二维光幕破片动能测试系统设计

张虎威，李锦明，高文刚，郭　淳

（1.中北大学 电子测试国家重点实验室，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）

二维光幕破片动能测试系统设计

张虎威1，2，李锦明1，2，高文刚1，2，郭淳1，2

（1.中北大学 电子测试国家重点实验室，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）

针对飞行破片目标多、速度快、体积小以及测试环境中光强高、电磁干扰强的测试难点，设计一种非接触式的二维光幕破片动能测试系统。系统以现场可编程门阵列（FPGA）作为核心控制器，利用高精度ADC与NAND Flash存储器采集并存储相互正交的光幕传感器的输出信号，并将数据通过USB接口回读到上位机进行分析，提取出破片的速度与体积信息，进而得到破片的动能。最后通过气枪弹实验对系统进行测试，结果表明：该方案解决传统一维光幕测试系统只能测量旋转对称破片动能的问题，利用二维正交光幕有效地测量非旋转对称破片的动能信息，具有一定的实用价值和应用前景。

破片动能；二维光幕；现场可编程门阵列；非旋转对称

0　引言

弹药最主要的目的是实现对目标的高效毁伤，其中破片的杀伤是最主要的毁伤方式，飞行破片的动能是评估毁伤能力的主要参数［1］。由于破片战斗部的壳体材料在爆炸过程中的瞬态非常复杂，且随着新型兵器向精确打击、高效毁伤方向的发展，对破片战斗部毁伤能力的测量要求也越来越高［2-3］。早期的多普勒雷达测量、高速摄影测量以及网靶测量等测量手段已经逐渐不能满足复杂环境下高精度的测量要求。随着光幕传感器精度的不断提高，以及凭借其抗干扰能力强、测量目标多的优点，使得通过光幕测量破片群的动能成为可能［4-5］。近年来，国内外学者对测量方法的研究正在由一维光幕向多维光幕发展，文献［6］和文献［7］均提出了由多维光幕测量弹丸飞行参数的方法，通过光幕靶摆放的位置和方位建立数学模型，可以准确地测量穿靶物体的飞行参数，这种测量方法已经在许多靶场测试中得到了应用。

本文利用光幕传感器以及FPGA对二维光幕破片动能测试系统进行了设计，同时利用上位机分析和处理所采集到的数据，实现了对飞行破片动能的有效测量。

1　二维光幕测量原理

要测量破片的动能，不仅需要测量破片的速度，还需要测量破片的体积。通过测量飞行破片经过两个光幕靶的时间可以得到破片的速度信息；通过分析相互正交的两个光幕传感器的输出数据可以得到破片的体积信息［8］。

1.1速度测量方案

系统采用区截测速原理对破片速度进行测量，区截装置由两个光幕靶组成［9-10］。分别记录飞行破片通过两个光幕靶的时间，计算其差值，依据公式：

式中：S——光幕靶1与光幕靶2之间的距离；

t1、t2——破片通过光幕靶1与光幕靶2的时间。便可计算出破片经过两个光幕靶时的平均速度，即该区域中点的瞬时速度。

1.2体积测量方案

将两套光幕靶按图1所示的方位正交摆放，形成一个相互正交的光幕面，当破片穿过光幕时，光幕靶1测得破片在垂直方向上的形状，光幕靶2测得破片在水平方向上的形状。

二维光幕测量体积先要对破片形状进行限定：1）在投影方向上破片没有凸起；2）破片在投影方向形状相同。因此，该方法只能测量规则非旋转对称破片的质量。通过光幕靶输出波形与破片形状关系的数学模型，可以通过积分运算得到破片的体积信息，进而得到破片的质量信息。具体函数关系如下：

图1　光幕靶摆放方位

式中：i=1，2——光幕1与光幕2的数据；

L——破片长度；

ν——破片的平均速度；

t——破片通过一个光幕的时间；

Ai——破片在水平和垂直方向的投影面积；

Δφi——激光被遮挡的条数；

Sφ——光幕的灵敏度；

Ii——光幕的输出电流；

V——破片体积；

ρ——破片材料密度；

m——破片的质量。

最后得到破片的动能，其计算公式为

2　系统硬件电路设计

破片动能测试系统主要由光幕传感器、电流电压转换电路、模数转换电路、FPGA及其配置电路、Flash存储电路、电源电路、USB接口电路和上位机等模块组成。系统中使用的光幕传感器为美国BANNER公司EZ-ARRAY系列光幕测量传感器，其安装方式与系统框架如图2所示，供电电压为24V，光幕中激光光束的间距为1mm，可选择电压输出与电流输出两种方式，其中电压输出范围为0～10V，电流输出范围为4～20mA，考虑到需使用FPGA进行信号处理，因此使用电流输出方式。

