高速运动目标速度测量系统
编号学生姓名专业学号指导教师学院本科生毕业论文高速运动目标速度测量系统High Speed Moving Target VebcityMeasurement System熊朝俊测控技术与仪器100211529张晖光电工程学院二o四年六月毕业论文原创承诺书1. 本人承诺：所呈交的毕业论文高速运动目标的光电精密测 速技术研究，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业论文 工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规 定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2. 本人在毕业论文中引用他人的观点和研究成果，均在文中加 以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个 人和集体均已在文中注明。3. 在毕业论文中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担 相应的法律责任。4. 本人完全了解学校关于保存、使用毕业论文的规定，即：按 照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留 毕业论文的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存毕业论文，可以公布其中的全部或部分 内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作者签名：2014年 月 日摘要高速运动目标的初速是影响目标飞行距离的一个重要因素，是运动目标运行 的一个重要参数。本文针对高速运行的目标(5001500m/s)的运行速度进行高精 度(0.05)测量。利用A=650nm半导体激光器和高速硅光电探测器GT101组成光 电转换系统，将光电转换后的电压信号经过高速比较器与参考电压相比较得到数 字信号，设计了一种数字化激光光幕靶，能够捕捉到快速变化的光信号。以前沿 和后沿综合触发的方式，将目标飞行过程中在进入和飞出光幕边沿时刻数据高速 采样记录，减少了冗余数据，节省了存储器开销，从而使数据处理变得更简单， 使连发测试成为可能。利用数据的连续性来判断信号与噪声，进而消除噪声对测 量的影响。在利用光电精密测速技术时，涉及复杂的空间光交汇计算，通用误差分析方 法比较困难。在目标与光束垂直度适当的情况下，目标运动方向的偏差对测量精 度的影响属于二阶小量。系统整体误差的主要来源为距离测量误差、时间测量误 差以及光束不平行度产生的误差。分析得出本系统在两光束间的不平行度达到 a=100"，探测器对准精度达到0.lmm情况下，测量精度可以达到0.02 %。关键词：精密测量高速光幕高速运动目标速度ABSTRACTThe velocity was an important factor of High-speed moving object. It determined how far the object could fly. The target of this article was measuring the velocity of High-speed moving object between 500 to 1500 m/s accurately. The precision should be up to 0.05%. The measuring laser curtain was composed of laser diode(X=650nm)and high speed opto-electric detector GT101 (t r =7ns) that made of silicon. The digital signal sourced from comparing the voltage from sampling circuit with reference voltage by high speed comparator. The system could obtain quickly varying light signal. Using front edge and end edge to trigger the system sampling and storing data so we could store the edge situation of the object flying through the laser curtain. It decreased the redundant data, saved the data storing room and made the signal process more easily and continuous measuring possible. It eliminated the impaction of noisy by checking the continuity of the data.It was related to complex calculation of attitude in Opto-Electronic precision velocity measurement technology with general error analysis. The impaction on measuring precision produced by the deviation of object moving directivity was negligible because of it was second order