光电靶中浮动阈值比较器的设计与研究

　　1　引　言

　　天幕靶、光幕靶是低伸弹道武器性能评估中常用的测试设备,用于速度和立靶精度测量,其中利用比较器对模拟脉冲信号进行二值化转换又是该类设备计算模拟脉冲信号间时间延迟的常用方法[1～8]。按照工作阈值设定的方式,光电靶中的比较器可分为固定阈值比较器和可变阈值比较器。阈值设置的高低一方面与探测设备的灵敏度和可靠性有关,另一方面也决定了二值化产生的数字脉冲信号有效沿的相对位置精度与一致性。对于固定阈值的比较器来说,输入信号幅值的变化将直接导致输出有效沿与输入脉冲之间的相对位置发生偏移,从而使设备的触发精度随着传感器、模拟信号通道增益的变化发生改变。文献[9]提出的信号互相关分析方法能够显著提高脉冲信号间相对延迟分析的精度,并能保持精度的稳定性;但是实现互相关方法的软硬件复杂,无法对单脉冲二值化处理,要满足较高的实时性也比较困难。文献[6,7]介绍了浮动阈值比较器(可变阈值比较器中的一种)在光电靶中的应用。

　　现通过光电靶中应用浮动阈值比较器的研究发现:分析多脉冲信号相对延迟时,浮动阈值比较器的精度与信号互相关方法相近,虽然精度的稳定性不如互相关算法,但是总体性能远比固定阈值比较器要高,且易于硬件实现,能够保证较高的实时性要求。

　　2　比较器与光电靶触发精度

　　光电靶是通过感知被测目标引起的光通量的变化来对目标进行探测的。设目标引起的有效光通量变化量为μ(t),传感器灵敏度为K,模拟信号处理电路的电压增益为A,那么比较器输入端上的输入信号可以表示为:

　　其中,n(t)为综合噪声信号,可以认为是平稳随机过程。图1表示了JYJ-90型天幕靶的典型噪声功率密度谱特性。

　　根据比较器的工作原理,若比较器输出有效沿对应的阈值为V,那么,在比较器产生有效输出的时刻t₀,必有:

　　因此,若触发阈值一定,传感器灵敏度、噪声因素都会影响比较器输出信号有效沿相对输入的时刻。下面,先介绍数值模拟方法对固定阈值比较器、浮动阈值比较器和互相关分析计算脉冲间相对间隔的精度和稳定性分析情况。

　　数值模拟的原理是利用采集得到的一组JYJ-90型天幕靶的噪声信号序列Ns(i),采集速率为1MHz,然后按式(3)构造若干个不同幅值的脉冲模拟序列,叠加到Ns(i)随机指定的位置上:即

 (3)

　　其中,Ak是第k个脉冲的幅值,Nk是第k个脉冲的宽度,试验中取为常数N,Bk是第k个脉冲的起始位置,按下式给定:

　　其中,Rnd是取值在区间(0,1)的伪随机数。最后得到的数值序列: