二維光幕破片動能測試系統設計

張虎威，李錦明，高文剛，郭　淳

（1.中北大學 電子測試國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西　太原 030051）

二維光幕破片動能測試系統設計

張虎威1，2，李錦明1，2，高文剛1，2，郭淳1，2

（1.中北大學 電子測試國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原 030051）

針對飛行破片目標多、速度快、體積小以及測試環境中光強高、電磁干擾強的測試難點，設計一種非接觸式的二維光幕破片動能測試系統。系統以現場可編程門陣列（FPGA）作為核心控制器，利用高精度ADC與NAND Flash存儲器采集并存儲相互正交的光幕傳感器的輸出信號，并將數據通過USB接口回讀到上位機進行分析，提取出破片的速度與體積信息，進而得到破片的動能。最后通過氣槍彈實驗對系統進行測試，結果表明：該方案解決傳統一維光幕測試系統只能測量旋轉對稱破片動能的問題，利用二維正交光幕有效地測量非旋轉對稱破片的動能信息，具有一定的實用價值和應用前景。

破片動能；二維光幕；現場可編程門陣列；非旋轉對稱

0　引言

彈藥最主要的目的是實現對目標的高效毀傷，其中破片的殺傷是最主要的毀傷方式，飛行破片的動能是評估毀傷能力的主要參數［1］。由于破片戰斗部的殼體材料在爆炸過程中的瞬態非常復雜，且隨著新型兵器向精確打擊、高效毀傷方向的發展，對破片戰斗部毀傷能力的測量要求也越來越高［2-3］。早期的多普勒雷達測量、高速攝影測量以及網靶測量等測量手段已經逐漸不能滿足復雜環境下高精度的測量要求。隨著光幕傳感器精度的不斷提高，以及憑借其抗干擾能力強、測量目標多的優點，使得通過光幕測量破片群的動能成為可能［4-5］。近年來，國內外學者對測量方法的研究正在由一維光幕向多維光幕發展，文獻［6］和文獻［7］均提出了由多維光幕測量彈丸飛行參數的方法，通過光幕靶擺放的位置和方位建立數學模型，可以準確地測量穿靶物體的飛行參數，這種測量方法已經在許多靶場測試中得到了應用。

本文利用光幕傳感器以及FPGA對二維光幕破片動能測試系統進行了設計，同時利用上位機分析和處理所采集到的數據，實現了對飛行破片動能的有效測量。

1　二維光幕測量原理

要測量破片的動能，不僅需要測量破片的速度，還需要測量破片的體積。通過測量飛行破片經過兩個光幕靶的時間可以得到破片的速度信息；通過分析相互正交的兩個光幕傳感器的輸出數據可以得到破片的體積信息［8］。

1.1速度測量方案

系統采用區截測速原理對破片速度進行測量，區截裝置由兩個光幕靶組成［9-10］。分別記錄飛行破片通過兩個光幕靶的時間，計算其差值，依據公式：

式中：S——光幕靶1與光幕靶2之間的距離；

t1、t2——破片通過光幕靶1與光幕靶2的時間。便可計算出破片經過兩個光幕靶時的平均速度，即該區域中點的瞬時速度。

1.2體積測量方案

將兩套光幕靶按圖1所示的方位正交擺放，形成一個相互正交的光幕面，當破片穿過光幕時，光幕靶1測得破片在垂直方向上的形狀，光幕靶2測得破片在水平方向上的形狀。

二維光幕測量體積先要對破片形狀進行限定：1）在投影方向上破片沒有凸起；2）破片在投影方向形狀相同。因此，該方法只能測量規則非旋轉對稱破片的質量。通過光幕靶輸出波形與破片形狀關系的數學模型，可以通過積分運算得到破片的體積信息，進而得到破片的質量信息。具體函數關系如下：

圖1　光幕靶擺放方位

式中：i=1，2——光幕1與光幕2的數據；

L——破片長度；

ν——破片的平均速度；

t——破片通過一個光幕的時間；

Ai——破片在水平和垂直方向的投影面積；

Δφi——激光被遮擋的條數；

Sφ——光幕的靈敏度；

Ii——光幕的輸出電流；

V——破片體積；

ρ——破片材料密度；

m——破片的質量。

最后得到破片的動能，其計算公式為

2　系統硬件電路設計

破片動能測試系統主要由光幕傳感器、電流電壓轉換電路、模數轉換電路、FPGA及其配置電路、Flash存儲電路、電源電路、USB接口電路和上位機等模塊組成。系統中使用的光幕傳感器為美國BANNER公司EZ-ARRAY系列光幕測量傳感器，其安裝方式與系統框架如圖2所示，供電電壓為24V，光幕中激光光束的間距為1mm，可選擇電壓輸出與電流輸出兩種方式，其中電壓輸出范圍為0～10V，電流輸出范圍為4～20mA，考慮到需使用FPGA進行信號處理，因此使用電流輸出方式。

