基于激光探测技术的小型化弹丸测速系统 精品Word格式.docx

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1．2弹丸测速技术国内外的发展与现状

自1742年，英国实验弹道学家罗宾斯发明弹道摆，第一次提供弹丸速度的测量方法以来，人们对弹丸飞行速度的测量进行了大量的研究，发明了许多较为成功的方法，19世纪中期，由于火炮发射技术的进步，弹丸速度的不断增加，对弹丸速度测定精度要求也愈来愈高。

这样，客观上促进了弹丸速度测量技术的发展，电械测时仪、布朗节测速仪是这一期间应用较为广泛的两种测速方法，特别是，布朗节测速仪大大提高了弹丸测速精度，使人们对空气阻力有了更深刻的认识，可以说是弹丸速度测量方法的一次重大革新，这种测速方法在我国普遍采用，直到60年代才开始被新的测速方法取代[2]。

20世纪初期，伴随着电子技术的广泛兴起以及计算机技术的蓬勃发展，弹丸测速技术也得到迅猛发展，螺线管、测时仪和快速记录示波器等先进的测速技术应运而生，使弹丸速度测量精度得到较大的提高。

目前，国内外采用的弹丸测速方法主要有两种：

一种方法是区截装置测速法。

这种方法是测量弹丸飞过一段已知距离的时间，然后用距离除以时间求出的已知距离的弹丸平均飞行速度；

另一种弹丸速度的测量方法是应用多普勒雷达技术。

其基本原理是向运动目标发出一束无线电波，从目标上反射回到测速仪上来。

测速仪输出一个交变电流信号，其频率是发射波频率和接受机频率之差。

如果目标相对测速仪是静止的，发射和接受的频率相等，则频差为零；

如果目标相对测速仪之间相对运动时，则反射信号将产生一个频率偏移，这个频差（也叫多普勒频移）直接与测速仪到目标的距离的变化率成正比即与径向速度成正比，因此可以得到目标的运动速度。

由于区截装置测速法的性价比高，所以国内目前普遍采用的弹丸测速方法以区截装置测速法为主[3]。

区截装置测速法主要是用测时仪和区截靶测出弹丸在两靶间的平均速度。

其中用区截靶敏感弹丸到达弹道的位置，用测时仪计算出弹丸飞过两靶间的时间和速度。

区截装置根据所测弹丸的不同种类而选用。

目前使用的区截装置主要有通断靶（靶网、铝箔靶等）、电磁感应的线圈靶以及近年来出现的光电靶（包括光幕靶、天幕靶等）。

其中光电靶由于它能沿弹道测量弹丸飞行的时间，而没有通常接触靶对弹丸的干扰，无需对弹丸磁化、无需对靶网接线、劳动强度低等。

因而深受用户的青睐，使用也越来越普遍。

光电靶的工作原理是当弹丸通过光幕上方时就改变了落在光电管上的光线，因而产生一个电信号启动测时仪[4]。

1．3测时仪的发展概况

测时仪的种类较多，但在弹丸速度测量中，由于弹丸速度高，测速靶距较小，靶场环境复杂，容易受到电磁和电源波动的干扰，与普通环境下的计时相比，用于弹丸测速的测时仪对响应、精度、分辨率和抗干扰的要求都更高，因此，目前国内、外普遍采用电子测时仪，随着科学技术的不断发展，电子测时仪经历了几次更新换代，最早期的测时仪为电子管测时仪，这种测时仪功耗高、体积大、使用不方便，工作不可靠；

二代电子测时仪是分立元件的晶体管测时仪，其体积大大减小、功耗较小、使用时不需要预热，工作可靠性相对较高，但电路设计、调试比较烦琐，计时分辨率较低；

代电子测时仪在结构上采用集成电路，体积进一步减小，并实现多路同时测量的功能，工作可靠性大大提高，但同样存在电路设计，调试比较烦琐等不利因素；

第四代电子测时仪引入计算机技术，使得测时与数据处理集为一体，实现了自动数据采集、存贮、处理和输出，它不但可以测量一发弹的多点速度，而且可以测出连射弹丸的飞行速度和射击频率（射频）[5]。

