基于FPGA的反射式光幕測速系統

柏超龍，江 劍，趙傳榮

(1.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094； 2.安徽工業大學 電氣與信息工程學院， 安徽 馬鞍山 243032)

彈丸的速度是研究彈丸戰斗部威力效應和分析彈丸飛行規律的重要參數[1]。彈丸速度的測量是新型炮彈裝備驗收的基本測試項目之一[2]，所以對彈丸速度測量方法的研究和發展是非常重要的。目前國內常采用價格低廉和便于后續數據處理的非接觸式區截測速法來測量破片速度[3]。對于高速飛行的彈丸的速度測量，按照測量原理通常分為3種，即瞬時速度測量法、平均速度測量法和多普勒原理測量法[4]。對于測量速度在200～2 000 m/s之間、尺寸大小(Φ大于等于20 mm)的彈丸，瞬時速度測量法的誤差較大，多普勒測速體積龐大、價格昂貴，兩種均不適合設計要求，本研究采用基于激光光幕靶的平均速度測量法。

光幕靶的區截裝置大致分為兩種，一種是激光器發射裝置和接收光電器件陣列分列兩邊，激光器發出的光直接照射在接收器上，當有物體通過時，由于遮擋而引起接收器光能量的變化而產生觸發信號[5]；另一種是采用反射式光幕，激光器發射裝置和接收裝置都在同一側，激光器發射出的是一個扇形光幕，只有當物體穿過扇形光幕時，物體的反射光信號才會被光電裝置接收[6]，引起接收器光能量變化而產生觸發信號。

本研究提出了反射式激光光幕測速系統，設計光幕靶的發射和接受裝置都在同側，利用高速硅光電傳感器接收彈丸穿過激光光幕反射的光[7]，轉化為電信號作為觸發信號。這種機械結構簡潔且易于調節，它具有價格低、測量精度高、便于攜帶和可靠性高等優點[8]。

1 測速原理及系統裝置組成

平均速度測量法可以分為定時測距法和定距測時法兩種[9]。在本次設計中采用的是定距測時法，即通過測量彈丸飛過一定距離和彈丸飛過這段距離的時間，由下式計算彈丸平均速度的方法。

(1)

在彈丸的路徑上預先放置好兩個平行光幕靶，固定靶距S，然后記錄下彈丸垂直通過前后光幕靶所用的時間T，根據式(1)可以計算出彈丸的飛行速度。

測速原理如圖1所示，激光光幕的發射裝置和激光信號接收裝置在同一側，前后兩光幕成對稱結構。彈丸經過一定厚度的扇形光幕時產生反射信號，該信號經過透鏡聚焦成一個點狀的光斑成像在高速光電探測器上，引起光電效應，將電信號進行傳輸[10]。記錄彈丸通過兩激光光幕之間的時間，就獲得了彈丸的飛行時間T，即可以求得彈丸的飛行速度。

2 系統設計

2.1 系統組成

本文設計的測速裝置由三大部分組成：

1) 光電轉換部分。光電轉換部分作用是為了更有效地提取反射光信號，由于彈丸的穿過速度較快，反射的激光信號比較弱，在光電探測器的前面加上非球面透鏡和窄帶濾光片，適當增強有效反射光信號并濾除大部分雜散光。

2) 信號處理部分。信號處理部分是為了將光電探測器轉化的電信號，進行一定倍數的放大和濾波，最后利用電壓比較器轉化為方波形式向測速部分傳輸，作為前后光幕靶的啟動觸發信號和停止觸發信號。

3) 測速部分。測速部分主要利用記錄FPGA晶振振蕩脈沖數目的方法來測定時間間隔，實現彈丸過靶的測速功能。

系統的結構框圖如圖2所示。

前后光幕對應的光電探測器接收到反射光信號，通過預處理和信號處理電路轉化為方波信號[11]，FPGA通過配置通用IO口的邊沿檢測類型實現啟動觸發和停止觸發。彈丸飛過前光幕引起啟動觸發，計數器開始計數，直到彈丸穿過后光幕引起停止觸發，計數器停止計數，這時的計數值和脈沖周期的乘積便是彈丸飛過前后扇形光幕的飛行時間。

