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

前后光幕對應(yīng)的光電探測器接收到反射光信號，通過預(yù)處理和信號處理電路轉(zhuǎn)化為方波信號[11]，F(xiàn)PGA通過配置通用IO口的邊沿檢測類型實(shí)現(xiàn)啟動觸發(fā)和停止觸發(fā)。彈丸飛過前光幕引起啟動觸發(fā)，計數(shù)器開始計數(shù)，直到彈丸穿過后光幕引起停止觸發(fā)，計數(shù)器停止計數(shù)，這時的計數(shù)值和脈沖周期的乘積便是彈丸飛過前后扇形光幕的飛行時間。

2.2 光電轉(zhuǎn)換部分

由于系統(tǒng)要求能有較大的探測場，設(shè)計選用功率為700 mW、波長為638 nm的一字線形激光器來構(gòu)成前后激光光幕。為了滿足一定的光幕范圍，并盡量減小發(fā)散角來提高單位面積上的光功率密度，扇形激光光幕在2～3m距離左右至少有1 m2的探測范圍，激光器的發(fā)散角不低于20°。

相對應(yīng)于上面的激光器，該設(shè)計選用Hamamatsu公司生產(chǎn)的型號為S3588-09大受光面積光電二極管為光電探測器，它具有高靈敏度、低結(jié)電容(約為40 pF)、高速響應(yīng)和高可靠性等特點(diǎn)，滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。感光面積為30 mm×3 mm，在320～1 100 nm的波長范圍內(nèi)，響應(yīng)度接近一致，對各種光都能夠探測到。此外，對波長在960 nm時，達(dá)到最大的靈敏度0.66 A/W，在波長為638 nm時，靈敏度大概為0.51 A/W。典型的響應(yīng)時間約為1.0 μs。當(dāng)彈丸長度為40 mm并以800 m/s的速度通過扇形光幕，通過時間為25 μs，滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

用來聚焦微弱反射光的鏡頭選用焦距為60 mm，口徑大小為75 mm的非球面鏡。由于上述選用的光電探測器的感光面積為長條形，尺寸大小為長H=30 mm，寬H=3.0 mm，下面對光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)及視場角進(jìn)行計算。

光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)為

(2)

這樣20 mm×4 mm的彈丸在光電探測器上成像的尺寸約為0.5 mm×0.1 mm的亮點(diǎn)。系統(tǒng)的視場角為

(3)

計算結(jié)果滿足要求。

系統(tǒng)的有效光信號面的長度(在2.5 m處)為

(4)

這樣可以保證光幕范圍達(dá)到要求，滿足靶面積足夠大的要求。

2.3 信號處理電路

光電探測器輸出的信號為電流信號，且信號微弱，信噪比較低。信號處理電路是對光電探測器的輸出信號先進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成電壓信號，再進(jìn)行濾波、放大和整形。總體包括4個部分，即預(yù)處理電路、濾波電路、放大電路和整形電路，如圖3所示。

型號為S3588-09的光電二極管輸出電流信號為μA級，系統(tǒng)采用跨阻放大電路進(jìn)行預(yù)處理[12]，其具有噪聲低、帶寬寬和跨阻適中、增益穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。如圖4所示，通過跨阻R1使光電探測器S3588-09輸出的微弱電流變化量轉(zhuǎn)換為一定的電壓量。R1取1 kΩ，則輸出的電壓約為mV級別。電路中光電探測器S3588-09處于反偏狀態(tài)，可以加強(qiáng)內(nèi)建電壓，在無光照時暗電流非常??；在有光照時，光生載流子會更容易漂移，光電流會急劇增加。

經(jīng)過預(yù)處理的電路，測試的信號主要包括兩個部分：一個是激光的反射信號；另一部分是來自外界(背景光的瞬間變化、鳥類等飛蟲飛過光幕所發(fā)生的漫反射信號)和電路內(nèi)部的噪聲信號(通常為高頻信號)。這兩種干擾信號干擾必須消除才能保證測量的準(zhǔn)確性。鳥類等飛蟲的飛行速度都在40 m/s以下，扇形光幕的厚度為4 mm，通過光幕產(chǎn)生的干擾的反射時間大于100 μs，與彈丸通過光幕時所產(chǎn)生的漫反射信號不在同一個頻譜范圍；電路內(nèi)部的噪聲通常為高頻噪聲，頻率達(dá)到幾百kHz甚至更高，要高于彈丸穿過光幕時所產(chǎn)生的漫反射信號頻譜。為了得到被測信號的正確信息，需要濾除各種干擾噪聲。濾波放大電路的作用是盡可能較大程度的放大有效信號，抑制交流噪聲信號。

