自消除激光破片測(cè)速儀誤觸發(fā)的算法

曹　勛， 趙冬娥，張　斌，劉小彥，李佳潞，史曉軍，王利勇

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西，太原　030051;2.晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西，太原　030027)

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自消除激光破片測(cè)速儀誤觸發(fā)的算法

曹勛1， 趙冬娥1，張斌1，劉小彥1，李佳潞1，史曉軍2，王利勇2

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西，太原030051;2.晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西，太原030027)

針對(duì)現(xiàn)有采用內(nèi)觸發(fā)方式的JGM-P400激光破片測(cè)速儀在戰(zhàn)斗部野外靜爆試驗(yàn)中存在誤觸發(fā)現(xiàn)象，在對(duì)靜爆試驗(yàn)中破片過靶信號(hào)為正向脈沖信號(hào)進(jìn)行理論分析和建模仿真基礎(chǔ)上，提出了基于過靶信號(hào)脈沖寬度的自消除系統(tǒng)誤內(nèi)觸發(fā)算法。通過設(shè)置合適的過靶信號(hào)脈沖寬度閾值TS，給出內(nèi)觸發(fā)有效與否的判決表達(dá)式，并做算法的FPGA實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表明：設(shè)置閾值TS為100 μs時(shí)，該算法能有效判別系統(tǒng)內(nèi)觸發(fā)是否有效，并自動(dòng)消除誤觸發(fā)現(xiàn)象，保證了激光破片測(cè)速儀測(cè)得的數(shù)據(jù)正確、可靠。

信息處理技術(shù)；激光破片測(cè)速儀；誤觸發(fā)；過靶信號(hào)；脈沖寬度

破片速度是衡量戰(zhàn)斗部爆炸威力的重要參數(shù)之一，而激光破片測(cè)速儀是基于高速破片穿過兩平行激光光幕靶的時(shí)間差Δt來測(cè)得破片飛行速度[1]。文獻(xiàn)[2]中研制的激光破片測(cè)速儀采用上升沿內(nèi)觸發(fā)方式，即當(dāng)破片穿過光幕靶時(shí),光電探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)正向脈沖過靶信號(hào)來觸發(fā)測(cè)速儀開始工作，該觸發(fā)方式存在誤觸發(fā)的問題。因?yàn)楫?dāng)非探測(cè)目標(biāo)(如飛行的昆蟲、沙子)在戰(zhàn)斗部靜爆之前誤穿過激光光幕靶時(shí)會(huì)造成儀器誤觸發(fā)，獲取不到正確的數(shù)據(jù)，致使靜爆試驗(yàn)測(cè)試失敗。采用基于光觸發(fā)的外觸發(fā)方式[3]因戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)產(chǎn)生火光成分的復(fù)雜性及環(huán)境光對(duì)光電探測(cè)器的干擾，同樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)速儀的誤觸發(fā)現(xiàn)象；采用通斷靶的外觸發(fā)方式則存在布線繁瑣、安全性差的問題。因此，提出基于FPGA的破片過靶信號(hào)正向脈沖寬度算法，實(shí)現(xiàn)了激光破片測(cè)速儀自動(dòng)判決并消除內(nèi)觸發(fā)的誤觸發(fā)現(xiàn)象，從而保證儀器測(cè)得破片速度數(shù)據(jù)的可靠性。

1　過靶信號(hào)模型建立及算法分析

1.1破片過靶信號(hào)模型建立

破片高速穿過激光光幕靶時(shí)，破片的表面會(huì)遮擋部分光幕，從而匯聚到光電探測(cè)器的光通量隨之減少，使得光電探測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)正向脈沖電信號(hào)，該信號(hào)即為破片過靶信號(hào)[4]。過靶信號(hào)的脈沖寬度與破片速度成反比，其幅值與破片表面遮擋光幕的面積成正比。破片是戰(zhàn)斗部殼體內(nèi)預(yù)制的球形鎢珠，破片過靶示意圖如圖1所示。

圖1中，破片是直徑D=4 mm的球形鎢珠，激光光幕靶的厚度h=4 mm，且光強(qiáng)分布均勻。根據(jù)破片過靶模型，可得到破片在穿越光幕靶的整個(gè)過程中遮擋光幕面積A(x)與破片進(jìn)入光幕相對(duì)位置x的函數(shù)表達(dá)式為

(1)

式中,x為破片進(jìn)入光幕的相對(duì)位置。

由式(1)可知，假設(shè)破片以速度v=1km/s垂直穿過光幕靶，破片從開始進(jìn)入光幕到飛離光幕的距離S1=(D+h)為8mm，則整個(gè)飛行過程持續(xù)時(shí)間Δt1=S1/v=8μs，遮擋光幕面積與過靶信號(hào)幅值的轉(zhuǎn)換系數(shù)δ=0.1V/mm2，由此可建立破片過靶信號(hào)的幅值U1(t)=δA(x)與過靶時(shí)間t的理論模型如圖2所示。

