高速运动目标速度测量系统

编号学生姓名专业学号指导教师学院本科生毕业论文高速运动目标速度测量系统High Speed Moving Target VebcityMeasurement System熊朝俊测控技术与仪器100211529张晖光电工程学院二o四年六月毕业论文原创承诺书1. 本人承诺：所呈交的毕业论文高速运动目标的光电精密测 速技术研究，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业论文 工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规 定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2. 本人在毕业论文中引用他人的观点和研究成果，均在文中加 以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个 人和集体均已在文中注明。3. 在毕业论文中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担 相应的法律责任。4. 本人完全了解学校关于保存、使用毕业论文的规定，即：按 照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留 毕业论文的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存毕业论文，可以公布其中的全部或部分 内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作者签名：2014年 月 日摘要高速运动目标的初速是影响目标飞行距离的一个重要因素，是运动目标运行 的一个重要参数。本文针对高速运行的目标(5001500m/s)的运行速度进行高精 度(0.05)测量。利用A=650nm半导体激光器和高速硅光电探测器GT101组成光 电转换系统，将光电转换后的电压信号经过高速比较器与参考电压相比较得到数 字信号，设计了一种数字化激光光幕靶，能够捕捉到快速变化的光信号。以前沿 和后沿综合触发的方式，将目标飞行过程中在进入和飞出光幕边沿时刻数据高速 采样记录，减少了冗余数据，节省了存储器开销，从而使数据处理变得更简单， 使连发测试成为可能。利用数据的连续性来判断信号与噪声，进而消除噪声对测 量的影响。在利用光电精密测速技术时，涉及复杂的空间光交汇计算，通用误差分析方 法比较困难。在目标与光束垂直度适当的情况下，目标运动方向的偏差对测量精 度的影响属于二阶小量。系统整体误差的主要来源为距离测量误差、时间测量误 差以及光束不平行度产生的误差。分析得出本系统在两光束间的不平行度达到 a=100，探测器对准精度达到0.lmm情况下，测量精度可以达到0.02 %。关键词：精密测量高速光幕高速运动目标速度ABSTRACTThe velocity was an important factor of High-speed moving object. It determined how far the object could fly. The target of this article was measuring the velocity of High-speed moving object between 500 to 1500 m/s accurately. The precision should be up to 0.05%. The measuring laser curtain was composed of laser diode(X=650nm)and high speed opto-electric detector GT101 (t r =7ns) that made of silicon. The digital signal sourced from comparing the voltage from sampling circuit with reference voltage by high speed comparator. The system could obtain quickly varying light signal. Using front edge and end edge to trigger the system sampling and storing data so we could store the edge situation of the object flying through the laser curtain. It decreased the redundant data, saved the data storing room and made the signal process more easily and continuous measuring possible. It eliminated the impaction of noisy by checking the continuity of the data.It was related to complex calculation of attitude in Opto-Electronic precision velocity measurement technology with general error analysis. The impaction on measuring