濾波放大電路是前級處理部分的關(guān)鍵部分。由于實(shí)際測量中的現(xiàn)場環(huán)境惡劣，有效信號經(jīng)常受到外界干擾，高頻信號和低頻信號常混雜在有效信號之中[13]。為了最大程度的得到被測信號，系統(tǒng)采用高通濾波電路和低通濾波電路的級聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)帶通濾波，然后再進(jìn)行主放大。本次系統(tǒng)設(shè)計先對預(yù)處理后的信號進(jìn)行二階帶通濾波，即先進(jìn)行二階高通濾波，隨后再進(jìn)行二階低通濾波。電路的通頻帶通過彈丸的長度、彈丸的飛出速度和激光扇形光幕的線寬經(jīng)計算得到的。

系統(tǒng)的探測對象為彈丸，這里取彈丸直徑D=20 mm，長度H=40 mm，炮口的初速度取典型值為1 000 m/s。本系統(tǒng)使用的一字線形激光器在2.5 m處的扇形光幕寬度為l=4 mm，兩平行光幕的距離為L=10 m。光幕經(jīng)炮彈表面反射的激光信號的上升沿為4μs，由此可推算帶通濾波電路的中心頻率約為62.5 kHz，通帶頻率應(yīng)該在20～200 kHz左右。

經(jīng)過帶通濾波電路濾波后信號放大了4倍，依舊是mV級別，沒有達(dá)到電壓幅值大小的要求，不便于后面轉(zhuǎn)化為測速的觸發(fā)信號。選用運(yùn)算放大器OP37設(shè)計放大電路，采用±15 V雙電源供電，將信號放大50倍以便于后續(xù)處理。OP37具有輸入失調(diào)電壓低、低噪聲、轉(zhuǎn)換速率高等優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換速率達(dá)到17 V/μs，所以完全滿足彈丸過靶的設(shè)計要求。

主放大電路如圖5所示，放大倍數(shù)為50倍，放大后的信號幅值達(dá)到1～5 V。

放大后輸出的信號為不規(guī)則的波形，并不能作為觸發(fā)信號。整形電路的核心器件為LM311電壓比較器，具有很高的靈活性，能工作于5～30 V單個電源或正負(fù)15 V分離電源。LM311電壓比較器配合AMS1117-3.3電壓轉(zhuǎn)換芯片，輸出信號為幅值3.3 V的方波信號，可以直接作為后續(xù)以FPGA為核心的測速電路的啟動、停止觸發(fā)信號。

2.4 測速模塊

FPGA不需操作系統(tǒng)，比ARM微處理器執(zhí)行指令的速度快，具有快速處理信息能力，以硬件架構(gòu)方式構(gòu)建控制系統(tǒng)[14-15]。FPGA主控制器選用Altera公司Cyclone IV的FPGA芯片EP4CE6E22I7N，有8個用戶I/O塊，可使用的I/O口可達(dá)91個。該芯片等級為工業(yè)級，其工作環(huán)境溫度范圍較寬，可達(dá)-40 ℃～80 ℃。除此之外，芯片內(nèi)部有兩個PLL，每個PLL上可均有5個輸出端，可進(jìn)行動態(tài)重配置來改變時鐘頻率或相位。測速模塊流程圖如圖6所示。

脈沖計數(shù)輸出原理如下：系統(tǒng)上電，當(dāng)前后光幕有彈丸通過時，經(jīng)過光電探測器和信號處理電路后生成方波，分別產(chǎn)生啟動觸發(fā)信號和停止觸發(fā)信號，當(dāng)FPGA主控制器檢測到啟動觸發(fā)信號的上升沿，計數(shù)器開始計數(shù)，啟動指示燈亮，直到檢測到停止觸發(fā)信號的上升沿，計數(shù)器停止計數(shù)，啟動指示燈熄滅的同時，停止指示燈閃爍一下，計數(shù)完成。這時計數(shù)器的值乘以系統(tǒng)時鐘的周期即為彈丸經(jīng)過雙光幕的時間。此外，系統(tǒng)也設(shè)計了啟動、停止按鈕模擬前后光幕的觸發(fā)信號，并提供了多種時標(biāo)選擇。