2.2 光電轉換部分

由于系統要求能有較大的探測場，設計選用功率為700 mW、波長為638 nm的一字線形激光器來構成前后激光光幕。為了滿足一定的光幕范圍，并盡量減小發散角來提高單位面積上的光功率密度，扇形激光光幕在2～3m距離左右至少有1 m2的探測范圍，激光器的發散角不低于20°。

相對應于上面的激光器，該設計選用Hamamatsu公司生產的型號為S3588-09大受光面積光電二極管為光電探測器，它具有高靈敏度、低結電容(約為40 pF)、高速響應和高可靠性等特點，滿足系統設計的要求。感光面積為30 mm×3 mm，在320～1 100 nm的波長范圍內，響應度接近一致，對各種光都能夠探測到。此外，對波長在960 nm時，達到最大的靈敏度0.66 A/W，在波長為638 nm時，靈敏度大概為0.51 A/W。典型的響應時間約為1.0 μs。當彈丸長度為40 mm并以800 m/s的速度通過扇形光幕，通過時間為25 μs，滿足系統設計的要求。

用來聚焦微弱反射光的鏡頭選用焦距為60 mm，口徑大小為75 mm的非球面鏡。由于上述選用的光電探測器的感光面積為長條形，尺寸大小為長H=30 mm，寬H=3.0 mm，下面對光學系統放大倍數及視場角進行計算。

光學系統放大倍數為

(2)

這樣20 mm×4 mm的彈丸在光電探測器上成像的尺寸約為0.5 mm×0.1 mm的亮點。系統的視場角為

(3)

計算結果滿足要求。

系統的有效光信號面的長度(在2.5 m處)為

(4)

這樣可以保證光幕范圍達到要求，滿足靶面積足夠大的要求。

2.3 信號處理電路

光電探測器輸出的信號為電流信號，且信號微弱，信噪比較低。信號處理電路是對光電探測器的輸出信號先進行預處理，轉換成電壓信號，再進行濾波、放大和整形?？傮w包括4個部分，即預處理電路、濾波電路、放大電路和整形電路，如圖3所示。

型號為S3588-09的光電二極管輸出電流信號為μA級，系統采用跨阻放大電路進行預處理[12]，其具有噪聲低、帶寬寬和跨阻適中、增益穩定等優點。如圖4所示，通過跨阻R1使光電探測器S3588-09輸出的微弱電流變化量轉換為一定的電壓量。R1取1 kΩ，則輸出的電壓約為mV級別。電路中光電探測器S3588-09處于反偏狀態，可以加強內建電壓，在無光照時暗電流非常??；在有光照時，光生載流子會更容易漂移，光電流會急劇增加。

經過預處理的電路，測試的信號主要包括兩個部分：一個是激光的反射信號；另一部分是來自外界(背景光的瞬間變化、鳥類等飛蟲飛過光幕所發生的漫反射信號)和電路內部的噪聲信號(通常為高頻信號)。這兩種干擾信號干擾必須消除才能保證測量的準確性。鳥類等飛蟲的飛行速度都在40 m/s以下，扇形光幕的厚度為4 mm，通過光幕產生的干擾的反射時間大于100 μs，與彈丸通過光幕時所產生的漫反射信號不在同一個頻譜范圍；電路內部的噪聲通常為高頻噪聲，頻率達到幾百kHz甚至更高，要高于彈丸穿過光幕時所產生的漫反射信號頻譜。為了得到被測信號的正確信息，需要濾除各種干擾噪聲。濾波放大電路的作用是盡可能較大程度的放大有效信號，抑制交流噪聲信號。

