基于反射式光纤传感的弹丸测速方法

任 敏，张艳兵，祖 静

（1.中北大学电子测试技术重点实验室，山西 太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051）

0 引言

弹丸飞行速度测量是武器系统运动参数中一项重要测试内容，它对于武器系统的研究、定型、生产质量控制、产品检验及弹道理论研究具有重要意义［1-2］。目前对于弹丸速度测量方法主要有接触式（金属网靶）和非接触式（多普勒测速雷达、线圈靶、光幕靶、天幕靶等）两种方式［3］。

近年来，随着军事技术的进一步发展，电磁轨道炮作为一种先进的武器系统，受到了世界各国军事研究领域的极大重视，它在发射机理、工作环境以及工作特点等方面与传统的火炮发射系统有着根本的不同，因此电磁轨道炮弹丸速度测量也成为当下新的研究课题。电磁轨道炮具有弹丸飞行速度快，电磁干扰强烈等特点［4］。传统的多普勒测速雷达以及线圈靶弹丸测速方法由于受到电磁干扰的影响，测试灵敏度明显降低；而光幕靶、天幕靶结构复杂，抗震能力差，测量精度难以保证［5］。

本文针对传统测速方法易受电磁干扰、测试灵敏度低、测量装置结构复杂等问题，提出了基于反射式光纤传感的弹丸测速方法。

1 传统弹丸测速方法与反射式光纤传感原理

1.1 传统弹丸测速方法

目前传统的弹丸速度测量方法主要有接触式和非接触式两种方式。接触式主要是金属网靶测量法，这种方法结构简单，成本低，但是由于弹丸撞击丝网，会一定程度上影响弹丸的飞行姿态，造成较大误差，而且只能进行一次试验，可重复性低；非接触式测量方法主要包括多普勒测速雷达、线圈靶、光幕靶、天幕靶等方式［6］。非接触法测量过程不影响弹丸的飞行，具有较高测量精度，但是适用范围有限。多普勒测试雷达和线圈靶测量过程中易受电磁干扰，引起误触发［7］；而光幕靶和天幕靶安装复杂，成本高，抗震能力较差［8］。这些方法由于电磁干扰和自身结构限制，在电磁轨道炮弹丸测速领域难以达到良好的效果。

1.2 反射式光纤传感基本原理

反射式光纤传感主要由光源、传输光纤以及光电转换器件等部分组成，其基本结构如图1所示［9］。

图1 反射式光纤传感基本原理图Fig.1 Reflective optical fiber sensor principle diagram

基本原理：光源将光信号耦合至入射光纤，照射到待测物体表面，部分入射光经反射面反射至接收光纤，接收光纤将所接收到的光信号经光电转换电路变为电信号，然后通过输出装置采集处理。

2 基于反射式光纤传感的弹丸测速方法

2.1 测速系统结构组成

基于反射式光纤传感的弹丸测速系统主要由光源（激光器和光纤分束器），两组反射式光纤（光纤采用Y 型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为入射光纤和接收光纤）、光电探测器、信号调理电路、速度测量与显示模块五部分构成，系统框图如图2所示。

图2 测速系统整体框图Fig.2 The block diagram of velocity measuring system

2.2 系统测速原理

激光光源经耦合光路将激光传输到入射光纤提供照明，当有弹丸飞过第一个光纤探头时，入射光束被弹丸反射到接收光纤中，利用光电探测器将接收到的光信号转换为电信号产生一个电脉冲，当弹丸继续飞行通过第二个光纤探头时也会产生一个脉冲信号，两个脉冲信号经过信号调理电路处理后变为数字电路可识别的电平范围。利用FPGA 作为控制单元记录两个电平信号的时间间隔T，两组接收光纤的垂直距离S 已知，这样利用公式V=S／T 就可以求得弹丸飞行的平均速度V。整个计算过程在FPGA 内部完成，并将计算结果通过LCD 液晶屏实时显示。

激光光源采用808nm 波长的半导体激光器，激光的出纤功率300mW，通过内径为50μm 的光纤传导至光纤探头。光电探测器采用PIN 硅光电二极管，其光敏面的直径为5mm，响应时间不大于5ns，最小可探测信号强度为10-5mW。由于光电探测器转换得到的电信号很微弱，大约在3μA 左右，为了准确无误地识别脉冲信号，必须对接收到的微弱电信号进行放大和整形处理。信号调理电路包括信号放大电路和比较电路，其中信号放大电路将光电探测器输出的微弱电信号放大到数字电路可识别的电平范围；比较电路将放大的脉冲信号重新整形成TTL数字逻辑电平信号。