1.2非探測(cè)目標(biāo)過靶信號(hào)模型建立

戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)在野外進(jìn)行，常見的非探測(cè)目標(biāo)為空中飛行的昆蟲和沙塵，因沙塵形狀近似為球形，其過靶信號(hào)模型與破片類似，故選取昆蟲作為非探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行分析，分析時(shí)采用錐形柱體近似昆蟲的方法模擬昆蟲穿過激光光幕靶的過程，錐形柱體過靶示意圖如圖3所示。

(2)

由式(2)可知，假設(shè)錐形柱體以速度v=18m/s垂直穿過光幕靶，柱體穿過光幕靶整個(gè)飛行距離S2=(D+l)為12mm，則整個(gè)飛行過程持續(xù)時(shí)間Δt2= S2/v=667μs，遮擋光幕面積與過靶信號(hào)幅值的轉(zhuǎn)換系數(shù)δ保持不變，由此建立柱體過靶信號(hào)的幅值U2(t)與過靶時(shí)間的理論模型如圖4所示。

1.3自消除系統(tǒng)誤觸發(fā)算法

在戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)中，根據(jù)其所裝火藥當(dāng)量不同，產(chǎn)生預(yù)制破片飛行速度范圍可達(dá)每秒數(shù)百米到上千米[5]，而昆蟲飛行速度[6]上限為36m/s。若飛行速度越慢，則其對(duì)應(yīng)的過靶信號(hào)脈沖寬度就越寬。由上述過靶信號(hào)數(shù)學(xué)模型可知，破片過靶信號(hào)的正向脈沖寬度Δt1為8μs，柱體過靶信號(hào)的正向脈沖寬度Δt2為667μs，則Δt2?Δt1。因此可設(shè)置信號(hào)脈沖寬度閾值TS=100μs作為判斷激光破片測(cè)速儀內(nèi)觸發(fā)是否有效的條件，該閾值對(duì)應(yīng)的飛行速度為100m/s，足以區(qū)分破片和昆蟲所對(duì)應(yīng)的過靶信號(hào)，判決條件表達(dá)式為

(3)

由式(3)可知，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)得過靶信號(hào)的脈沖寬度Δt≤TS時(shí)，δ(t)輸出為1，則該觸發(fā)信號(hào)為破片過靶時(shí)產(chǎn)生，判定內(nèi)觸發(fā)有效，破片測(cè)速儀開始采集數(shù)據(jù)；反之，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)得過靶信號(hào)的脈沖寬度Δt>TS時(shí)，δ(t)輸出為0，則該觸發(fā)信號(hào)為昆蟲過靶時(shí)產(chǎn)生，判定內(nèi)觸發(fā)無效，破片測(cè)速儀繼續(xù)檢測(cè)過靶信號(hào)，等待觸發(fā)條件成立。閾值TS的設(shè)置以及檢測(cè)過靶信號(hào)脈沖寬度的算法均可采用基于FPGA的硬件電路實(shí)現(xiàn)。綜上所述，基于過靶信號(hào)正向脈沖寬度的自消除系統(tǒng)誤觸發(fā)算法使激光破片測(cè)速儀能夠自動(dòng)識(shí)別并消除誤觸發(fā)現(xiàn)象，從而保證測(cè)速儀測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2　算法的FPGA實(shí)現(xiàn)及仿真分析

2.1算法的設(shè)計(jì)流程

為獲取過靶信號(hào)的脈沖寬度需要測(cè)得過靶信號(hào)的計(jì)時(shí)起點(diǎn)N1和計(jì)時(shí)終點(diǎn)N2。分析激光破片測(cè)速儀工作原理可知：沒有飛行物體穿過激光光幕靶時(shí)，輸出信號(hào)為系統(tǒng)本體噪聲信號(hào)，其主要成分為幅值小于0.1 V的低頻信號(hào)；當(dāng)有破片或昆蟲等飛行物體穿過光幕靶時(shí)，輸出過靶信號(hào)為幅值大于1 V的正向脈沖信號(hào)。因此，設(shè)定系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)閾值UT為0.2 V，即當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到過靶信號(hào)幅值上升并超過UT時(shí)，設(shè)置該時(shí)刻為計(jì)時(shí)起點(diǎn)N1；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到過靶信號(hào)的幅值下降到小于UT時(shí)，設(shè)置該時(shí)刻為計(jì)時(shí)終點(diǎn)N2。由(N2-N1)×Tclk可得出過靶信號(hào)的脈沖寬度Δt，其中Tclk為FPGA的晶振周期。將Δt與過靶信號(hào)脈沖寬度閾值TS作對(duì)比，并根據(jù)判決條件表達(dá)式(3)即可判定測(cè)速儀內(nèi)觸發(fā)是否有效。系統(tǒng)采用精度為12位，量程為±2 V的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此信號(hào)閾值UT對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為0x8cc。算法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

2.2算法的仿真分析

由上述分析可知，針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)觸發(fā)有效與否兩種情況作具體的算法仿真實(shí)現(xiàn)，算法的Simulate Model仿真圖如圖6和圖7所示。