3 測試分析

完成系統(tǒng)初步設(shè)計之后，對計時模塊進(jìn)行時序仿真、邏輯分析，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，同時對時間測量精度進(jìn)行了分析。

3.1 系統(tǒng)仿真分析

采用Verilog硬件描述語言編寫脈沖計數(shù)程序，頂層文件采用圖形化編程方式，模塊化設(shè)計，便于拓展。編寫并編譯對應(yīng)的Testbench文件，采用ModelSim軟件對計時模塊進(jìn)行時序仿真，系統(tǒng)的計時例化模塊與仿真波形如圖7所示。

計時模塊中各引腳定義如表1所示。由仿真波形可知，start1由低電平變?yōu)楦唠娖綍r候，延遲一個時鐘周期，到下個時鐘周期的上升沿時，LED_Start變?yōu)榈碗娖剑嫈?shù)器開始計數(shù)，直到遇到end1的上升沿，start1變?yōu)榈碗娖?，LED_End出現(xiàn)下降沿，計數(shù)器停止計數(shù)。T_out輸出為周期100 ns、高電平為20 ns的周期信號，這樣是為了便于后續(xù)的時標(biāo)選擇和數(shù)碼顯示。

時標(biāo)選擇和數(shù)碼管顯示仿真波形如圖8所示。

表1 計時模塊各引腳功能定義

在時標(biāo)選擇和數(shù)碼管顯示的模塊中，i_fpga_clk與i_rst_n分別為系統(tǒng)時鐘輸入和復(fù)位信號，T_in為該模塊的輸入信號(即計時模塊中的T_out)，shibiao為八個時標(biāo)的選擇，從最低位到最高位分別表示0.1 μs、1 μs、10 μs、0.1 ms、1 ms、10 ms、0.1 s、1 s，o_led_data0、o_led_data1、o_led_data2、o_led_data3、o_led_data4分別表示第0位、第1位、第2位、第3位、第4位數(shù)碼管的顯示值。圖8中的shibiao為00000001，即選擇時標(biāo)為0.1 μs，則數(shù)碼管讀數(shù)為94.3 μs。計時啟動、停止觸發(fā)信號正常，時間讀數(shù)顯示正常。

3.2 時間測量精度分析

測速系統(tǒng)是由觸發(fā)信號控制計數(shù)器的計數(shù)個數(shù)來實(shí)現(xiàn)測速功能。影響測量時間的主要因素有：

1) 光電探測器響應(yīng)時間。本系統(tǒng)選用的高速光電探測器，典型的響應(yīng)時間約為1.0 μs。

2) 處理電路延遲誤差。處理電路誤差主要有兩個來源：信號處理電路的延遲誤差和測速模塊的延遲誤差。信號處理電路利用有源濾波、放大、整流等模擬電路對光信號的處理，模擬電路延時較數(shù)字電路明顯。信號經(jīng)過濾波放大的典型上升沿為2.0 μs，測試模塊的延遲可控制在1.0 μs以內(nèi)。

假定彈丸的速度為800 m/s，前后光幕靶的距離為15 m，計數(shù)時鐘為50 MHz，時鐘周期為20 ns。彈丸通過前后光幕靶的時間間隔為T=15/1 000=0.015 s。相對誤差為：

(5)

4 結(jié)論

1) 本文提出的基于FPGA的反射式光幕測速系統(tǒng)研制方案，采用反射的激光信號作為系統(tǒng)的觸發(fā)信號，并用FPGA作為測速的主要控制芯片，可以提高測量的精度，同時簡化了測速裝置，調(diào)節(jié)方便。

2) 通過對主要模塊的測試，驗(yàn)證了該設(shè)計方案的可行性。從設(shè)計原理上分析可以測出口徑大于20 mm、飛行速度在200～2 000 m/s的彈丸飛過光幕的速度，且精度較高。

3) 該系統(tǒng)的探測電路的信噪比還可提高。