基于反射式光纖傳感的彈丸測速方法

任 敏，張艷兵，祖 靜

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室，山西 太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051）

0 引言

彈丸飛行速度測量是武器系統(tǒng)運(yùn)動參數(shù)中一項重要測試內(nèi)容，它對于武器系統(tǒng)的研究、定型、生產(chǎn)質(zhì)量控制、產(chǎn)品檢驗及彈道理論研究具有重要意義［1-2］。目前對于彈丸速度測量方法主要有接觸式（金屬網(wǎng)靶）和非接觸式（多普勒測速雷達(dá)、線圈靶、光幕靶、天幕靶等）兩種方式［3］。

近年來，隨著軍事技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電磁軌道炮作為一種先進(jìn)的武器系統(tǒng)，受到了世界各國軍事研究領(lǐng)域的極大重視，它在發(fā)射機(jī)理、工作環(huán)境以及工作特點等方面與傳統(tǒng)的火炮發(fā)射系統(tǒng)有著根本的不同，因此電磁軌道炮彈丸速度測量也成為當(dāng)下新的研究課題。電磁軌道炮具有彈丸飛行速度快，電磁干擾強(qiáng)烈等特點［4］。傳統(tǒng)的多普勒測速雷達(dá)以及線圈靶彈丸測速方法由于受到電磁干擾的影響，測試靈敏度明顯降低；而光幕靶、天幕靶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗震能力差，測量精度難以保證［5］。

本文針對傳統(tǒng)測速方法易受電磁干擾、測試靈敏度低、測量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，提出了基于反射式光纖傳感的彈丸測速方法。

1 傳統(tǒng)彈丸測速方法與反射式光纖傳感原理

1.1 傳統(tǒng)彈丸測速方法

目前傳統(tǒng)的彈丸速度測量方法主要有接觸式和非接觸式兩種方式。接觸式主要是金屬網(wǎng)靶測量法，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是由于彈丸撞擊絲網(wǎng)，會一定程度上影響彈丸的飛行姿態(tài)，造成較大誤差，而且只能進(jìn)行一次試驗，可重復(fù)性低；非接觸式測量方法主要包括多普勒測速雷達(dá)、線圈靶、光幕靶、天幕靶等方式［6］。非接觸法測量過程不影響彈丸的飛行，具有較高測量精度，但是適用范圍有限。多普勒測試?yán)走_(dá)和線圈靶測量過程中易受電磁干擾，引起誤觸發(fā)［7］；而光幕靶和天幕靶安裝復(fù)雜，成本高，抗震能力較差［8］。這些方法由于電磁干擾和自身結(jié)構(gòu)限制，在電磁軌道炮彈丸測速領(lǐng)域難以達(dá)到良好的效果。

1.2 反射式光纖傳感基本原理

反射式光纖傳感主要由光源、傳輸光纖以及光電轉(zhuǎn)換器件等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示［9］。

圖1 反射式光纖傳感基本原理圖Fig.1 Reflective optical fiber sensor principle diagram

基本原理：光源將光信號耦合至入射光纖，照射到待測物體表面，部分入射光經(jīng)反射面反射至接收光纖，接收光纖將所接收到的光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路變?yōu)殡娦盘?，然后通過輸出裝置采集處理。

2 基于反射式光纖傳感的彈丸測速方法

2.1 測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

基于反射式光纖傳感的彈丸測速系統(tǒng)主要由光源（激光器和光纖分束器），兩組反射式光纖（光纖采用Y 型結(jié)構(gòu)，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為入射光纖和接收光纖）、光電探測器、信號調(diào)理電路、速度測量與顯示模塊五部分構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 測速系統(tǒng)整體框圖Fig.2 The block diagram of velocity measuring system

2.2 系統(tǒng)測速原理

激光光源經(jīng)耦合光路將激光傳輸?shù)饺肷涔饫w提供照明，當(dāng)有彈丸飛過第一個光纖探頭時，入射光束被彈丸反射到接收光纖中，利用光電探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號產(chǎn)生一個電脈沖，當(dāng)彈丸繼續(xù)飛行通過第二個光纖探頭時也會產(chǎn)生一個脈沖信號，兩個脈沖信號經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后變?yōu)閿?shù)字電路可識別的電平范圍。利用FPGA 作為控制單元記錄兩個電平信號的時間間隔T，兩組接收光纖的垂直距離S 已知，這樣利用公式V=S／T 就可以求得彈丸飛行的平均速度V。整個計算過程在FPGA 內(nèi)部完成，并將計算結(jié)果通過LCD 液晶屏實時顯示。

激光光源采用808nm 波長的半導(dǎo)體激光器，激光的出纖功率300mW，通過內(nèi)徑為50μm 的光纖傳導(dǎo)至光纖探頭。光電探測器采用PIN 硅光電二極管，其光敏面的直徑為5mm，響應(yīng)時間不大于5ns，最小可探測信號強(qiáng)度為10-5mW。由于光電探測器轉(zhuǎn)換得到的電信號很微弱，大約在3μA 左右，為了準(zhǔn)確無誤地識別脈沖信號，必須對接收到的微弱電信號進(jìn)行放大和整形處理。信號調(diào)理電路包括信號放大電路和比較電路，其中信號放大電路將光電探測器輸出的微弱電信號放大到數(shù)字電路可識別的電平范圍；比較電路將放大的脈沖信號重新整形成TTL數(shù)字邏輯電平信號。

