子彈速度光幕靶綜合測(cè)試系統(tǒng)

李 國(guó)，譚 華

（桂林航天工業(yè)學(xué)院電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

光幕靶測(cè)試系統(tǒng)是對(duì)飛行子彈或炮彈在一個(gè)相對(duì)位置采用紅外光轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)而進(jìn)行的探測(cè)的儀器[1]。

1 設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理是以子彈出膛后，首先穿過(guò)第一個(gè)光幕靶，子彈阻斷光幕靶的紅外光，由光幕靶造成第一個(gè)脈沖信號(hào)，子彈穿過(guò)第一個(gè)光幕靶航行一段距離后，進(jìn)到第二個(gè)光幕靶，子彈阻隔光幕靶的紅外光，這時(shí)，由光幕靶造成第二個(gè)脈沖信號(hào)，產(chǎn)生的兩個(gè)脈沖信號(hào)送入測(cè)試系統(tǒng)，兩個(gè)光幕靶的間距是已知的，測(cè)得兩個(gè)脈沖信號(hào)之間的時(shí)間，就可以計(jì)算出子彈的飛行速度[2]。防護(hù)裝甲的著彈點(diǎn)與光幕靶的距離是已知的，子彈重量是已知的，通過(guò)檢查靶板的受損情況，來(lái)判斷防護(hù)裝甲是否符合質(zhì)量要求。如圖1所示。

圖1 靶試原理圖

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

此方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：需求分析整理；設(shè)備總體原理設(shè)計(jì)；設(shè)備硬件及主要部件的選型；應(yīng)用軟件功能設(shè)計(jì)；其他附件等的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由PXI 測(cè)控系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理及應(yīng)用軟件等構(gòu)成。

2.2 模塊及設(shè)備選型

PXI 機(jī)箱是PXI 類(lèi)控制器及功能模塊的載體；PXI控制器是系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)單元，管理整個(gè)系統(tǒng)；PXI 頻率計(jì)、計(jì)數(shù)器、脈寬測(cè)量模塊，用于計(jì)數(shù)或脈寬測(cè)量；信號(hào)調(diào)理模塊，用于接收光幕靶信號(hào)并轉(zhuǎn)換為能被計(jì)數(shù)器、脈寬測(cè)量模塊識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

圖2 PXI測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成

2.3 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

（1）完整性準(zhǔn)則：將提供一套完整的、先進(jìn)的、可靠的、穩(wěn)定工作的、滿(mǎn)足技術(shù)要求的全新系統(tǒng)。

（2）安全準(zhǔn)則：設(shè)備在工業(yè)環(huán)境下能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，具有一定的抗各種工業(yè)電磁干擾的能力和供電保護(hù)的要求。

（3）系統(tǒng)的先進(jìn)性：提供的系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件，采用的是目前成熟的較為先進(jìn)的技術(shù)，與當(dāng)前通用計(jì)算機(jī)硬件及軟件技術(shù)保持兼容。

2.4 遵循的規(guī)范

設(shè)備在制造和投運(yùn)過(guò)程完全滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求，且采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)遵循的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。

2.5 測(cè)試原理

基于《靶試原理圖》，測(cè)試系統(tǒng)需要測(cè)試兩個(gè)脈沖間的時(shí)間，精準(zhǔn)的測(cè)量有兩種方案：一是采用高速電子計(jì)數(shù)器，以計(jì)數(shù)的方式進(jìn)行測(cè)量，二是采用脈寬測(cè)量的方法進(jìn)行測(cè)量，兩種測(cè)量方法均能達(dá)到精確測(cè)量的目的[3]。

2.5.1 高速電子計(jì)數(shù)器測(cè)量

選用髙速電子計(jì)數(shù)器，假定記數(shù)頻率為10MHz，時(shí)間分辨率可以達(dá)到100MHz，假如光幕靶1與光幕靶2中間的間距為1m，子彈速率為100m/s，子彈穿過(guò)光幕靶1與光幕靶2中間的時(shí)間為1ms，100MHz 的分辨率足夠精確測(cè)量，就算是靶間隔減少為0.1m，子彈穿過(guò)的時(shí)間為0.1ms，100MHz 的分辨率也可以同樣實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。為了能夠精準(zhǔn)測(cè)量子彈穿過(guò)兩個(gè)光幕靶的速度，需要解決子彈穿過(guò)光幕靶時(shí)光幕靶產(chǎn)生脈沖的建立時(shí)間問(wèn)題。如圖3所示。

圖3 建立時(shí)間分析理圖

當(dāng)子彈到達(dá)光幕靶1時(shí)，也就是上圖的a1位置，開(kāi)始產(chǎn)生輸出脈沖，從a1到c1這段就是脈沖信號(hào)從0狀態(tài)上升到1狀態(tài)，這段時(shí)間就是建立時(shí)間，當(dāng)脈沖信號(hào)從a1上升到b1時(shí)，b1是計(jì)數(shù)器的最小識(shí)別信號(hào)，開(kāi)始計(jì)數(shù)，到達(dá)d 位置時(shí)結(jié)束計(jì)數(shù)；子彈到達(dá)光幕靶2后，情況同光幕靶1。