大规模集成电路的发展，使计算机的体积越来越小，而且价格亦越低，为智能化仪器、虚拟仪器的发展提供了条件。

目前国内外普遍采用的电子测时仪为第四代，都是在计算机技术基础上发展起来的，尤其是高频晶振的出现和半导体技术的日趋成熟为高分辨率计时的设计提供了契机，利用单片机技术构建的测时仪及以瞬态波形存储器与计算机构成的虚拟测时仪应用居多。

1．4本文的主要工作

为了有效提高测速系统的使用范围和灵活性，降低成本，根据弹丸测试场合，测试特点等方面的要求，现提出了采用激光光幕测试技术来实现对弹丸速度的测试。

激光光幕速度测试是利用光电检测技术实现对弹丸速度的非接触测试，该方法操作简便，效率高，测试范围大，精度高，且不受天气的影响。

在常规兵器弹丸速度测试中具有显著的优势。

小型弹丸速度测试系统由光学设计单元、信号处理单元及数据采集、显示单元组成。

由于速度信号的采集、显示采用单片机数据处理和显示电路来实现，代替了由数据采集卡和计算机构成的数据处理模块，故不仅使得系统实现了小型化、使用起来更加方便，而且降低了成本。

因此该测试系统在弹丸速度测试领域具有非常高的实用价值。

其具体的设计思路和本文的主要工作如下：

1、详细地介绍了各种弹丸测速的重要意义、历史和现状；

比较了弹丸测速各种方法的优缺点；

针对弹丸区截装置测速系统中测时仪的发展现状，分析了当前测时仪所存在的问题即测时仪的可靠性、精度和智能化，提出采用单片机计时的简单实用方案。

2、在分析目前国内外弹丸测试现状的基础上，结合本课题的设计要求，设计了系统方案。

提出一种基于单片机的简单轻便，能立刻显示结果的一套实用系统。

3、设计一个光学系统,能对弹丸飞过光幕能作出相应合理的光信息变化，并通过光敏器件把相对应的光信号转化成电信号。

4、在分析输出信号的基础上，设计了从光信号转换成模拟的电信号，再把模拟的电信号转换成单片机能识别的数字信号的电路。

5、通过编程，使单片机能完成速度的计算，并输出结果，在LCD上显示出来。

6、仿真系统，是否能正常运行。

7、进行试验，并进行分析数据。

2系统方案的设计

弹丸区截装置测速法（定距测时法）是目前国内普遍采用的弹丸初速的测量方法。

其测量的精度主要取决于光幕靶之间距离的测量精度和测时仪的测时精度。

光幕靶之间距离的测量方法已经比较成熟，因此精化弹丸通过两光幕之间的时间，对于提高测速精度有着重要的意义。

2．1弹丸测速和测时的原理

2.1.1弹丸测速原理

本文采用的研究手段是利用光电靶检测弹丸。

光电靶测速的基本原理是基于区截测速。

在弹道中的两个固定的点放置两个激光光幕，分别为启动光幕和结束光幕，如图1所示。

此激光光幕靶是由两个平行的光幕组成（要是两光幕不平行就会产生误差，即两光幕间的距离S值不确定）。

光幕靶采用激光与光敏器件构成，光源通过光学系统形成一定有效光幕区域，由光敏器件接收。

当运动物体（弹丸）在通过已知间距为S的两个光幕时，会挡住一部分或者全部激光，光敏器件将该光通量的变化转化成电信号，然后经过放大、整形，作为区截信号。

由单片机处理对两路区截信号进行处理计算，得到运动物体（弹丸）通过这段距离所需时间T，然后根据公式V=S/T便可计算出弹丸通过这段距离的平均速度，即弹丸的速度[6]。

图1弹丸测速原理图

2.1.2测时原理

测时仪是弹丸区截装置测速系统中的主要设备。

因为当距离已确定，那速度由时间来决定。

测时仪和区截装置配合来测量、计算弹丸飞过两个区截装置间的时间和飞行平均速度。

虽然测时仪的种类较多，但在区截装置测速法中都普遍采用电子测时仪，其基本原理也都是以记录晶振振荡脉冲数目的方法来测定时间间隔[7]。

如图2所示，测时仪内的同步计数器在时基脉冲的驱动下工作，当测时仪内部的信号捕捉电路捕捉到区截装置输出的启动脉冲信号有效时，计数器开始计数，直到信号捕捉电路捕捉到区截装置输出的截止脉冲信号有效时，计数器才停止计数，这时的计数器的值和时基脉冲周期的乘积便是启动脉冲和截止脉冲信号的间隔时间，也就是我们所要测量的弹丸在两个区截装置间（激光光幕）的飞行时间[8]。

图2测试仪工作原理示意图

利用单片机的定时、计数部件构成计时模块是目前工程上广泛采用的一种计时方式。

由于单片机最高工作频率为24MHz，计时分辨率为0．05us，在多数情况下能满足计时精度的要求。

因此本方案利用单片机计计数器进行计时。

2．2弹丸通过光幕分析

假设光功率P均匀分布在高为h的光幕上,则当直径为D的球形弹丸穿过激光光幕时,弹丸遮挡的最大光功率与总光功率之比小于D/h（对于直径为D的圆柱形弹丸,其比值为D/h）。

若光幕的出射光经会聚后全部被光电探测器接收，则弹丸在穿过光幕过程中探测器接收到的最大光功率变化β<

D/h。

当D=1mm、h=15mm时，β<

1/15，即需要在P的强背景下检测不超过P/15的光功率变化[9]。

为方便起见，首先针对直径和高度均为1mm的圆柱形弹丸进行速度估算。

从弹丸右边缘开始进入光幕到深入至光幕0.4mm（光幕厚度），探测器接收到的光功率逐渐减小，减小速度由弹丸运动速度决定；

从弹丸右边缘深入激光光幕0.4mm到弹丸左边缘进人光幕，弹丸遮挡光功率基本保持不变，探测器接收的光功率也基本保持不变；

从弹丸左边缘进入光幕到左边缘完全出光幕，弹丸遮挡的光功率逐渐减少，探测器接收到的光功率逐渐增多；

当弹丸左边缘完全出光幕时，探测器接收到的光功率恢复到弹丸未穿过光幕时的水平，此时弹丸右边缘行进的距离为弹丸直径与光幕厚度之和。

可以近似得到弹丸穿过光幕过程中光功率随时间变化的波形，如图3所示。

其中：

时间

～

表示弹丸进入光幕的过程，

表示弹丸稳定穿过光幕的过程，

表示弹丸离开光幕的过程。

图3弹丸穿过光幕的示意图

图4接收光功率的波形示意图

假设弹丸速度口=10km/s，光幕厚度d=0.4mm，弹丸直径D=1mm，则

波形前沿

（2.1）

顶部时间

（2.2）

波形后沿

（2.3）

波形底宽

（2.4）

波形半高宽

（2.5）

对于直径为1mm的球形弹丸，穿过光幕的时间较柱形弹丸的时间略长，而且在稳定穿越的过程中遮挡的光功率也并非不变，而是一个由少到多再由多到少的变化过程，在接收光信号上表现为：

顶部时间可能减小，信号的前后沿将延长，信号的最高频率将降低，对光电检测电路的高频性能要求也相应降低。

因此，为了准确测量直径D=1mm的弹丸速度（约10km/s），测量装置必须具有足够快的响应速度，从而可以准确捕获前沿为40ns的脉冲信号[10]。

2．3系统设计

本系统采用的研究手段是利用光电靶检测弹丸。

在弹道中的两个固定的点放置两个激光光幕靶，分别为启动光幕和结束光幕，如图5所示。

此激光光幕靶是由两个平行的光幕组成[11]。

激光光幕靶采用激光器与光敏器件构成，光源通过光学系统形成一定有效光幕区域，由光敏器件接收。

当运动物体（弹丸）在通