為了滿足電磁軌道炮彈丸飛行速度的測試要求，采用集成度高、處理速度快的FPGA 芯片作為主控單元，實現(xiàn)觸發(fā)信號的間隔計時，進(jìn)而完成速度計算并驅(qū)動LCD 液晶屏實時顯示速度值。這里采用FPGA 不僅可以提高系統(tǒng)的測量精度與可靠性，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且整個設(shè)計是基于高層次進(jìn)行，開發(fā)周期短，成本低，各種邏輯控制也較容易實現(xiàn)。測速原理框圖如圖3所示。

圖3 速度測量原理圖Fig.3 the principle diagram of velocity measurement

2.3 速度計算仿真

由于系統(tǒng)時鐘信號的周期是固定的，通過記錄兩個脈沖信號之間的時鐘周期個數(shù)就可以測出其時間間隔T。系統(tǒng)采用一枚50 MHz晶振作為時鐘源，當(dāng)?shù)谝粋€脈沖上升沿到來的時候，計數(shù)器使能信號count＿en 變?yōu)榈碗娖接行В跁r鐘信號的驅(qū)動下，計數(shù)器counter開始計數(shù)。當(dāng)?shù)诙€脈沖上升沿到來時，計數(shù)器使能信號count＿en變?yōu)楦唠娖?，計?shù)器停止計數(shù)，由ISE 軟件得到的原理仿真圖如圖4所示。若計得兩個脈沖信號之間時鐘周期個數(shù)為n，則兩個脈沖信號時間間隔T=n／50 MHz。

圖4 脈沖間隔時序仿真圖Fig.4 Pulse interval timing simulation diagram

通過硬件編程方式將兩組接收光纖的垂直距離S 提前輸入FPGA，當(dāng)系統(tǒng)測量得到兩個脈沖時間間隔T 時，F(xiàn)PGA 內(nèi)部邏輯實現(xiàn)公式V=S／T 的求解，并啟動LCD 驅(qū)動程序使液晶屏實時顯示速度值V ，測量完成后通過手動復(fù)位，即可進(jìn)行下一次實驗。整個過程程序設(shè)計相對簡單，限于篇幅，這里不再敘述。

3 誤差分析與試驗結(jié)果

3.1 測量誤差分析

由公式V =S／T 可知測量誤差主要來自兩個方面：靶距誤差和測時誤差，即兩接收光纖的垂直距離S的測量誤差和兩個脈沖信號時間間隔T 的測量誤差。其中S 確定為100mm，由于光纖探頭上裝有光纖準(zhǔn)直及聚焦器件，可保證兩束激光入射及接收的平行性，光斑尺寸30μm。采用精度為0.02mm游標(biāo)卡尺測量固定靶距，試驗過程中最多有一個光斑尺寸的距離誤差，所以ΔS 最大測量誤差為±0.05mm。時間間隔T 的測量誤差主要來自兩個方面：兩個光電探測器輸出的不一致性ΔT1，脈沖間隔時鐘計數(shù)測量誤差ΔT2。電磁軌道炮彈丸的飛行速度大約為500～2 000m／s。由于光電探測器的響應(yīng)時間不大于5ns，所以ΔT1最大誤差為5ns，時鐘計數(shù)測量誤差ΔT2最大為一個時鐘周期，即20ns?？偟臅r間測量誤差

3.2 試驗結(jié)果

利用基于反射式光纖傳感的彈丸測速方法對電磁軌道炮彈丸飛行速度進(jìn)行了測量。實驗過程中將調(diào)理電路輸出信號分為兩路，一路按照系統(tǒng)原理圖送給FPGA 進(jìn)行智能處理，另一路則通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)直接輸出到外接示波器進(jìn)行手動測量。將兩種方法計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。總共進(jìn)行了10發(fā)彈丸測試試驗，彈丸飛行速度分布在1 000～2 000 m／s之間。圖5所示為其中一次試驗后外接示波器輸出的信號波形。由圖中可以讀出兩脈沖之間時間間隔為70μs，計算可知彈丸的飛行速度為1 428 m／s，通過測量系統(tǒng)自動顯示的速度數(shù)據(jù)位1 436 m／s，兩者測量結(jié)果基本一致。表1中列出了10發(fā)彈丸的具體測量數(shù)據(jù)。

圖5 彈丸速度測量波形圖Fig.5 The projectile velocity measurement waveform

表1 彈丸速度測試數(shù)據(jù)Tab.1 The projectile velocity test data

4 結(jié)論

本文提出了基于反射式光纖傳感的彈丸測速方法，用于測量電磁軌道炮彈丸飛行速度。該方法利用光纖作為觸發(fā)信號傳輸介質(zhì)，有效地避免了強(qiáng)電磁干擾對測量裝置的影響，運(yùn)用內(nèi)部邏輯資源豐富的FPGA 作為主控芯片，智能實現(xiàn)彈丸速度計算與實時顯示。多次測量試驗表明：基于反射式光纖傳感的彈丸測速方法具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、可靠性強(qiáng)等特點，可廣泛應(yīng)用于槍炮彈丸速度測試領(lǐng)域。

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