precision produced by the deviation of object moving directivity was negligible because of it was second order small quantity in the condition of the angle between the direction of object with light beam was as vertical as possible. The entirety system error sourced from the length error and time error and light-beams non-parallelism. In the condition of non-parallelism was a =100 and opto-detector alignment precision was 0.lmm the system measurement precision could up to 0.02%.Keywords: Accurate measuring,;High speed light curtain,;High speed moving object,;velocity目录摘要IABSTRACTII目录III第1章绪论11.1课题背景提出11.2弹丸测速技术发展及现状11.2.1 接触式测量11.2.2 非接触式测量11.3光幕测速技术简介及发展31.4 论文的主要工作4第2章 测量系统原理及结构52.1测试原理及测试系统模型52.2测试系统系统结构62.2.1. 系统光源62.2.2. 光电接收部分72.3测量方案92.3.1触发方案92.3.2存储方案92.4测量精度分析102.4.1测试精度影响因素分析112.4.2系统速度测量精度分析总结12第3章 测速系统硬件电路143.1激光器驱动电路143.2光电探测器接收电路153.3信号接收及控制电路173.3.1模拟通道选择模块183.3.2 嵌入式控制模块183.3.3 DAC输出模块193.3.4 通讯模块193.4 键盘显示电路193.5 系统电源电路 20第4章 高速光幕测速系统软件结构224.1系统自检224.2测量控制过程224.3数据处理及显示224.4数据处理22第 5 章 总结与展望26参考文献27致谢29第1章绪论1.1课题背景提出弹丸速度是衡量武器性能的重要参数。速度测量的精确与否直接关系到武 器的性能，所以深入研究弹丸测速技术，不断地将一些高新技术应用于弹丸测 速技术，开发新的弹丸速度测量方法，提高测速精度是一项长期研究的工作， 是提高武器战术技术性能的一项基础性工作，也是影响武器发展的一个重要环 节。1.2弹丸测速技术发展及现状由于弹头出口时处于高速运动状态且伴随高速、高压、高温的火药燃气、 残渣及复杂的物体化学变化过程。这种恶劣的状态给测试工作带来极大的难度。 瞬时速度测量法可采用弹道摆或微波倾角法可以换算出物体的瞬时飞行速度， 但测试误差较大，目前很难达到很高精确。弹丸初速的确定是以测量弹丸在弹 道上通过一定距离的很短时间间隔为基础，并认为弹丸在此距离飞行时为均匀 减速飞行。因此，到目前为止，弹丸初速通常不是直接在膛口处测量获得，而 是通过测量弹丸在某段弹道行程上的平均速度来获得的。再经过炮口修正，便 可得到弹丸的初速度。对于高速运动的物体，如子弹、炮弹等的速度测量常用 的测量方法按测速原理可分成三类，即：瞬时速度测量法、平均速度测量法和 多普勒原理测量法。按照测量时弹丸是否与测速靶接触分，又可分为接触式测 量和非接触式测量。1.2.1接触式测量接触式测量又包括铜丝网靶、箔靶、铜丝惯性靶等方法。铜丝网靶是用细 铜丝制成栅网状，并用胶水粘连在两纸之间即成纸网靶，或用导电胶将栅网上 印制在纸上制成印刷网靶。它们都是靠弹头穿过网靶瞬间“碰断”栅丝工作的， 是一种断靶箔靶是在两层很薄的铝箔（或锡箔）中间夹一层泡沫塑料并用胶水粘 联而成，靠弹头穿过靶时瞬间接触使两层铝箔（或锡箔）短路工作的，是一种通 靶。由于靠接触进行测量，存在对弹速及飞行姿态有较大影响、并且不能保证 每发都可靠的短路等缺点铜丝一惯性靶（又称铜丝一钢板靶），是一种复合靶。 第一靶是铜丝靶，即用细铜丝固定在枪口夹上；第二靶是惯性靶，即将惯性靶 固定在垂吊的钢板上，属于断靶接触式测量由于可靠性较差，精度较低，在当 前测试条件下已显得落后，不能够适应当前高精度测量了。现在测量大多采取 非接触式测量。1.2.2非接触式测量非接触式测量又可分为天幕靶测速、线圈靶测速、光幕靶测速、雷达测速、 激光多普勒测速、GPS测速以及微波干涉、高速摄影等技术。(1) 天幕靶测速天幕靶是一种以光电转换为基础用于探测飞行弹丸到达空间某一预定位置 时刻的仪器。主要由天幕镜头、光电转换器件、狭缝光阑以及处理电路等组成。 在室外工作时，天幕靶以天空为背景。由于狭缝光阑的作用，天幕镜头的视场 为有一定厚度的扇形，通常称之为天幕。一旦弹丸进入该天幕，遮住天幕投射 到狭缝的部分光能使光电转换器件上的光电流发生变化，该变化信号经处理电 路放大、整形后输出一个脉冲信号，用于设计弹丸测速依据。天幕靶是以由光 学系统形成的无形靶面和光电器件构成的非接触型区截装置。其优点是靶面大、 测速精度高、稳定可靠性好、使用方便。目前国内科研单位研制的型号有JYJ-90 型水平天幕靶、DGQ-96水平天幕靶、LB- II型天幕靶、GD-93水平天幕靶等。(2) 线圈靶测速线圈靶测速是利用线圈感应测速。