如果同一個(gè)10MHz 的連續(xù)脈沖，提前發(fā)送給兩個(gè)分別對(duì)應(yīng)光幕靶1和光幕靶2的計(jì)數(shù)器，由于子彈未到達(dá)光幕靶，所以，光幕靶沒(méi)有給出觸發(fā)信號(hào)給計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器處于等待計(jì)數(shù)狀態(tài)；當(dāng)子彈穿過(guò)光幕靶1和光幕靶2時(shí)，光幕靶1首先計(jì)數(shù)，間隔一定時(shí)間后，光幕靶2開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到d 時(shí)，10MHz 的脈沖信號(hào)停止輸出，兩個(gè)計(jì)數(shù)器將同時(shí)停止計(jì)數(shù)，1號(hào)計(jì)數(shù)器減去2號(hào)計(jì)數(shù)器的差值M，就是子彈穿過(guò)兩個(gè)光幕靶間的計(jì)數(shù)，每一個(gè)計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖，每一個(gè)脈沖時(shí)間=1/10MHz=100MHz，M×100MHz 就是子彈在兩個(gè)光幕靶間的飛行時(shí)間，靶間距是已知的，就可以計(jì)算出子彈的飛行速度。

采用這種方式來(lái)測(cè)量子彈的飛行速度非常準(zhǔn)確，因?yàn)榕c光幕靶輸出脈沖信號(hào)的建立時(shí)間無(wú)關(guān)，而且計(jì)數(shù)脈沖頻率很高（10MHz）。

2.5.2 脈沖寬度測(cè)量

如果光幕靶1與光幕靶2之間的距離為10m，子彈速度為1000m/s，子彈穿過(guò)光幕靶1與光幕靶2之間的時(shí)間為10ms，脈寬測(cè)量的分辨力為50ns，該分辨力足以精確測(cè)量子彈穿過(guò)兩個(gè)光幕靶形成的脈沖寬度，即便是靶間距縮短為0.1m，子彈穿過(guò)的時(shí)間為0.1ms，50ns 的分辨力也可以同樣實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。脈寬測(cè)量是直接測(cè)量時(shí)間的，在圖4中Δt 就是測(cè)量出的子彈在兩個(gè)光幕靶間飛行的時(shí)間，速度V=S/Δt，S 為靶間距[4]。

圖4 脈寬工作機(jī)理圖

2.6 測(cè)控系統(tǒng)配置

表1 測(cè)控系統(tǒng)配置

2.7 模塊功能及指標(biāo)描述

2.7.1 頻率計(jì)、計(jì)數(shù)器、脈寬測(cè)量、DO 模塊

頻率計(jì)、計(jì)數(shù)器、脈寬測(cè)量、DO 模塊為80MHz（10ppm精度）板載時(shí)鐘頻率，最大計(jì)數(shù)頻率為20MHz，時(shí)間分辨率可達(dá)50ns。PXI 模塊是基于PCI 總線(xiàn)開(kāi)發(fā)，適用于PXI 平臺(tái)；該型模塊所有通道采用磁隔離技術(shù)，因此，它又具有隔離功能，適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

模塊提供16個(gè)輸入（DI）通道和32個(gè)輸出（DO）通道，每個(gè)通道獨(dú)立工作。計(jì)數(shù)器可用于時(shí)間測(cè)量，DO 可用于脈沖信號(hào)或高低信號(hào)輸出，易于控制設(shè)備內(nèi)部各個(gè)交流繼電器的開(kāi)/關(guān)時(shí)間和時(shí)序。PXI 模塊主要核心指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 核心技術(shù)指標(biāo)

2.7.2 CompactPCI/PXI 機(jī)箱

設(shè)備選用8槽寬機(jī)箱，主要安裝在機(jī)柜機(jī)箱提供了7個(gè)外圍功能卡槽。機(jī)箱增加了2個(gè)獨(dú)立電源擴(kuò)展槽，可對(duì)外部設(shè)備供電，供電電壓可程控。機(jī)箱剩余空間可用于安裝其他設(shè)備，更具集成性，整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高度集成。機(jī)箱配有350W 電源，多組風(fēng)扇，為系統(tǒng)提供可靠的電源及散熱能力。

2.7.3 控制器模塊

控制器模塊采用COMe 架構(gòu)設(shè)計(jì)，所有芯片組的技術(shù)指標(biāo)主要都由COMe 模塊保證。

表3 控制器模塊參數(shù)配置

2.7.4 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊為特定設(shè)計(jì)，目的是將來(lái)自光幕靶的脈沖信號(hào)整形、濾除干擾信號(hào)、調(diào)理為標(biāo)準(zhǔn)模塊能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)及邏輯判斷，它起到能否實(shí)現(xiàn)有效且精確測(cè)量的關(guān)鍵作用。其設(shè)計(jì)上采用與標(biāo)準(zhǔn)模塊對(duì)插直連的方式進(jìn)行連接，無(wú)須線(xiàn)纜過(guò)度，輸入信號(hào)采用2個(gè)BNC 連接器與2個(gè)光幕靶線(xiàn)纜連接。由于標(biāo)準(zhǔn)模塊有16個(gè)脈寬測(cè)量通道，可以做到有多個(gè)冗余通道，該方案設(shè)計(jì)采用脈寬測(cè)量方式進(jìn)行子彈測(cè)速，總可用測(cè)量通道設(shè)計(jì)為4個(gè)，1個(gè)主測(cè)量通道，3個(gè)冗余通道，目的在于：對(duì)比測(cè)量；如果主通道測(cè)量失效，還有3個(gè)備用通道可以使用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的子彈速度光幕靶綜合測(cè)試系統(tǒng)，主要從其原理及設(shè)計(jì)方案的實(shí)施進(jìn)行了詳述，其測(cè)試數(shù)據(jù)滿(mǎn)足文中所提到的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，采用的測(cè)試方法提升了現(xiàn)有設(shè)備的測(cè)試精度及測(cè)試效率，并有效控制了測(cè)試過(guò)程中的成本，有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。