系統硬件結構如圖3所示，飛行破片通過兩臺正交的光幕靶時會引起光幕光通量的變化，從而引起光幕傳感器輸出電流的變化。電流信號通過I/V轉換電路轉換為適當幅值的電壓信號，模擬電壓信號經過ADC轉換為數字信號后傳輸給FPGA，FPGA通過控制Flash存儲芯片完成對傳感器信號的存儲。測試完畢后，通過USB通信接口將數據回讀到PC機上，利用上位機進行數據的分析與處理。

圖2　破片動能測試系統框架圖

圖3　 系統硬件結構圖

2.1I/V轉換電路

由于光幕傳感器輸出的電流信號比較微弱，為了滿足A/D芯片采集電壓信號強度的要求，需要將電流信號轉換為電壓信號并對信號進行放大和調零處理。系統I/V轉換電路如圖4所示，考慮到光幕傳感器的供電及內阻，將轉換電阻R1選為50 Ω，將4～20mA的傳感器輸出電流轉換為0.2～1V的電壓。設計中運算放大器選用模擬器件公司高精度運放的OP07，其中U15與R2、R4、R5、R6及Q1組成調零電路，U15同向端由負電源提供-2.5V輸入電壓，經R6和R5分壓獲得-0.2V電壓，因此U15反向端電壓也是-0.2V，所以U14正向端輸入的電壓為0～0.8V電壓，其放大倍數為

因此，U14的輸出電壓即I/V轉換電路的輸出為0～1.6V的電壓信號。同時為了防止噪聲和干擾信號，電路中還加入了濾波電容C70、C71，組成低通濾波電路和加入高頻負反饋防止放大電路自激振蕩的產生。

圖4　I/V轉換電路原理圖

2.2A/D轉換模塊

考慮到測量破片飛行速度時所需要的高采樣速率以及測量體積時所需要的高準確度要求，綜合考慮選擇TI公司的逐次逼近型A/D轉換器AD7934，支持4通道模擬數據輸入，12位并行數據輸出，采樣率高達1.5MS/s，分辨率以及采樣速率均滿足測量要求。由于參考電壓直接關系到采樣準確度，所以參考電壓采用高準確度基準電壓芯片Ref192提供的2.5V基準電壓。

2.3FPGA控制模塊

為解決系統需同時處理兩路數據且在高速數據存儲時所需要大容量緩存的問題，選用FPGA取代單片機作為主控制器［11］。本設計選用Xilinx公司的XC3S500E芯片作為主控制器，使系統可以滿足A/D采集與Flash存儲的雙時鐘域的匹配。考慮到除去配置引腳及電源引腳之外還需要ADC控制接口、Flash接口、USB接口等，因此封裝選為TQ144，剩余30% 的I/O引腳用于電路調試。

2.4Flash模塊

系統選用了鎂光公司的16位Flash存儲器MT29 FAG16A。在提高Flash的讀寫速度方面，除了Flash芯片本身的頁編程時間，最重要的就是讀寫時序，與傳統Flash存儲芯片相比較該Flash具有Two-plane模式即雙頁讀寫模式，它可以同時對兩個Plane進行讀、寫和擦除操作［12］。這種操作方式提升了近一倍的存儲速度，減小了FPGA內部緩存空間的壓力。

2.5電源模塊

系統各個模塊工作電壓包含24，5，3.3，1.2，2.5，-2.5V 6種。為了提高測量準確度，系統使用了低噪聲、高準確度的供電電源。系統電源模塊設計框圖如圖5所示，外部24V電源作為系統總電源并通過電源轉換電路轉換為其他所需電源，主要由EMI濾波器、DC/DC轉換電路、LDO穩壓器以及π型濾波器組成。

圖5　系統電源模塊設計框圖

EMI濾波電路作為電源電路中第1道濾波電路加在DC/DC之前，其主要作用是濾除電路中的高頻雜波和干擾信號，同時還防止電源產生的電磁輻射泄漏到外面，以減少電源開關本身對外界的干擾。系統中EMI濾波器選用LFG-04無源濾波器，其共模抑制比可達到30dB。

