终点摄像计时判读系统测量误差分析

　　终点摄像计时判读系统(简称电动计时仪)是田径运动会的核心设备,而我国电动计时仪应用尚处起步阶段,这对承办好2008年奥运会有一定困难.作者近10年参加过多次国内外大型赛事,对电动计时仪测量误差进行了深入分析,以期合理控制生产和竞技环节,降低和减少测量误差.

　　1　误差环节分析

　　电动计时仪的测量误差源自各环节累计测量误差之和:E =Σei,其中,ei分别代表发令传感器误差、计时单元误差和判读误差等,下面对各主要误差环节加以讨论.

　　1.1　发令传感器误差

　　发令传感器的功能是接收发令枪的声音信号,经声电转换、放大、滤波、整形后,给出计时启动信号,以此同步整个电动计时系统.

　　由于涉及声电转换及其后为产生可靠同步信号并充分考虑抗干扰能力所作的一系列处理,使发令传感器环节成为电动计时仪测量误差的关键.在使用过程中,发令传感器与发令枪间的距离不断变化,按实际估算,至少有20 cm的离散度,而声音在空气中的传播速度约340 m/s,由此产生约0·6 ms的误差.其次,每一枪的声音大小和电转换后波形不尽相同,由此引起声电转换后的电信号积分强度不同,最终导致同步信号前沿时刻的漂移.经大量实测,其离散度约在±0·15 ms.需要注意的是不同声电转换器件、电路设计思想、发令枪、距离和子弹都可能引起延迟量的变化,产品开发时需针对具体情况确定合适的补偿量以减少误差.一般误差控制在0·2 ms以内.

　　1.2　计时单元误差

　　计时单元的关键是计时方式(含计时启动方式)和时标精度.对计时方式的要求是同步误差小,计时过程不产生累计误差(时标本身的误差除外).所谓同步误差小是指计时单元接收到同步信号前沿的时刻到计时启动时刻之间的延迟要小,且无不可控因素影响该延迟时间.从技术上保证这一点并不难,例如,利用单片机中断工作方式,即可将误差控制在10μs以内.关键是不能通过PC机启动计时(目前仍有个别机型采用PC机启动计时),因为PC机是多任务系统,其本身的时钟日历中断占有非常高的级别,加上其他系统任务的影响,无论采用中断方式还是查询方式响应同步信号,都难以始终保证亚ms级的启动精度,且其延迟量不可预知.而计时过程不产生累计误差就要求计时器能够完全独立工作.目前将同步误差控制在几个μs的量级是不难的,甚至可以将计时过程产生的累计误差减小为零(即不产生累计计数误差,定时器工作在自动重装载方式).时标精度取决于所采用的时钟的精度和稳定性,下面通过估算,给出时钟指标的下限.按国际田联规定[1,2], 400 m以内的短距离赛跑电计成绩和手计成绩之间需要补偿,而大于400 m的赛跑,电计成绩和手计成绩之间没有补偿,因而作为时钟指标下限的估算,只要在400 m赛跑中产生的最大累积误差小于1 ms即可.假定400 m比赛耗时60 s,由时标精度和稳定性造成的最大误差0·5 ms,则相对误差为0·5 ms/60 s = 8·3×10-6,因而时钟的频率准确度和稳定性小于10×10-6,符合国际田联要求.