一種光幕測速系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

穆天紅，楊 云，馮 聰

一種光幕測速系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

*穆天紅1，楊 云1，馮 聰2

(1. 陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西，西安 710021； 2. 南京理工大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇，南京 210094)

基于光電轉(zhuǎn)換原理，實現(xiàn)了一種以LM339為主要芯片的光幕測速系統(tǒng)，通過對光幕測速系統(tǒng)軟硬件的重新設(shè)計，解決了原有光幕測速系統(tǒng)光幕覆蓋不全面和光線粗細不均勻的問題，提高了整個系統(tǒng)的準度與精度，完成了光幕靶與計時系統(tǒng)的一體化。通過對光通量信號的分析與計算，實現(xiàn)了對不同速率運動物體的精確測速。經(jīng)過運行測試，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，各項指標(biāo)均已達到設(shè)計要求。

光電轉(zhuǎn)換；LM339；光幕測速系統(tǒng)；光通量信號

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，測速系統(tǒng)越來越多的被應(yīng)用于社會生活的各個方面，而其中又以軍事領(lǐng)域?qū)_測速的需求最為關(guān)鍵和重要。子彈、炮彈等彈丸飛行速度的精確測量對武器裝備的設(shè)計、生產(chǎn)以及裝備部隊都有至關(guān)重要的作用。

根據(jù)與測時儀配合的區(qū)截裝置不同，測量彈丸飛行速度的系統(tǒng)主要分為接觸型測量系統(tǒng)和非接觸型測量系統(tǒng)[1]。接觸型測量系統(tǒng)可以分為銅絲網(wǎng)靶、箔靶和銅絲慣性靶等，其主要工作原理是通過攔截彈丸彈道獲取彈丸的過靶時間，所以其對小口徑低速度的彈丸彈道影響特別大，同時也會使彈丸的著靶落點出現(xiàn)很大偏差[2]。

由于接觸型測量系統(tǒng)對彈道運動產(chǎn)生影響，測量準確度低，已逐漸被非接觸式測量系統(tǒng)所取代[2]。非接觸測量系統(tǒng)有線圈靶、天幕靶、光幕靶、高速攝影等，線圈靶利用彈丸切割磁感應(yīng)線使磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生電信號[3-4]，從而記錄彈丸觸靶時間，但是這種方法使用空間狹小只能近距離測量，而且不適用于非導(dǎo)磁性彈頭。天幕靶[5]普遍采用自然光，光譜脈沖范圍比較大，如果彈丸飛行高度比較高，光電傳感器所測到的特征信號不明顯，而且其在陰雨天也不便于使用，再加上若有鳥類飛過，其抗干擾能力比較差。高速攝影法有體積龐大、操作繁瑣、易震動等問題，同時后續(xù)圖像處理復(fù)雜[6]。而光幕靶則能避免以上缺點。

光幕靶是一種基于光電轉(zhuǎn)換原理的非接觸型測量系統(tǒng)，以發(fā)射光源形成的光幕為靶面，彈丸穿過靶面時會遮住部分光幕從而引起光電探測器接收到的光通量發(fā)生變化，光電探測器引起的光電流變化經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過電路處理，將光電探測器產(chǎn)生的脈沖信號作為測時儀的觸發(fā)信號。在彈丸先后穿過兩靶面后，測時儀分別記錄這兩個時刻，以此計算出彈丸穿過兩靶面間彈道的時間，即可計算出彈丸穿過兩靶面的平均速度。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

奧地利HPI 公司成功研制了B571 型光幕靶，靶面大小為 1000 mm×1000 mm，可以測試 4~20 mm 口徑、50~2000 m/s 速度范圍的彈丸速度，測量精度小于 0.1%[6]。奧地利AVL公司的B570型光幕靶，由四道光幕靶組成，不但可以計算彈丸速度，也可以計算出彈丸的著靶坐標(biāo)。該公司的401型精度靶，設(shè)計原理如編碼式光電立靶系統(tǒng)，在橫縱坐標(biāo)上分別有200個單位光電靶，每個單位光電靶由一根光電纖維和一個光電二極管組成，每跟纖維對應(yīng)一個光電管。當(dāng)有彈丸穿過光電靶時，會遮斷幾根光束，通過遮斷的光束計算出的中心位置就是彈丸的著靶坐標(biāo)[7]。