small quantity in the condition of the angle between the direction of object with light beam was as vertical as possible. The entirety system error sourced from the length error and time error and light-beams non-parallelism. In the condition of non-parallelism was a =100" and opto-detector alignment precision was 0.lmm the system measurement precision could up to 0.02%.Keywords: Accurate measuring,;High speed light curtain,;High speed moving object,;velocity目录摘要IABSTRACTII目录III第1章绪论11.1课题背景提出11.2弹丸测速技术发展及现状11.2.1 接触式测量11.2.2 非接触式测量11.3光幕测速技术简介及发展31.4 论文的主要工作4第2章 测量系统原理及结构52.1测试原理及测试系统模型52.2测试系统系统结构62.2.1. 系统光源62.2.2. 光电接收部分72.3测量方案92.3.1触发方案92.3.2存储方案92.4测量精度分析102.4.1测试精度影响因素分析112.4.2系统速度测量精度分析总结12第3章 测速系统硬件电路143.1激光器驱动电路143.2光电探测器接收电路153.3信号接收及控制电路173.3.1模拟通道选择模块183.3.2 嵌入式控制模块183.3.3 DAC输出模块193.3.4 通讯模块193.4 键盘显示电路193.5 系统电源电路 20第4章 高速光幕测速系统软件结构224.1系统自检224.2测量控制过程224.3数据处理及显示224.4数据处理22第 5 章 总结与展望26参考文献27致谢29第1章绪论1.1课题背景提出弹丸速度是衡量武器性能的重要参数。速度测量的精确与否直接关系到武 器的性能，所以深入研究弹丸测速技术，不断地将一些高新技术应用于弹丸测 速技术，开发新的弹丸速度测量方法，提高测速精度是一项长期研究的工作， 是提高武器战术技术性能的一项基础性工作，也是影响武器发展的一个重要环 节。1.2弹丸测速技术发展及现状由于弹头出口时处于高速运动状态且伴随高速、高压、高温的火药燃气、 残渣及复杂的物体化学变化过程。这种恶劣的状态给测试工作带来极大的难度。 瞬时速度测量法可采用弹道摆或微波倾角法可以换算出物体的瞬时飞行速度， 但测试误差较大，目前很难达到很高精确。弹丸初速的确定是以测量弹丸在弹 道上通过一定距离的很短时间间隔为基础，并认为弹丸在此距离飞行时为均匀 减速飞行。因此，到目前为止，弹丸初速通常不是直接在膛口处测量获得，而 是通过测量弹丸在某段弹道行程上的平均速度来获得的。再经过炮口修正，便 可得到弹丸的初速度。对于高速运动的物体，如子弹、炮弹等的速度测量常用 的测量方法按测速原理可分成三类，即：瞬时速度测量法、平均速度测量法和 多普勒原理测量法。按照测量时弹丸是否与测速靶接触分，又可分为接触式测 量和非接触式测量。1.2.1接触式测量接触式测量又包括铜丝网靶、箔靶、铜丝惯性靶等方法。铜丝网靶是用细 铜丝制成栅网状，并用胶水粘连在两纸之间即成纸网靶，或用导电胶将栅网上 印制在纸上制成印刷网靶。它们都是靠弹头穿过网靶瞬间“碰断”栅丝工作的， 是一种断靶箔靶是在两层很薄的铝箔（或锡箔）中间夹一层泡沫塑料并用胶水粘 联而成，靠弹头穿过靶时瞬间接触使两层铝箔（或锡箔）短路工作的，是一种通 靶。由于靠接触进行测量，存在对弹速及飞行姿态有较大影响、并且不能保证 每发都可靠的短路等缺点铜丝一惯性靶（又称铜丝一钢板靶），是一种复合靶。 第一靶是铜丝靶，即用细铜丝固定在枪口夹上；第二靶是惯性靶，即将惯性靶 固定在垂吊的钢板上，属于断靶接触式测量由于可靠性较差，精度较低，在当 前测试条件下已显得落后，不能够适应当前高精度测量了。现在测量大多采取 非接触式测量。1.2.2非接触式测量非接触式测量又可分为天幕靶测速、线圈靶测速、光幕靶测速、雷达测速、 激光多普勒测速、GPS测速以及微波干涉、高速摄影等技术。(1) 天幕靶测速天幕靶是一种以光电转换为基础用于探测飞行弹丸到达空间某一预定位置 时刻的仪器。主要由天幕镜头、光电转换器件、狭缝光阑以及处理电路等组成。 在室外工作时，天幕靶以天空为背景。由于狭缝光阑的作用，天幕镜头的视场 为有一定厚度的扇形，通常称之为天幕。一旦弹丸进入该天幕，遮住天幕投射 到狭缝的部分光能使光电转换器件上的光电流发生变化，该变化信号经处理电 路放大、整形后输出一个脉冲信号，用于设计弹丸测速依据。天幕靶是以由光 学系统形成的无形靶面和光电器件构成的非接触型区截装置。其优点是靶面大、 测速精度高、稳定可靠性好、使用方便。目前国内科研单位研制的型号有JYJ-90 型水平天幕靶、DGQ-96水平天幕靶、LB- II型天幕靶、GD-93水平天幕靶等。(2) 线圈靶测速线圈靶测速是利用线圈感应测速。其测速原理是：首先在炮口安装两个相 距一定距离的感应线圈，线圈中通有电流，在线圈周围形成一个电磁场，当弹 丸发射经过线圈时引起磁场的变化产生两个信号，根据两信号的间隔时间及线 圈的距离计算出弹丸出炮口速度的均值，达到测速的目的。线圈靶分励磁式和 感应式两种，感应式线圈靶需要事先磁化的弹丸，当它穿过线圈靶时，造成线 圈内磁通量的变化，在线圈内产生感应电动势。励磁式线圈靶有两组线圈，内 层为励磁线圈，工作时，通入直流励磁电流，产生一个恒定磁场。外层为感应 线圈，当弹丸穿过时，由