其测速原理是：首先在炮口安装两个相 距一定距离的感应线圈，线圈中通有电流，在线圈周围形成一个电磁场，当弹 丸发射经过线圈时引起磁场的变化产生两个信号，根据两信号的间隔时间及线 圈的距离计算出弹丸出炮口速度的均值，达到测速的目的。线圈靶分励磁式和 感应式两种，感应式线圈靶需要事先磁化的弹丸，当它穿过线圈靶时，造成线 圈内磁通量的变化，在线圈内产生感应电动势。励磁式线圈靶有两组线圈，内 层为励磁线圈，工作时，通入直流励磁电流，产生一个恒定磁场。外层为感应 线圈，当弹丸穿过时，由于弹丸中有金属材料，造成感应线圈的磁通变化，产 生感应电动势。线圈靶与光电靶相比，只能测试金属弹丸，无法完成铅芯弹和 塑料弹丸的测试，但线圈靶不受震动、炮口火光和光源因素的影响，可以在光 电靶无法使用的情况下完成测速，如对弹丸水下弹道有效射程内要进行全弹道 速度测试时使用线圈靶。(3) 光幕靶光幕靶是以光电转换为基础的弹丸飞行速度测量装置。它以光幕作为靶面， 当有弹丸穿过光幕时，光电接收部分收到的光通量发生变化，经过光电转换元 件转换成电信号的变化，然后根据电信号的变化来触发和停止计数单元。根据 已知的靶距，我们就可以计算出目标飞行通过光幕的平均速度来。光幕靶主要 由光源、光接收部分以及固定支架组成。它具有测试精度高、灵敏度调节灵活、 便于维护操作、成本低等特点。(4) 雷达测速雷达测速是利用多普勒效应原理测量运动目标速度的。1842年由奥地利物 理学家J.C.多普勒发现多普勒效应(Doppler effect)，波源与观察者(接收器)间有 相对运动时，观测到的波频率与波源发出的波频率不同的现象。也称多普勒频 移。CS-2毫米波多普勒测速雷达主要由高频头、红外启动器、预处理系统和终 端系统所组成，由于采用了毫米波及国际上先进的信号处理的谱分析方法，加 上滤波自动籍位等措施，提高了整机的抗干扰能力、测试精度及探测距离，使 得测试多个目标及在靶道内测试成为可能。该系统测试量程大于弹头口径的 6000倍，外弹道测速范围为300-2000m/s，其测试误差小于0.3，可测出双头弹 2个弹头的速度。对目标速度的测量就是对多普勒频率的测量，精密测量采用 闭环测量法，用窄带跟踪滤波器和二阶环路实现。(5) 激光多普勒测速激光多普勒测速(laser Doppler velocimeter, LDV)是利用激光多普勒效应来 测量流体或固体运动速度的。它通常由激光器、入射光学单元、接收或收集光 学单元、多普勒信号处理器、数据处理系统或数据处理器组成。它具有非接触 测量、线性特性、较高的空间分辨率和快速动态响应等特点。(6) GPS测速GPS(Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System)是美 国国防部组织海陆空三军于1973开始共同研究建立新一代卫星导航系统。该系 统花费超过100亿美元的庞大研制经费，经过20余年的不懈努力，最后于1994 年3月10日24颗工作卫星全部进入预定轨道，系统全面投入正常运行。它是 新一代精密卫星定位系统，它不仅具有全球性、全天候和连续的精密三维定位 能力，而且能实时地对运载体的速度、姿态进行测定以及精确授时。全球定位 系统(GPS)由三部分组成，即空间卫星星座部分、地面监控部分和用户设备部分 (GPS接收机)。GPS测速大致有3种方法：第一是基于GPS高精度定位结果， 通过位置差分来获取速度；第二是利用GPS原始多普勒观测值直接计算速度； 第三是利用载波相位中心差分所获得的多普勒观测值来计算速度还有学者提出 了一种炮口被动测速方法，不需发射平台提供电源及设备，仅需在炮口处安装 相隔一定距离的两个磁环，且测速、计算及装定全部置于弹丸上，由引信本身 所携带的微处理器，根据已测定的目标距离及实测的出炮口速度进行逻辑决策， 确定起爆时间，实现半灵巧的功能(semi-smart)，因无需将测速数据进行传输， 使系统大大简化。本课题从测试精度、系统可操作性、以及成本维护等角度综合考虑，采取 使用光幕靶的方式来精确测量目标速度。1.3光幕测速技术简介及发展在传统的光幕设计中，光源部分产生由近似平行光组成的具有较小厚度的 光幕；接收部分接受发自光源部分的组成光幕的全部光线。处理电路将微弱变 化的电信号放大整形，最后以脉冲的形式输出，这个脉冲信号便是弹丸到达光 幕的时刻信号。测速时，用两台光幕靶与一台测时仪配合，测时仪给出弹丸通 过靶间距离的时间，据此可求出弹丸穿越此段距离的平均速度。根据测速原理， 影响测速精度和稳定性的环节有：平行光幕光强的均匀性；革巴距测量标志线 与无形靶面的平行性；发光器件的稳定性；处理电路的灵敏度和传输时间的一 致性；接收部分对枪口火光的敏感性；整机的抗震性能等因素。随着各种新兴 光源的发展以及光电接收器件性能的不断提高，光幕测速技术也在不断的发展。 如果光源选择自然光，那么组成靶面的固定区域为天幕，比如天幕靶。还有采 用发光二极管(LED)作为光源的，国内有人采用多个LED组成阵列，设计了大 尺寸靶面激光由于其高亮度、单色性、方向性好等优点，非常适合用来作为光 幕靶光源。随着半导体激光器技术的发展，半导体激光器的尺寸越来越小，光 束间距很小的大面积光幕靶成为可能。国内有人利用半导体激光光源经准直、 扩束形成激光光幕，再经距光幕一定距离(C35m)外的具有原向反射特性的微 珠玻璃屏反射回来后，经球面反射镜的会聚由光电探测器接收组成光幕靶。这 种方法需要采用大面积光电探测器，经过扩束后激光光强变弱，不利于探测。 本文利用半导体激光器组成数字化光幕，无需经过放大整形环节，直接经过高 速比较器比较产生数字信号。当有光照时为“0，当有物体挡住光线时为“1。 