由于國外光幕靶測試系統(tǒng)價格昂貴以及技術(shù)封鎖等原因，國內(nèi)的多家大學(xué)和科研機構(gòu)推出了多款光幕靶。西安工業(yè)大學(xué)光電測試技術(shù)研究所研制的XGK-2002型光幕靶，該靶是一種采用PIN型光電二極管陣列作為發(fā)射端光源設(shè)計的大靶面光幕靶，其靶面大小為1000 mm×1000 mm，能夠測量低于50 mm口徑的各種彈丸的飛行速度[8]。由于其使用發(fā)光二級管作為光源，使其發(fā)射端電路設(shè)計復(fù)雜，光幕的準直度和發(fā)射距離有待進一步提高。

中北大學(xué)TJ-1型光幕靶，靶面大小為200 mm×250 mm，由于其在測速精度和穩(wěn)定性的優(yōu)異表現(xiàn)，被兵器工業(yè)作為測速基準系統(tǒng)[9]。由于其靶面過小，不適合大口徑炮口的測量要求。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)由軟硬件兩個部分組成，硬件系統(tǒng)有兩道平行光幕[10]，測量好兩道光幕之間的距離s，一旦有炮彈穿過第一道光幕光電轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生電壓信號，記下觸發(fā)時間t1，同樣第二道光幕的觸發(fā)時間為t2，炮彈速度v=s/(t2-t1)。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖 1 光幕測速系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 軟硬件系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)由軟件硬件兩部分組成，硬件部分主要分為光電信號轉(zhuǎn)換模塊和光電信號處理模塊。軟件部分也分為PCI數(shù)據(jù)采集卡和主機處理軟件兩個部分。

3.1 光電信號轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

光電信號產(chǎn)生模塊由發(fā)射端和接收端構(gòu)成，在傳統(tǒng)的光幕靶設(shè)計中，一般使用發(fā)光二極管（LED）作為光幕的光源，但是發(fā)光二級管由于其發(fā)光亮度弱、聚光強度小、散射嚴重并不適合作為大靶面光幕靶的光源。同時由于大靶面光幕靶一般要使用上百個的發(fā)光二極管，操作起來比較復(fù)雜，所以在這里使用輸出波長650 nm、管芯功率100 mv的一字型激光器作為光源，其具有線條清晰、明亮、均勻、準直度高、發(fā)射距離遠的特點。

硬件系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端構(gòu)成，發(fā)射端使用三個大功率一字型激光器配合菲涅爾鏡片產(chǎn)生粗細均勻的平行光。這是因為若只使用一字型激光器所發(fā)出的光束為扇形，同時接收端的光強度會從中間到兩端逐漸減弱，配合菲涅爾鏡片之后產(chǎn)生平行光束，各光束之間不存在盲區(qū)，同時光幕各點光強相同，從而當(dāng)有彈丸穿過時，產(chǎn)生的跳變電壓也相同。由于在發(fā)射端使用菲涅爾鏡會使光線橫向發(fā)散從而變粗，在接收端使用平凸鏡重新聚集光線。結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 光電信號生成示意圖

在接收端使用高靈敏度的進口硅光電池陣列，一片硅光電池陣列有25.4 mm，有16個獨立單元組成，每個單元約1.5 mm，這樣我們可以保證，只要穿過光幕的彈丸直徑不小于1.5 mm我們都能精確的測量出彈丸的速度。電壓信號產(chǎn)生電路如圖3所示：

圖3 光電信號產(chǎn)生電路

基于本光電信號轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計，相對于其他光幕測速系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有光幕覆蓋范圍大、無盲區(qū)、反應(yīng)靈敏的特點。

3.2 光電信號處理模塊設(shè)計

在光電信號處理模塊我們使用LM339作為電路的主要芯片，LM339具有失調(diào)電壓小、共模范圍大和對比較信號源的內(nèi)阻限制很寬的優(yōu)點，其由四個獨立的電壓比較器組成，每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。當(dāng)比較同相輸入端和反向輸入端的電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339N輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10 mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339N用在弱信號檢測等場合是比較理想的。

