基于可编程片上系统的激光遮断法测速系统

0　引言

弹丸飞行速度测量是武器系统各种运动参数中一项至关重要的内容,它是衡量火炮特性、弹药特性和弹道特性的一个重要指标[1]。在武器系统的研制、验收以及弹道学理论研究中都离不开弹丸飞行速度的测量。国外在此领域的研究从上世纪40年代起已经进行了数10年。目前对弹丸速度测量常用的方法有接触式和非接触式两种。接触式测速最典型的应用是电丝网法,即利用极细的金属丝组成多层密集的电网,当弹丸通过电网时将通电的金属丝击断形成脉冲,测量脉冲间隔可得到弹丸速度[2],但此方法由于是损伤性实验,每次实验均要更换金属丝网,也限制了它的使用。非接触式测速方法比较多,应用最广的有雷达多普勒测速法和天幕靶测速法等[3]:雷达多普勒测速法在一般枪炮实验中广泛应用,但由于其基本原理是采用高频脉冲技术,在强电磁干扰的电磁轨道炮弹丸测速实验中使其工作很不稳定且容易产生误触发;天幕靶[4-5]测速法可以解决电磁干扰的影响,但其采用了较大圆弧柱面反射镜光学结构,使其加工安装精度要求非常高,而且其系统一般比较庞大,价格也很昂贵,在一定程度上限制了其推广和应用。而且上述测速方法要通过人工计算得到弹丸速度,不能智能化直接给出弹丸飞行速度。本文设计中摒弃上述测速方法,基于目前先进的SOPC(可编程片上系统)解决方案,采用抗电磁干扰能力强的激光遮断法结构,实现弹丸飞行速度的智能测量和显示。

1　激光遮断法测速系统原理

测速系统整体结构如图1所示,该测速系统由光源(包括LD激光器和光纤分束器)、14路测试光网、光电转换器、前端信号处理和速度测量显示模块五部分组成。其工作原理是当弹丸飞行通过第一个7路激光信号组成的光网时,将所经过的光路上的激光信号遮断,光电转换器此时因没有激光信号的输入导致输出电流几乎为零,经过后端的电流电压转换器后输出的电压也由原来的幅度降为零,形成一个脉冲下降沿;同样,经过后7路激光信号组成的光网时也会产生一个脉冲下降沿,通过测量两路光网产生的脉冲下降沿时间间隔,利用两路光网之间的垂直距离就可以得到弹丸的平均速度。

前端信号处理和速度测量显示模块是系统设计的关键,其基本结构框图如图2所示,14路信号放大电路将光电转换器输出的微弱信号放大到数字电路可识别的电平范围;信号比较单元将放大的脉冲信号重新整形成TTL数字逻辑电平信号;脉冲触发、触发计时、脉冲合成和触发状态指示、脉冲宽度测量和数据处理功能在一片FPGA内实现,脉冲触发单元完成脉冲负跳变沿的识别,脉冲计时单元完成输出脉冲高电平的计时,脉冲合成单元将两组脉冲合并成一路输出,触发状态指示通过点亮或熄灭触发指示灯来表明脉冲是否触发的直观显示,脉冲宽度测量实现两路脉冲间隔宽度的计数并输出计数值,FPGA内部嵌入的32位Nios II软核处理器,实现对计数值的读取和速度计算并将计算结果显示到LCD液晶屏上。从而实现对被测信号的采集、处理和结果显示等功能。