这样在目标穿过光幕时变会产生“1”信号，我们使用高速采样电路记录目标飞行 通过光幕时光束的通断情况，然后根据记录的数据推算，便可以精确的得知目 标穿过靶面时的时间以及着靶位置。1.4论文的主要工作本课题以弹丸速度测量为研究对象，根据其高速、高精度以及高可靠性的 特点设计了数字化光幕测量系统。本文主要完成以下几个方面的工作：1. 根据测量要求提出了采用激光光幕测量的系统方案；2. 在系统方案的基础上，选择650nm半导体激光器作为光源，高速硅光电 二极管GT101作为光电探测器，选择高速比较器作为比较单元，设计了数字化 激光光幕；3. 针对数字化光幕高速比较电路易产生干扰噪声，分析了噪声产生原因， 并提出了消除噪声的方法。为数字化光幕设计了电源模块、控制主板、键盘显 示模块；4. 对本光幕测速系统的精度进行了理论分析。第2章测量系统原理及结构2.1测试原理及测试系统模型平均速度测量法是通过测量物体飞行路径上一段距离s和物体飞过这段距 离的时间T，由式v=S/T计算物体平均速度的方法。根据原理，平均速度测量 法又可分为定时测距法和定距测时法两种。本文讨论利用高速光电探测的方法 来进行速度的测量，其中高速光电探测信号由物体通过两个相距已知的光束时， 遮挡住光线从而引起光电探测器输出信号的变化来获得。这是一种定距测时法， 是在物体飞行的路径上预先确定好两个光幕靶，靶距S，然后记录下物体经过 两个光幕靶所用的时间T，根据原理就可以计算出物体飞行的平均速度来。测 试系统主要环节在于精确获得物体飞行通过两个光幕之间所需要的时间以及精 确测定两个光幕之间的距离。测试系统的理想模型如图2-1所示。I js 烦 IUser 2 A | oeject 专p-DriKkir 1q DvteGlcr 2珈,小p cf detector 1 ic?ut*uL wtpul图2-1光电法速度测量理想模型图2-2光电法速度测量实际系统示意图2.2测试系统系统结构根据测试原理，我们考虑系统分辨力，以及半导体激光器的尺寸，设计光 束间距为12mm共有72路光束的光幕，每个光幕分成3组，每组24路信号， 每组信号通过一个接口与控制主板相连。测试系统主体结构如图所示。高速光幕测速系统框架图图2-3高速光幕测速系统框架图系统主要由光源、光电接收部分、控制主板及通讯模块、键盘显示模块以 及固定框架和支架组成。2.2.1.系统光源为了获得稳定的光幕，我们必须有稳定的光源。影响测速精度和稳定性的 环节有：平行光幕光强的均匀性、发光器件的稳定性、处理电路的灵敏度和传 输时间的一致性、接收部分对枪口火光的敏感性、整机的抗震性能等。根据以 上因素，我们在选择光幕光源的时候需要考虑的一些原则：(1) 光源要简单；(2) 靶面要足够大；(3) 接收部分要抗炮口火光的干扰；(4) 采用的元器件立足国内普通器件，以便于维护；目前国内有单位研制采用了白炽灯泡作为光源，选用市售的菲涅尔透镜作 为将点光源转换为平行光的透镜，在透镜前面放置发光光阑，这样可保证光幕 厚度的均匀性。还有文献指出利用发光二极管阵列组成线光源实现大靶面光幕 靶。还有人利用半导体激光光源经准直、扩束形成激光光幕，再经距光幕一定 距离(35m)外的具有原向反射特性的微珠玻璃屏反射回来后，经球面反射镜的 会聚由光电探测器接收，组成光电测试系统。激光由于其具有很好的单色性、方向性、高亮度和高功率辐射密度等特点， 因此激光在光电信号检测系统中得到了广泛的应用。半导体激光器具有体积小、 重量轻、效率高、工作寿命长等优点，使用非常广泛。650nm半导体激光器由 于其非常常用，价格低，又属于可见光范围，方便调试。因此，本测量系统光 源采用650nm半导体激光器。激光器主要参数见表2-1所示：表2-1激光器主要参数波长X(nm)650出瞳功率(mW)5光斑直径O ( 1m处)(mm)1光斑形状椭圆输入电压(V)35工作电流(mA)-20工作温度-10C-50C储藏温度-40C85 C尺寸(mmxmm)010x162.2.2.光电接收部分光电接收部分以硅光电二极管为光电探测器件。硅光电二极管在结构上和 工作原理上与硅光电池相似，都是基于p-n结的光电效应而工作的。对光电探 测系统响应速度是有一定要求的。一方面要保证整个光电探测系统有较高的响 应速度，即能捕捉到待测信号；另一方面又要保证光电探测系统全部接收待测 信息。由结电容引起的电路时间常数与光电二极管扩散时间同数量级，是决定 光电二极管频率响应特性的重要参数。因此，减小结电容是改善光伏探测器频 响特性的重要措施，p-n结的结电容正比于结面积，反比于耗尽层宽度。要得到 高速的光探测器必须减小结面积，并尽可能增加耗尽层宽度。耗尽层宽度随反 向偏置电压增加而增大，故提高反向偏压可减小结电容，从而得到快速响应的 光电二极管；但耗尽层也不能太宽，否则光生载流子在其中漂移时间太长，对 高频响应不利。此外，减小负载电阻也可提高响应频率，但是负载电阻的减小， 会使输出电压降低。因此，为了提高系统的响应速度，可以采取小面积光电器 件、提高光强、适当减小负载电阻、适当提高偏压等措施，目的是减小载流子 渡越时间及二极管的极间电容。为了全部接收待测信息，可以增大光敏面面积， 实际使用时，为了有效接收信号，应根据具体要求全面考虑。硅光电二极管通 常是用在反偏的光电导工作模式下，在无光照条件下，流过p-n结的电流（俗称 反向饱和电流或暗电流）很小，是由少数载流子的漂移运动形成的。当光照时， 半导体吸收光，在耗尽层或离耗尽层一个扩散长度内产生电子一空穴对，最后 被电场分开。当载流子漂移通过耗尽层时，在外部电路中形成光电流，从而实 现光电转换。