系统硬件结构如图3所示，飞行破片通过两台正交的光幕靶时会引起光幕光通量的变化，从而引起光幕传感器输出电流的变化。电流信号通过I/V转换电路转换为适当幅值的电压信号，模拟电压信号经过ADC转换为数字信号后传输给FPGA，FPGA通过控制Flash存储芯片完成对传感器信号的存储。测试完毕后，通过USB通信接口将数据回读到PC机上，利用上位机进行数据的分析与处理。

图2　破片动能测试系统框架图

图3　 系统硬件结构图

2.1I/V转换电路

由于光幕传感器输出的电流信号比较微弱，为了满足A/D芯片采集电压信号强度的要求，需要将电流信号转换为电压信号并对信号进行放大和调零处理。系统I/V转换电路如图4所示，考虑到光幕传感器的供电及内阻，将转换电阻R1选为50 Ω，将4～20mA的传感器输出电流转换为0.2～1V的电压。设计中运算放大器选用模拟器件公司高精度运放的OP07，其中U15与R2、R4、R5、R6及Q1组成调零电路，U15同向端由负电源提供-2.5V输入电压，经R6和R5分压获得-0.2V电压，因此U15反向端电压也是-0.2V，所以U14正向端输入的电压为0～0.8V电压，其放大倍数为

因此，U14的输出电压即I/V转换电路的输出为0～1.6V的电压信号。同时为了防止噪声和干扰信号，电路中还加入了滤波电容C70、C71，组成低通滤波电路和加入高频负反馈防止放大电路自激振荡的产生。

图4　I/V转换电路原理图

2.2A/D转换模块

考虑到测量破片飞行速度时所需要的高采样速率以及测量体积时所需要的高准确度要求，综合考虑选择TI公司的逐次逼近型A/D转换器AD7934，支持4通道模拟数据输入，12位并行数据输出，采样率高达1.5MS/s，分辨率以及采样速率均满足测量要求。由于参考电压直接关系到采样准确度，所以参考电压采用高准确度基准电压芯片Ref192提供的2.5V基准电压。

2.3FPGA控制模块

为解决系统需同时处理两路数据且在高速数据存储时所需要大容量缓存的问题，选用FPGA取代单片机作为主控制器［11］。本设计选用Xilinx公司的XC3S500E芯片作为主控制器，使系统可以满足A/D采集与Flash存储的双时钟域的匹配。考虑到除去配置引脚及电源引脚之外还需要ADC控制接口、Flash接口、USB接口等，因此封装选为TQ144，剩余30% 的I/O引脚用于电路调试。

2.4Flash模块

系统选用了镁光公司的16位Flash存储器MT29 FAG16A。在提高Flash的读写速度方面，除了Flash芯片本身的页编程时间，最重要的就是读写时序，与传统Flash存储芯片相比较该Flash具有Two-plane模式即双页读写模式，它可以同时对两个Plane进行读、写和擦除操作［12］。这种操作方式提升了近一倍的存储速度，减小了FPGA内部缓存空间的压力。

2.5电源模块

系统各个模块工作电压包含24，5，3.3，1.2，2.5，-2.5V 6种。为了提高测量准确度，系统使用了低噪声、高准确度的供电电源。系统电源模块设计框图如图5所示，外部24V电源作为系统总电源并通过电源转换电路转换为其他所需电源，主要由EMI滤波器、DC/DC转换电路、LDO稳压器以及π型滤波器组成。

图5　系统电源模块设计框图

EMI滤波电路作为电源电路中第1道滤波电路加在DC/DC之前，其主要作用是滤除电路中的高频杂波和干扰信号，同时还防止电源产生的电磁辐射泄漏到外面，以减少电源开关本身对外界的干扰。系统中EMI滤波器选用LFG-04无源滤波器，其共模抑制比可达到30dB。

由于FPGA需要I/O电压、辅助电压和内核电压3种电压供电，分别为3.3，2.5，1.2V，所以使用LDO稳压芯片分别产生这3种电压。芯片选用TPS70358 和TPS70345，其中TPS70358输出3.3 V和2.5V电压，TPS70345输出3.3V和1.2V电压，输出电压准确度可达±0.2%。此外由于运放OP07需-2.5V供电，因此采用变极性DC/DC变换器ICL7660将2.5V电压转换为-2.5V电压。

由于系统的电源部分与控制部分采用独立的PCB制作方案，DC/DC的输出电压在传输过程中会耦合进其他的噪声信号，因此在电源接口电路中使用了π型滤波电路，如图6所示，截止频率为106kHz，可以对白噪声信号进行很好地抑制。