圖4 接收端硬件電路簡圖

電路圖核心部分大體如上圖所示，一旦硅光電池陣列D1的光通量發(fā)生變化，會使電容C1產(chǎn)生電荷，從而拉低AR1正極電壓，正極電壓原本是5 V，負極為4.7 V，一旦正極電壓低于4.7 V，LM339就會輸出一個低電平信號同時點亮D2，這樣就能夠判斷炮彈從哪一個位置穿過。同樣將很多路獨立的光電轉(zhuǎn)換電路聚集到一起，一旦有一路輸出低電平信號，會拉低AR2的正極電壓，再與參考電壓4.7 V進行比較，從而最后輸出一個低電平信號到PCI采集卡。

3.3 PCI數(shù)據(jù)采集卡

PCI采集卡為成都中科動態(tài)儀器有限公司開發(fā)的PCI4712雙通道信號采集卡，卡上集成了2片高速50Msps 12bit A/D轉(zhuǎn)換器，和2個獨立的高速精密運算放大及精密衰減濾波網(wǎng)絡(luò)組成程控增益通道，實現(xiàn)大動態(tài)信號采集。每個通道的獨立控制和無手工調(diào)節(jié)器件使其具有高測量精度和相位一致性，具有較高的工作可靠性和穩(wěn)定性。

A/D轉(zhuǎn)換的最高采樣頻率為50 Msps，采用先進的DDS頻率合成器實現(xiàn)100 sps-50 Msps的任意頻率合成，從而可以設(shè)置任意細分的采樣頻率，細分頻率的指標(biāo)用于特殊場合的信號采集功能。

兩個通道可獨立地用軟件控制增益，從±100 mV~ ±20 V按1、2、5分為8檔。每通道最大采樣深度可達到16Msa。通過特殊設(shè)計的環(huán)形緩沖器實現(xiàn)預(yù)觸發(fā)存儲功能，特別適合工程上的單次過程信號記錄。預(yù)觸發(fā)和觸發(fā)后的延時可以達到最大采集長度。

使用PCI數(shù)據(jù)采集卡采集觸發(fā)信號相對于其他數(shù)據(jù)采集方式以及基于單片機的光幕測速系統(tǒng)有以下優(yōu)點。首先，其采樣精度高，由于本系統(tǒng)的采樣頻率高達50 MHz，所以其靈敏度相當(dāng)高達到20 ns，單片機由于其自身的晶振頻率和指令周期的限制只能達到微妙級，與本系統(tǒng)差距很大。其次，每通道最大4M字節(jié)的存儲深度，所以本系統(tǒng)能夠清晰的展示每個通道的電壓信號波形。再者，由于采樣頻率和采樣長度可調(diào)，所以本系統(tǒng)適應(yīng)測速范圍廣。

3.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集卡采樣完成之后，就要對采集到的數(shù)據(jù)進行處理計算出每一個光幕靶的觸發(fā)時間。我們使用PackToDouble(int nChnNum,double * pData, int SamIntV, long SamStart, long SamLen)函數(shù)來提取各通道的電壓值序列，參數(shù)nChnNum為通道，參數(shù)pData為該通道電壓值序列的指針，參數(shù)SamIntV為抽樣比，參數(shù)SamStart為采樣起始時間，參數(shù)SamLen為采樣長度。

提取完電壓值序列之后，根據(jù)不同的觸發(fā)模式對電壓值序列進行處理，這里主要分為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)。然后遍歷每個通道的電壓值序列，當(dāng)我們選擇上升沿觸發(fā)時，根據(jù)設(shè)定的觸發(fā)電壓遍歷電壓值序列，當(dāng)當(dāng)前電平值大于觸發(fā)電平我們就認為這個點為觸發(fā)點，同時記錄該點的位置。圖5為觸發(fā)坐標(biāo)提取流程圖：