圖6中，過靶信號(hào)脈沖寬度計(jì)時(shí)器Counter的計(jì)數(shù)值為500，F(xiàn)PGA晶振周期為20 ns，則過靶信號(hào)脈沖寬度為10 μs，該值小于脈沖寬度閾值TS，故判定過靶信號(hào)內(nèi)觸發(fā)有效，觸發(fā)信號(hào)使能端Trig_en輸出高電平，觸發(fā)測(cè)速儀采集數(shù)據(jù)。

圖7中，過靶信號(hào)脈沖寬度計(jì)時(shí)器Counter的計(jì)數(shù)值為20 000，F(xiàn)PGA晶振周期為20 ns，則過靶信號(hào)脈沖寬度為400 μs，該值大于脈沖寬度閾值TS，故判定過靶信號(hào)內(nèi)觸發(fā)無效，觸發(fā)信號(hào)使能端Trig_en輸出低電平，系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)state_i返回到初始零狀態(tài)，即破片測(cè)速儀繼續(xù)檢測(cè)過靶信號(hào)，等待內(nèi)觸發(fā)條件成立。由圖6和圖7可知，算法的仿真結(jié)果與理論分析一致。

3　試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

共進(jìn)行了實(shí)彈測(cè)試和模擬測(cè)試2次試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8是某型號(hào)戰(zhàn)斗部靜爆時(shí)產(chǎn)生的直徑為4 mm預(yù)制破片過靶信號(hào)，該破片速度為862 m/s，過靶信號(hào)理論脈沖寬度為9.3 μs。圖中測(cè)得過靶信號(hào)的脈沖寬度為9 μs，小于閾值100 μs，判定結(jié)果為內(nèi)觸發(fā)有效；圖9是選用總長8 mm的錐形塑料柱體采用彈弓發(fā)射的方法使錐形柱體穿過光幕靶來模擬昆蟲等非探測(cè)目標(biāo)的過靶信號(hào)，柱體速度為19.5 m/s，過靶信號(hào)理論脈沖寬度為615 μs。圖中測(cè)得過靶信號(hào)的脈沖寬度為600 μs，大于閾值100 μs，判定結(jié)果為內(nèi)觸發(fā)無效；信號(hào)理論脈沖寬度與實(shí)際測(cè)得結(jié)果的3%誤差源于系統(tǒng)光電探測(cè)器的響應(yīng)靈敏度，該誤差不影響系統(tǒng)內(nèi)觸發(fā)的判定結(jié)果。綜上可知，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果論證了基于過靶信號(hào)脈沖寬度的自消除激光破片測(cè)速儀誤內(nèi)觸發(fā)算法是切實(shí)可行的。

4　結(jié)束語

在對(duì)飛行物體經(jīng)過激光測(cè)速儀產(chǎn)生過靶信號(hào)的理論分析和建模仿真的基礎(chǔ)上，得出高速飛行破片和低速飛行物體在穿過光幕靶時(shí)，產(chǎn)生過靶信號(hào)的脈沖寬度差異很大這一結(jié)論，進(jìn)而提出了基于過靶信號(hào)脈沖寬度的自消除誤觸發(fā)算法，并基于FPGA實(shí)現(xiàn)算法和仿真。理論分析和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果均說明了算法的正確性。該算法還可應(yīng)用于其他動(dòng)態(tài)測(cè)試觸發(fā)系統(tǒng)。

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ZHAI Wen. The fastest speed of flying insects[EB/OL]. http:∥www.cnki.com.cn.(in Chinese)

An Algorithm Designed for Automatically Eliminating the False Trigger of Laser Fragments Velocimeter

CAO Xun1, ZHAO Dong’e1, ZHANG Bin1, LIU Xiaoyan1, LI Jialu1, SHI Xiaojun2, WANG Liyong2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan030051，Shanxi,China；2.Jinxi Industries Group Co. Ltd, Taiyuan030027，Shanxi,China)

In response to the existing false trigger phenomena of laser fragments velocimeter JGM-P400 through internal trigger mode and based on the theory and simulation analysis of the signal as the fragments flying across the laser screen in the warhead static explosive experiment, an algorithm is put forward which could automatically eliminate system false trigger based on signal pulse width. Through setting the appropriate threshold of the signal pulse widthTS, a conclusion is reached whether the internal trigger is judged valid or not by offering an expressive formula and conducting the FPGA implementation of the algorithm. Test results show that this algorithm can not only judge but also eliminate the system false trigger automatically when theTSis 100 μs, which guarantees the correctness and reliability of the data measured by the velocimeter.

information processing; laser fragments velocimeter; false trigger;signal flying across the laser screen; pulse width

2015-04-15

教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(No.211027);山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新項(xiàng)目(No.20143080)

曹勛(1990—)，男，碩士研究生，主要從事動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)研究。E-mail：caoheqichun@163.com

趙冬娥(1970—)，女，教授，主要從事光電探測(cè)技術(shù)研究。E-mail：zhaodonge@nuc.edu.cn

TN247

A

1673-6524(2016)01-0079-04