3　系统软件设计

系统的主要工作与控制逻辑都由FPGA完成，其主要功能包括控制ADC进行模数转换、控制Flash存储器进行数据读写、控制USB接口读数以及内部FIFO的数据缓存。FPGA主要工作流程如图7所示。

系统上电开始工作后先判断USB接口是否有读数信号，若有读数信号则进入读数模式，否则进入数据采集模式。两路数据在存储时进行了编帧处理，帧格式如表1所示，每一帧数据有4 kB数据组成，包含4089B光幕数据、4B帧标志以及3B帧计数数据，其中帧标志位包括BEH、90H、两路数据标识（第1路为11H、第2路为22H）和00H，帧计数3个字节按低位在前高位在后的顺序排列。由于Flash的读写操作时以页为单位，要满足A/D采集和USB读数与Flash读写的时序要求，需加入FIFO作为两个时钟域之间的缓冲，其中FIFO的读写判断以半满信号为标识。

图6　π型滤波电路

图7　FPGA程序流程图

表1　 数据帧格式

4　系统测试与误差分析

使用气枪弹对系统进行测试，气枪弹的速度为130～150m/s，分别对速度与体积测量结果进行分析［13］。对式（1）进行微分可得速度误差公式为

式中：Δν——速度测量误差；

ΔS——距离测量误差；

Δt——时间测量误差。

其中测时误差的主要来源为晶振频率和各种干扰、噪声引起的误差。系统使用的晶振为20MHz，每次计时会带来50ns的误差，各种噪声引起的误差约为20ns，因此总误差Δt为70ns。测距误差主要来源为弹道不垂直引起的误差ΔS1，光幕不平行引起的误差ΔS2和距离测量误差ΔS3。使用吊重锤与多次测量的方法保证光幕垂直，经计算，当靶距S=1000mm时，ΔS1为0.3mm，ΔS2为0.5mm。使用钢卷尺测量靶距，综合读数误差，精度误差以及环境温度变化引起的误差，ΔS3为1.2mm，采用均方和的形式来求测距误差，即：

取弹速为140m/s，将以上数据带入式（8），得出速度测量的相对误差为0.13%。

上位机软件对气枪弹穿过光幕时所产生的电压数据进行作图分析，如图8所示。可以看出，电压曲线与弹头的截面轮廓基本一致。分别对4，4.5，5.5mm的气枪弹进行测试，将所测数据利用上位机软件进行分析，测量结果如表2所示。

表中D为气枪弹外径，测得弹丸外径的相对误差分别为1.88%、1.44%和1.09%，根据体积计算公式得到其体积的相对误差分别为1.37%、1.05%和0.80%，则破片体积的平均相对误差为1.07%。将以上数据和速度相对误差带入动能相对误差的计算公式：

式中：ΔW——动能误差；

ΔV——体积误差；Δν——速度误差。

得到破片动能的相对误差为1.33%。

图8　气枪弹穿过光幕时的电压变化

表2　测量结果

5　结束语

本文设计了一种基于光幕传感器的二维破片动能测试系统，介绍了光幕传感器在弹丸及破片测试领域的广阔的应用前景；同时，对系统中所用的电流电压转换电路、模数转换电路、FPGA控制电路、Flash存储电路以及电源电路等模块进行了详细阐述。通过气枪弹实验验证了系统测量效果，并对测试过程中存在的误差进行了分析。经过大量实验表明，本系统可以有效地对飞行破片的动能进行测量，所得数据无明显波动，具有较高的稳定性和可靠性。

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（编辑：李妮）

Design of two-dimensional screen fragment kinetic energy measurement system

ZHANG Huwei1，2，LI Jinming1，2，GAO Wen'gang1，2，GUO Chun1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，
Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Aiming at the difficulties of multi-target，high speed，small volume for flying fragments and high luminous intensity，strong electromagnetic interference in measurement environment，a non-contact two-dimensional screen fragment kinetic energy measurement system is designed.The system takes FPGA as the core controller，making use of high precision ADC and NAND Flash memory chip to acquire and store signal from mutually orthogonal screen senor，and reading the data back to the host computer for analysis through the USB interface，which extract the fragment velocity and volume information，then acquire the information of the kinetic energy of fragments. Based on the air-gun projectile impacting experiment，the results show that this scheme use twodimensional orthogonal screen to measure kinetic information of non-rotational symmetry fragment effectively，which solves the issues that the traditional one-dimensional screen measurement system can only measure rotational symmetry fragment kinetic energy，and the system has a certain practical value and application prospect.

fragment kinetic；two-dimensional screen；FPGA；non-rotational symmetry

A

1674-5124（2016）08-0093-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.019

2015-12-21；

2016-01-30

张虎威（1991-），男，山西太原市人，硕士研究生，专业方向为测试计量技术、数字信号处理。