本系统使用中电科技集团44所研制的Si PIN光电二极管GT101 系列硅光电二极管。它具有响应速度快、尺寸小、转换效率高等特点。其主要 技术指标见表2-2所示。表2-2光电二极管主要技术指标技术指标（喝=矣）参数符号测试条件典型值单 旦Iffll光敝面直程中0.21.51.01.3x1.J131.3 n2x23x32.04.04EII(5V)戳光渚峋应范围X400-1100LUll哨应腹RVa-15V, X=4K)0nB0.40.40.50.50.4Q0.50.50.50.35A/W-0. 53n0. 150-200.10.10. 150. 120.25A/W响应时间Tf15Vp R.=50Q23530S5150nS电参数曙电流LVF15V123335641215nA反向击宇电压VBI(=10u A80808050808030V电容Cjf=UK2/Vi=L5V0.81.01.63.02051690pF工作电压vR0-30V首座型号同询U型、SWLTO46TCJlti.插振式TO-5TD-8TO-8饱和光功率（1）控制主板及通讯模块控制主板接收来自光电探测板上的信号，控制测量过程的启动、停止等动 作，并根据上位机的指令做相应的处理。当开始测量后，控制主板通过边缘检 测功能模块得到测量信号的前沿和后沿。通过延时模块后，前沿启动计时和地 址发生模块，后沿停止计时和地址发生模块。一次测量过程完成后，CPU读取 SRAM中的数据，然后根据信号数据的连续性来判断，找出目标飞行过程中的 两个后沿地址，然后根据后沿地址找到相对应的计时值，就可以知道目标通过 两个光幕靶之间的飞行时间来，于是根据原理公式就可以计算出目标运动的速 度来。通讯模块通过RS232, RS485总线与主机进行通讯。(2) 键盘显示模块键盘显示模块作为现场的人机接口，它是我们对系统参数设定、控制系统 过程以及显示结果的部件。键盘显示模块通过一片WH8280作为键盘显示驱动 芯片，加上MOS功率管驱动1寸超高亮数码管。键盘显示模块与控制主板间 采用串行通信接口。(3) 固定框架和支架考虑到目标高速出膛时会有大量的膨胀气体以及自然风等因素的影响，因 此光幕结构采用框架式主结构，减少冲击波、风等对光幕结构的影响。光幕主 结构外形尺寸为外形尺寸为980mm x980mm x 625mm，测量区域尺寸为900mmx 900mm x550mm。光幕的框架采用硬质铝合金材料组成，具有刚度强、 重量轻、极低的热膨胀系数等特点。2.3测量方案测量方案包括选择何种触发方式，如何存储数据。2.3.1触发方案从光电探测电路经过高速比较器输出的数字信号输入到控制主板的CPLD 测量开始后，当目标挡住光幕开始触发数据采集称为弹尖触发；当目标飞离光 幕后触发数据采集称为弹底触发方式。两种触发模式使系统灵活性大大增加， 如果把光幕靶作为被控设备或仪器的启动信号，可选择弹尖触发，另外对于携 光弹，也只能采用弹尖触发；如果利用两个启动靶组成一套区截装置测速，也 可选择弹底触发方式，以提高测速精度。一般来说，弹底触发方式测时精度高。 在选择弹尖触发方式时，如果能够保证弹丸在两靶面的相同位置触发，也可以 达到弹底触发方式的测试精度。本系统测量综合采用两种触发方式，在信号发 生变化时触发数据存储。这样保留了有用的信息，丢弃了冗余数据，节省存储 器开销。2.3.2存储方案两光幕靶靶距为500mm，假设目标运动速度为1000m/s，目标的长度为 100mm，则目标飞行通过整个靶的时间为0.6ms，我们用40Msps的速度来采样。 假设每组信号数据为8bit，即一个字节。倘若将整个测量过程的数据存储，则采样的数据为40M x 0.6ms = 24KB， 这样将会产生很大的存储开销，并且无用数据太多，为后续读取也增加开销。倘若我们只将目标在前后两个光幕中穿过时的数据记录下来，即只是在目 标挡住光线时的数据记录，这样的话数据将会大大减少。假设光束宽度为1 mm, 则目标穿过每个光幕的时间约为0.lms (忽略光束宽度影响)，则采样的数据为 40M x 0.1ms x 2 = 8KB，这样我们只记录目标在光幕中穿行的数据，数据量就 减少为原来的三分之一，但仍然还是很大。并且物体在光幕中穿行时仍然有大 量的冗余数据。倘若我们只是在光幕信号发生变化时即目标进入光幕或者飞出光幕时记录 数据，每次数据记录长度设为64,这样既可以保证数据的冗余，又不会产生太 大的开销。这样前后两个光幕的数据存储开销总共为64x 2x 2 = 256。这样存储 器开销大大减少，并且有用的数据都被有效的记录下来了。也大大减少了数据 读取的开销。2.4测量精度分析对于高速运动的物体，如子弹、炮弹等的速度测量常用的测量方法按测速 原理可分成三类，即瞬时速度测量法、平均速度测量法和多普勒原理测量法。 瞬时速度测量法可采用弹道摆或微波倾角法可以换算出物体的瞬时飞行速度， 但测试误差较大，目前很难达到很精确。多普勒原理测速法是利用波传播中的 多普勒效应进行测速的方法，也是一种比较有效的测量速度的方法。具有非接 触测量、分辨力高、响应快、量程大和可分辨方向等特点，目前仪器的测速范 围可以从0.00lm/s到2000m/s，测量精度由0.1%到1%。本文要讨论的问题是：测量以5002000m/s速度运动目标的精确速度，精 度达到0.02%。瞬时速度测量法和多普勒测速法基本不能满足要求，这里采用基于光电管 的平均速度测量法。该方法在许多场合得到了成功的应用，如旋转光编码器， 生成线上的长度和速度测量等。但是当速度和精度都提高到一定程度时，该方 法的应用条件就变得复杂和严格的多，对精度的误差分析也要困难的多。