由于FPGA需要I/O電壓、輔助電壓和內核電壓3種電壓供電，分別為3.3，2.5，1.2V，所以使用LDO穩壓芯片分別產生這3種電壓。芯片選用TPS70358 和TPS70345，其中TPS70358輸出3.3 V和2.5V電壓，TPS70345輸出3.3V和1.2V電壓，輸出電壓準確度可達±0.2%。此外由于運放OP07需-2.5V供電，因此采用變極性DC/DC變換器ICL7660將2.5V電壓轉換為-2.5V電壓。

由于系統的電源部分與控制部分采用獨立的PCB制作方案，DC/DC的輸出電壓在傳輸過程中會耦合進其他的噪聲信號，因此在電源接口電路中使用了π型濾波電路，如圖6所示，截止頻率為106kHz，可以對白噪聲信號進行很好地抑制。

3　系統軟件設計

系統的主要工作與控制邏輯都由FPGA完成，其主要功能包括控制ADC進行模數轉換、控制Flash存儲器進行數據讀寫、控制USB接口讀數以及內部FIFO的數據緩存。FPGA主要工作流程如圖7所示。

系統上電開始工作后先判斷USB接口是否有讀數信號，若有讀數信號則進入讀數模式，否則進入數據采集模式。兩路數據在存儲時進行了編幀處理，幀格式如表1所示，每一幀數據有4 kB數據組成，包含4089B光幕數據、4B幀標志以及3B幀計數數據，其中幀標志位包括BEH、90H、兩路數據標識（第1路為11H、第2路為22H）和00H，幀計數3個字節按低位在前高位在后的順序排列。由于Flash的讀寫操作時以頁為單位，要滿足A/D采集和USB讀數與Flash讀寫的時序要求，需加入FIFO作為兩個時鐘域之間的緩沖，其中FIFO的讀寫判斷以半滿信號為標識。

圖6　π型濾波電路

圖7　FPGA程序流程圖

表1　 數據幀格式

4　系統測試與誤差分析

使用氣槍彈對系統進行測試，氣槍彈的速度為130～150m/s，分別對速度與體積測量結果進行分析［13］。對式（1）進行微分可得速度誤差公式為

式中：Δν——速度測量誤差；

ΔS——距離測量誤差；

Δt——時間測量誤差。

其中測時誤差的主要來源為晶振頻率和各種干擾、噪聲引起的誤差。系統使用的晶振為20MHz，每次計時會帶來50ns的誤差，各種噪聲引起的誤差約為20ns，因此總誤差Δt為70ns。測距誤差主要來源為彈道不垂直引起的誤差ΔS1，光幕不平行引起的誤差ΔS2和距離測量誤差ΔS3。使用吊重錘與多次測量的方法保證光幕垂直，經計算，當靶距S=1000mm時，ΔS1為0.3mm，ΔS2為0.5mm。使用鋼卷尺測量靶距，綜合讀數誤差，精度誤差以及環境溫度變化引起的誤差，ΔS3為1.2mm，采用均方和的形式來求測距誤差，即：

取彈速為140m/s，將以上數據帶入式（8），得出速度測量的相對誤差為0.13%。

上位機軟件對氣槍彈穿過光幕時所產生的電壓數據進行作圖分析，如圖8所示。可以看出，電壓曲線與彈頭的截面輪廓基本一致。分別對4，4.5，5.5mm的氣槍彈進行測試，將所測數據利用上位機軟件進行分析，測量結果如表2所示。

表中D為氣槍彈外徑，測得彈丸外徑的相對誤差分別為1.88%、1.44%和1.09%，根據體積計算公式得到其體積的相對誤差分別為1.37%、1.05%和0.80%，則破片體積的平均相對誤差為1.07%。將以上數據和速度相對誤差帶入動能相對誤差的計算公式：

式中：ΔW——動能誤差；

ΔV——體積誤差；Δν——速度誤差。

得到破片動能的相對誤差為1.33%。

圖8　氣槍彈穿過光幕時的電壓變化

表2　測量結果

5　結束語

本文設計了一種基于光幕傳感器的二維破片動能測試系統，介紹了光幕傳感器在彈丸及破片測試領域的廣闊的應用前景；同時，對系統中所用的電流電壓轉換電路、模數轉換電路、FPGA控制電路、Flash存儲電路以及電源電路等模塊進行了詳細闡述。通過氣槍彈實驗驗證了系統測量效果，并對測試過程中存在的誤差進行了分析。經過大量實驗表明，本系統可以有效地對飛行破片的動能進行測量，所得數據無明顯波動，具有較高的穩定性和可靠性。

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（編輯：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

張虎威（1991-），男，山西太原市人，碩士研究生，專業方向為測試計量技術、數字信號處理。