圖5 觸發(fā)坐標(biāo)提取流程圖

本系統(tǒng)不但針對單個彈丸測速，也針對雙彈丸測速，觸發(fā)坐標(biāo)提取流程如上圖一樣，單雙彈丸信號觸發(fā)波形如圖6所示：

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)硬件參數(shù)：

（1） 靶面大?。?000mm×1000mm

（2） 彈丸直徑：1.5mm~50mm

（3） 測速范圍：10~3000m/s

（4） 測速精度：<0.18%

運行程序，會出現(xiàn)測速系統(tǒng)的軟件界面，首先選擇測速范圍并設(shè)定靶間距離，選擇采樣率和采樣長度，在選擇采樣率和采樣長度之前你必須先估算你所測運動物體的大致速度，只有這樣才能在界面上呈現(xiàn)完美的波形。在這里將采樣延遲設(shè)為0，觸發(fā)方式為下降沿內(nèi)觸發(fā)，采樣量程為10 V。觸發(fā)電平的選擇需要進行實際的測量，在本系統(tǒng)中未觸發(fā)時，信號線的電壓為6.7 V左右，一旦觸發(fā)，電壓會降到4 V以下，所以我們設(shè)置觸發(fā)電平為4 V。

參數(shù)設(shè)置好了以后點擊單次采集按鍵，等待觸發(fā)。這時，采集結(jié)束燈為紅色，一旦觸發(fā)結(jié)束，采集結(jié)束燈會變?yōu)榛疑?，證明采集已經(jīng)結(jié)束，右側(cè)界面會顯示當(dāng)前測量結(jié)果和通道1、通道2觸發(fā)時間，對比左側(cè)界面的觸發(fā)波形，會有更準確的認識。采集結(jié)束可以查看更加詳細的測量報告和多次采集的歷史記錄。圖7為軟件界面：

圖 7 軟件界面圖

除此之外，軟件設(shè)計上還添加了單靶測速功能，首先設(shè)定炮彈長度，計算單靶上下降沿波形所持續(xù)的時間，通過公式V=L/△T也可以計算出炮彈的瞬時速度。所以此種方式可以作為雙靶測速方式的補充。

5 結(jié)束語

通過分析當(dāng)前光幕靶的缺陷以及系統(tǒng)使用多樣化的需求，設(shè)計和實現(xiàn)了一種以LM339為主要芯片的光幕測速系統(tǒng)。該系統(tǒng)在硬件上解決了光幕覆蓋不全面和光電轉(zhuǎn)換準度精度不高的問題，軟件上通過使用PCI采集卡設(shè)計了兩種不同的測速模式互相補充，同時通過界面的設(shè)計讓用戶更直觀的了解被測物體的運動過程。整個系統(tǒng)便于安裝調(diào)試，可以滿足多樣化的測速要求。

[1] 唐波,王選擇,晏紅.基于光幕靶的便攜式彈丸速度測量系統(tǒng)[J].三峽大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,26(6): 533-536.

[2] 王小飛. 基于SOPC的測速雷達多普勒信號處理系統(tǒng)設(shè)計[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2011.

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[9] 楊昭.彈載測速技術(shù)研究[D].太原:中北大學(xué),2007.

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A design and implementation of velocity measuring system based on light screen

*MU Tian-hong1, YANG Yun1, FENG Cong2

（1. School of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an, Shanxi 710021, China; 2. School of Computer Science and Technology，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing, Jiangxu 210094, China）

Based on the optoelectronic conversion principle, we implement a velocity measuring system based on light screen, which adopts LM339 as the main chip, re-design of the velocity measuring system based on hardware and software, solves the problem of the original system light screens’ coverage is not comprehensive and light uneven thickness. It also improves accuracy and precision of the whole system, completes the integration of the screen target and timing system. Based on the analysis and calculation of the light flux signal, the system implements the precisely measurement of different speed of moving object. After more than a year of practical testing, the system is stable and reliable, which all the indicators are to meet the design requirements.

optoelectronic conversion; LM339; velocity measuring system based on light screen; light flux signal

TJ306

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.06.011

1674-8085(2013)06-0051-05

2012-12-03；

2013-10-18

陜西省教育廳專項科研計劃項目（2010JK419）

*穆天紅(1988-)，男，青海海東人，碩士生，主要從事嵌入式開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)安全，并行計算研究(E-mail:tianhongmu@163.com);

楊 云(1965-)，女，遼寧大連人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事計算機圖像處理，數(shù)據(jù)挖掘研究(E-mail:yangyun11@163.com);

馮 聰(1986-)，男，江蘇徐州人，碩士，主要從事嵌入式開發(fā)應(yīng)用研究(E-mail:fengcong1986@163.com).