在图2-1所示的原理中，前提条件是：(1) 两束激光共面且完全平行；(2) 目标在两束光线决定的平面内运动；(3) 目标运动方向与激光束严格垂直；(4) 激光光束无限细；(5) 两探测器的性能完全一致；但是实际情况在上述的每条中都发生了小的改变。正是这些小的改变产生 了测量误差。要提高测量精度就需要从这几个方面入手。其中前3条主要引起 目标运动时经过两光束的距离测量的误差，后两条主要引起时间测量的误差。如果全部以独立空间坐标系进行讨论，可变量近10个，非常复杂，而且主 要问题不突出。这里的分析方法是以第一条激光束为基准，它垂直于大地，即 平行于系统坐标轴2,考虑实际系统误差时如图2所示。图2中，O为目标运 动方向与z轴的夹角；0为目标运动方向在XY平面投影与X轴的夹角；a为激 光束2与Z轴的夹角；P为激光束2在XY平面的投影与X轴的夹角；S为激 光束1与2之间的标称距离；L运动目标为激光束1和2交点之间的实际距离， H为运动目标进入点与标称点之间的高度距离。1. 两激光束之间的平行度的影响一般运动目标比激光束要大很多，而且激光束的不平行度在一定范围内， 所以可以认为在目标运动方向上肯定会与两束激光束交汇。如果光束2与光束 1共面且不平行时，理想交汇点与实际交汇点偏差达到最大值（两激光束越来越 远时）或最小值（两激光束越来越近时），此时。=0，最大偏差由a决定。所以因 此这里只需考虑。=0时的情形。2. 目标运动高度的影响当两激光束不平行时，不同的高度有不同的交汇点。因此高度应该在测量 时一起测定。3. 目标运动方向的影响从图2中可以看出，L还与目标运动方向相关。当中确定不变时，如果要 使运动目标与激光束2相交，e和R必须满足一定的关系。当。=0，0=0时， 这时L达到最大值或最小值。因此这里只考虑目标运动方向在两激光束平面内 时即e=o。时情况，交汇点位置只由中决定。根据三角形的正弦定理有：（S + Htg （以）/ sin（180。中以）=L / sin（90。以）（2-1）这里y = 90-中L = （S + Htg（以）c o&/c o y（+以）（2-2）4. 测量时间的影响在该测量方法中，以高频脉冲计数来测量物体经过两光束的时间，T=NTk2.4.1测试精度影响因素分析1. 距离测量精度分析把式（1）按2次级数展开L 牝（S + Ha ）1-巴 + 122 侦 2（以+丫）2（2-3）224二次项可以忽略不计L * S + Ha（2-4）AL 牝 S + AHa + HAa(2-5)式(4)中，S可以由光栅尺测量，精度可以达到0.005mm。而H可以通过另 外一个垂直方向的平行光束间隔确定，本方案实例中精度达到10mm。采用其它 方案或限制手段可以达到更高的精度。a通过自准直仪测量，精度可以达到20 -10.3 弧度。当 H=l0mm, a=100时，AL=0.065 mm。2. 测试时间精度分析在该系统中，计数频率为40MHz, Tk=25ns。但是时间测量的主要问题不是计数单位误差，而是计数本身的误差，即计 数值的准确性。它由探测器参数和方案决定。光束是采用半导体激光器来获得的，光束存在着宽度。假设激光束的宽度 为lmm,假定物体在1000m/s运动速度为下，从刚开始接触光束到完全挡住光束 需要的时间就是0.001/1000 =加s，在这 晾 中何时判断物体已经进入是个关键 的问题。一是需要高速的探测器，本系统中的光电探测器响应时间可达到10ns。二是需要高速比较器，本系统中比较器的响应频率为100MHz,翻转时间精 度至少可以达到5ns。三是比较器的失调比较电压和稳定的阈值比较电压。设探测器放大输出电 压变化范围是2V，那么比较电压的稳定性在l 0mV时，比较器翻转的时间精度 为 1000nsx10mV/2000mV=5ns。通过上面三个条件的讨论，翻转时刻的时间精度完全可以保证在1个Tk之 内。考虑计数器的进位误差，时间测量最终精度可以保证为2个Tk之内。3. 探测器对准精度分析当探测器与激光束的对中发生偏移时，探测器的输出也发生变化，比较器 翻转的时刻也发生变化，对应于目标位置也发生相应变化。因此探测器必须与 激光器很好的对中。2.4.2系统速度测量精度分析总结通过上述分析，目标运动距离测量总体精度为：AL 0.065 + 0.1 = 0.165mmAT = 2T = 50ns = 0.00005msk当 L = 1000mm , T = 1ms 时，V = L / T = 1000m / sAV = (ALT + LAT )T 2 = 0.215m / sAV牝0.02%V通过上述讨论，我们可以看到在小角度范围内，目标的运动方向角度对系 统整体的误差属于二阶小量，a100时可以不用考虑。因此，误差的主要来源 在于距离测量误差、光束不平行度误差、计时误差以及激光器对准误差。在使 用较高精度的光栅尺和较高的时钟频率情况下，光束的不平行度和探测器对准 精度对整体测量误差的影响占到主要地位。为了提高测量精度，首先应该减小 探测器对准精度带来的误差，减小光束的不平行度。在两激光束间的不平行度 达到a=100，探测器对准精度达到0.lmm情况下，测量精度可以达到0.02 %。第3章测速系统硬件电路测速系统的硬件电路包括激光器驱动电路、光电探测器接收电路、信号接 收及控制电路、键盘显示电路以及系统电源电路。其中信号接收及控制电路处 于核心地位，它不仅负责给光电探测器接收电路提供电源，还控制测量过程的 开始、结束等过程。3.1激光器驱动电路半导体激光器采用 芥650nm激光器，出瞳功率5mw, lm处光斑直径中 lmm。激光器内部有稳流电路，这样保证LD的电流不至于过大而烧毁LD管。 