为了满足电磁轨道炮弹丸飞行速度的测试要求，采用集成度高、处理速度快的FPGA 芯片作为主控单元，实现触发信号的间隔计时，进而完成速度计算并驱动LCD 液晶屏实时显示速度值。这里采用FPGA 不仅可以提高系统的测量精度与可靠性，使得系统结构更加紧凑，而且整个设计是基于高层次进行，开发周期短，成本低，各种逻辑控制也较容易实现。测速原理框图如图3所示。

图3 速度测量原理图Fig.3 the principle diagram of velocity measurement

2.3 速度计算仿真

由于系统时钟信号的周期是固定的，通过记录两个脉冲信号之间的时钟周期个数就可以测出其时间间隔T。系统采用一枚50 MHz晶振作为时钟源，当第一个脉冲上升沿到来的时候，计数器使能信号count＿en 变为低电平有效，在时钟信号的驱动下，计数器counter开始计数。当第二个脉冲上升沿到来时，计数器使能信号count＿en变为高电平，计数器停止计数，由ISE 软件得到的原理仿真图如图4所示。若计得两个脉冲信号之间时钟周期个数为n，则两个脉冲信号时间间隔T=n／50 MHz。

图4 脉冲间隔时序仿真图Fig.4 Pulse interval timing simulation diagram

通过硬件编程方式将两组接收光纤的垂直距离S 提前输入FPGA，当系统测量得到两个脉冲时间间隔T 时，FPGA 内部逻辑实现公式V=S／T 的求解，并启动LCD 驱动程序使液晶屏实时显示速度值V ，测量完成后通过手动复位，即可进行下一次实验。整个过程程序设计相对简单，限于篇幅，这里不再叙述。

3 误差分析与试验结果

3.1 测量误差分析

由公式V =S／T 可知测量误差主要来自两个方面：靶距误差和测时误差，即两接收光纤的垂直距离S的测量误差和两个脉冲信号时间间隔T 的测量误差。其中S 确定为100mm，由于光纤探头上装有光纤准直及聚焦器件，可保证两束激光入射及接收的平行性，光斑尺寸30μm。采用精度为0.02mm游标卡尺测量固定靶距，试验过程中最多有一个光斑尺寸的距离误差，所以ΔS 最大测量误差为±0.05mm。时间间隔T 的测量误差主要来自两个方面：两个光电探测器输出的不一致性ΔT1，脉冲间隔时钟计数测量误差ΔT2。电磁轨道炮弹丸的飞行速度大约为500～2 000m／s。由于光电探测器的响应时间不大于5ns，所以ΔT1最大误差为5ns，时钟计数测量误差ΔT2最大为一个时钟周期，即20ns。总的时间测量误差

3.2 试验结果

利用基于反射式光纤传感的弹丸测速方法对电磁轨道炮弹丸飞行速度进行了测量。实验过程中将调理电路输出信号分为两路，一路按照系统原理图送给FPGA 进行智能处理，另一路则通过阻抗匹配网络直接输出到外接示波器进行手动测量。将两种方法计算结果进行对比分析。总共进行了10发弹丸测试试验，弹丸飞行速度分布在1 000～2 000 m／s之间。图5所示为其中一次试验后外接示波器输出的信号波形。由图中可以读出两脉冲之间时间间隔为70μs，计算可知弹丸的飞行速度为1 428 m／s，通过测量系统自动显示的速度数据位1 436 m／s，两者测量结果基本一致。表1中列出了10发弹丸的具体测量数据。

图5 弹丸速度测量波形图Fig.5 The projectile velocity measurement waveform

表1 弹丸速度测试数据Tab.1 The projectile velocity test data

4 结论

本文提出了基于反射式光纤传感的弹丸测速方法，用于测量电磁轨道炮弹丸飞行速度。该方法利用光纤作为触发信号传输介质，有效地避免了强电磁干扰对测量装置的影响，运用内部逻辑资源丰富的FPGA 作为主控芯片，智能实现弹丸速度计算与实时显示。多次测量试验表明：基于反射式光纤传感的弹丸测速方法具有结构简单、测量精度高、可靠性强等特点，可广泛应用于枪炮弹丸速度测试领域。

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