由于激光器内部稳流电路的存在，在输入电压超过某一个电压值后，激光器的 电流不再随电压的增长而增长，而是稳定在一个值附近，但同时会产生振荡。 激光器的输出功率会随着电流振荡而出现振荡，这是我们不希望得到的。因此 我们将改进激光器的驱动电路。改进后的激光器驱动电路如图3-1所示。由于 激光器的管壳与LD的正极相连，为了保护LD被静电击穿，我们将LD的正极 接地，负极采用负电源驱动。经过实际的测量，我们将激光器输入电压确定在 2.7V以下时，激光器输出功率稳定，不会出现振荡。采用开关电源从220V AC 得到-8V直流电源，然后经过7905变成-5V，通过一个10A10的整流管、II型 滤波，由于电感有一定的电阻，消耗一部分电压，以及一部分导线损耗，最后 我们在激光器驱动电路板上得到-4.10V直流电压。我们通过在每路激光器上串 联不同阻值的电阻，来调整每路激光器的工作电流，进而调节激光器得输出功 率。这样我们可以通过串联不同阻值的电阻来使得我们的激光器输出功率尽量 一致。单条激光器驱动板的电流在500mA左右。工作温度：-10C50C，储藏 温度：-40C -85C。10A10整流管最大可以通过10A电流，最大反向耐压为1000V。其工作曲 线如下图3-3所示，我们可以看到在电流为5002000mA时，10A10的正向导 通压降在0.76-0.78之间，非常稳定。因此我们用10A10来降压，在大负载时它 的电压变化较小，散热条件也比较好。图3-1激光器驱动电路图3-2激光器驱动电源电路原理图10A10导通压降图图3-3 10A10导通降压图3.2 光电探测器接收电路电邑融）光电探测器采用高速硅光电二极管，器件在反向偏置条件下工作，当光照 时，半导体吸收光，在耗尽层或离耗尽层一个扩散长度内产生电子一空穴对， 最后被电场分开。当载流子漂移通过耗尽层时，在外部电路中形成光电流，从 而实现光电转换。每个探测板上共有24路信号，通过1K电阻作为采样电阻，信号电压从电 阻上取得。光电探测接收电路包括模拟与数字两部分。模拟部分用来测量每路 通道接收到得激光功率强度，并依此来判断此路通道是否是工作正常。将模拟 信号通过模拟开关选择得到所需要通道的信号电压，然后接放大器跟随电路得 到模拟量输出到12位AD输入端。根据AD转换值来判断此通道的激光器工作 是否正常再做相应的处理。数字电路部分通过将信号电压与参考电压作比较， 将高速比较器得输出作为信号值。当激光束没有被挡住时，信号电压比参考电 压高，比较器输出“0”；当有目标挡住光束时，信号电压考电压低，比较器输出 “1”。通过“0”“ 1”数据来判断激光束的通断，从而得到目标穿过光幕的相应情况。 将目标穿过光幕时产生的数字信号存入到SRAM中去。光电探测接收电路如图所示：图3-4光电探测器接收电路图3-5光电探测器接受电路高速比较器采用ADI公司的AD8564。AD8564简介：AD8561是一款单路7 ns比较器，具有单独的输入和输出部分。单独的电源使输 入级可以采用5 V双电源或+5 V单电源供电。AD8561具有7 ns快速传播延迟性能,因而成为定时电路和线路接收机的理想选 择。上升信号与下降信号的传播延迟在整个温度范围内紧密匹配，由于输出的占 空比将会与输入的占空比匹配，因此，这种匹配延迟特性使AD8561较适用于时 钟恢复。AD8561的引脚排列与LT1016相同，具有较低的电源电流和较宽的共模输入范 围，包含了负供电轨。AD8561的额定温度范围为40C 至+85C工业温度范围，提供8引脚塑料DIP、 8引脚TSSOP或窄体SO-8表面贴装封装。AD8561ARUZ-REEL 特点 传播延迟：7 ns(5 V) 单电源供电：3 V至10 V 低功耗 锁存功能 TSSOP封装其典型延迟时间为7ns，其共模输入电压最高为2.75V。因此必须要考虑输 入信号不能太高，否则很容易损坏比较器。3.3信号接收及控制电路加上24位时钟数据，共16 x 4 + 24 = 88位数据。通过边缘检测电路来得到 信号发生突变的时刻，从而启动计时器工作，同时将数据写入SRAM。在物体 飞离第二个光幕时，检测到结束边缘信号，触发计数器停止工作。整个信号接 收及控制电路由模拟通道选择模块、嵌入式控制模块、CPLD逻辑时序控制模 块、SRAM数据存储模块、DAC输出模块以及通讯模块组成。图3-6信号接收及控制电路示意图3.3.1模拟通道选择模块所有从光电探测板上接收到的12路模拟信号输入到控制主板上，通过多路 模拟开关来选择相应的通道，然后送入到CPU的AD模块。多路模拟开关选用 的是Maxim公司的MAX4053ESE，它是双3选1模拟开关，具有导通电阻RON 低(100 Q、导通电阻偏差ARON小(18 Q at 25 C ，漏电流小(1nAat25C),可以单 电源供电以及输出TTL/CMO S兼容等特点。3.3.2嵌入式控制模块嵌入式控控制模块使用的微处理器是TI ( Texas Instrument:美国德州仪器 公司)生产的MSP430F 1XX系列中的MSP430F149。该单片机具有如下特点：具有活动模式和低功耗模式0 4六种工作模式，工作在低功耗模式4(休眠 模式)时，工作电流只有0.1四A，适合低功耗应用；(1) 丰富的寻址方式、简洁的指令集、较多的片内寄存器、可实现多种运算 的存储器。高效的查表处理方法和较多的可以任意嵌套的中断源，使得该单片 机具有强大的处理能力，可以编写高效率的程序。(2) 集成丰富的片上外围模块，包括12bit ADC。精密模拟比较器、硬件乘法器、两组频率可以达到8MHz的时钟模块、两个带有大量捕获/比较寄存 器的16bit定时器、看门狗、两个可以实现同步异步与多址访问的串行通信接口 和数十个可以实现管脚单独配置与中断功能的并行输入输出端口等。3.3.3 DAC输出模块DAC模块产生光电探测比较电路所需要的参考电平，使用Maxim公司的 MAX5381芯片，它是8位的DAC，具有片内4V参考电压，+4.5V+5.5V供电， 2线I2C兼容接口总线输入，SOT23-5封装。它的最大消耗电流为230uA，关 断状态下消耗电流仅为1A 1LSB max INL/DNL。3.3.4通讯模块系统通过RS232和RS485与主机通讯。由于通信电平与CPU接口电平不 同，因此需要对CPU接口电平进行电平转换才能够与主机通信。RS232使用 MAX202来与计算机通信，RS485通过MAX487将CPU接口电平转换为RS485 电平，在主机端通过RS485RS232转换器变成232电平与计算机进行通信。3.4键盘显示电路本文采用北京炜煌公司的WH8280作键盘显示控制芯片，可同时驱动8位 共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多 达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。采用单 +5V电源供电，无需外接晶振，支持RC振荡电路。采用SPI串行接口，方便 操作与编程WH8280的工作时序图如图3-7所示：图3-7a纯指令8世捎令畜世在首）图3-7b带数据指令图3-7c读键盘指令键盘显示电路原理图如图3-8所示：敝国管图3-8键盘显示电路原理图由于本文的应用场合是户外，因此选用的是1”超高亮数码管，需要的驱动 电流较大。WH8280最大驱动电流为100mA，所以我们在WH8280输出端加了 MOS管驱动，增加驱动能力。3.5系统电源电路本系统使用220V交流电源，通过开关电源模块分别得到+18V、7.5V直 流电源。然后再通过电源模块分别得到系统所需要的各种规格的电源。本系统采用的电源较多，有+15V, +5V, +3.3V、-5V,各路系统需要的供电能 力不同，因此功耗考虑也不一样。-5V给激光器供电，每路激光器驱动板消耗电流在500mA左右，6路激光器驱动板分别采用一片LM7905供电，其电路原 理图如图3-9所示。LJOV图3-9 +15V电源原理图+5V电源用来给系统上一些需要+5V供电的地方，如放大器、比较器、串 行通讯、以及键盘显示等，需要提供电流在660mA左右。第4章 高速光幕测速系统软件结构4.1系统自检系统在测量前必须进行自检操作。由于在搬运过程中激光器可能会由于震 动偏离探测器，或者由于激光器本身发光功率变弱，因此在测量开始前需要判 断通道的好坏，从而做进一步的处理。系统自检的流程过程如图4-1所示。当系统开始自检时，转换每一路通道电压值，将采集的电压值保存起来， 然后跟设置好的参考阈值进行比较。若比参考阈值大，则选通这一路通道；若 是比参考阈值小，则屏蔽掉这一路通道。所有通道处理完后，报告错误结果。4.2测量控制过程当按键按下开始测量按键后，系统将将SRAM片选置低，选中SRAM；计 数器准备好，当有触发信号时开始计数；将定时中断关掉，不允许定时中断产 生；将结束中断打开，此时允许结束中断。当测量过程结束时，系统将结束中 断关掉，不允许再来中断信号，防止误触发；将计数器计数使能控制信号变低， 停止计数；将SRAM片选置高，禁止选通SRAM，降低功耗。见图4-2。4.3数据处理及显示当CPU的P1.6 口收到结束测量的中断信号后，首先禁止结束口中断继续 发生，防止二次误触发而使我们的测量结果出错。然后读入地址发生器当前的 地址，根据当前的地址我们来读SRAM中的数据。通过一定的算法来查询数据， 对数据进行判断，找到目标尾沿飞离光幕的精确计时值，计算出目标飞行通过 靶面的精确时间，从而计算出速度。计算完毕后向主机传送结果并在数码管上 显示结果。见图4-3。4.4数据处理上位机在接收到来自下位机传过来的数据后，对数据进行重新组织，将目 标运行的情况重现出来。根据通道组数据，我们可以知道是哪几组光束被挡住 了。然后再根据通道信号数据，我们便可以很快的知道是具体的哪几路通道。 然后我们根据设定的采样频率，便可以计算出目标的飞行时间。再根据已知的 靶距，便可以计算出目标飞行的平均速度来。所看通道转换完成号阚俏所仃通道处理完毕结束升始对数据进行比较，井做中柚在的处理洗通这一路通道开始一路模拟皓换, 并将数据保存No 据蔽掉1A 路通图4-1系统自检流程图图4-2测量控制过程流程图开始谨入地址发牛器当前的地址判断数据 得到日标通 过光暮的的知时间计s*祁速冬：住 机传送结束并显，R从SRAM才取数担禁止结束口中断图4-3数据处理过程流程图第5章总结与展望本文在充分调查了当前针对高速运动目标测量方法的基础上，提出了利用 光电法精密测量高速运动目标的速度。传统方法如天幕靶测速精度不高，而采 用激光多普勒雷达测速虽然精度高，但是设备昂贵，并且受限制于测试环境等 条件。因此，本文从高精度测量，并且需要成本较低，维护方便等因素，提出 了利用半导体激光器作为系统光源，用高速硅光电二极管作为高速光电探测器 件组成数字化激光光幕测量系统。本文主要做了以下几点工作：(1) 利用半导体激光器设计了一种数字化的激光光幕。设计了半导体激光器 驱动电路，能够得到稳定、均匀的数字激光光幕。利用高速光电探测器以及高 速比较器电路得到数字化信号，能够检测到快速变化的光强信号。(2) 在该光幕的基础上利用边沿触发记录数据的方法大大的减少了数据量， 并采用软件的方法消除了噪声信号的干