濾波放大電路是前級處理部分的關鍵部分。由于實際測量中的現場環境惡劣，有效信號經常受到外界干擾，高頻信號和低頻信號?；祀s在有效信號之中[13]。為了最大程度的得到被測信號，系統采用高通濾波電路和低通濾波電路的級聯方式實現帶通濾波，然后再進行主放大。本次系統設計先對預處理后的信號進行二階帶通濾波，即先進行二階高通濾波，隨后再進行二階低通濾波。電路的通頻帶通過彈丸的長度、彈丸的飛出速度和激光扇形光幕的線寬經計算得到的。

系統的探測對象為彈丸，這里取彈丸直徑D=20 mm，長度H=40 mm，炮口的初速度取典型值為1 000 m/s。本系統使用的一字線形激光器在2.5 m處的扇形光幕寬度為l=4 mm，兩平行光幕的距離為L=10 m。光幕經炮彈表面反射的激光信號的上升沿為4μs，由此可推算帶通濾波電路的中心頻率約為62.5 kHz，通帶頻率應該在20～200 kHz左右。

經過帶通濾波電路濾波后信號放大了4倍，依舊是mV級別，沒有達到電壓幅值大小的要求，不便于后面轉化為測速的觸發信號。選用運算放大器OP37設計放大電路，采用±15 V雙電源供電，將信號放大50倍以便于后續處理。OP37具有輸入失調電壓低、低噪聲、轉換速率高等優點，轉換速率達到17 V/μs，所以完全滿足彈丸過靶的設計要求。

主放大電路如圖5所示，放大倍數為50倍，放大后的信號幅值達到1～5 V。

放大后輸出的信號為不規則的波形，并不能作為觸發信號。整形電路的核心器件為LM311電壓比較器，具有很高的靈活性，能工作于5～30 V單個電源或正負15 V分離電源。LM311電壓比較器配合AMS1117-3.3電壓轉換芯片，輸出信號為幅值3.3 V的方波信號，可以直接作為后續以FPGA為核心的測速電路的啟動、停止觸發信號。

2.4 測速模塊

FPGA不需操作系統，比ARM微處理器執行指令的速度快，具有快速處理信息能力，以硬件架構方式構建控制系統[14-15]。FPGA主控制器選用Altera公司Cyclone IV的FPGA芯片EP4CE6E22I7N，有8個用戶I/O塊，可使用的I/O口可達91個。該芯片等級為工業級，其工作環境溫度范圍較寬，可達-40 ℃～80 ℃。除此之外，芯片內部有兩個PLL，每個PLL上可均有5個輸出端，可進行動態重配置來改變時鐘頻率或相位。測速模塊流程圖如圖6所示。

脈沖計數輸出原理如下：系統上電，當前后光幕有彈丸通過時，經過光電探測器和信號處理電路后生成方波，分別產生啟動觸發信號和停止觸發信號，當FPGA主控制器檢測到啟動觸發信號的上升沿，計數器開始計數，啟動指示燈亮，直到檢測到停止觸發信號的上升沿，計數器停止計數，啟動指示燈熄滅的同時，停止指示燈閃爍一下，計數完成。這時計數器的值乘以系統時鐘的周期即為彈丸經過雙光幕的時間。此外，系統也設計了啟動、停止按鈕模擬前后光幕的觸發信號，并提供了多種時標選擇。

3 測試分析

完成系統初步設計之后，對計時模塊進行時序仿真、邏輯分析，以驗證該系統的可靠性，同時對時間測量精度進行了分析。

3.1 系統仿真分析

采用Verilog硬件描述語言編寫脈沖計數程序，頂層文件采用圖形化編程方式，模塊化設計，便于拓展。編寫并編譯對應的Testbench文件，采用ModelSim軟件對計時模塊進行時序仿真，系統的計時例化模塊與仿真波形如圖7所示。

計時模塊中各引腳定義如表1所示。由仿真波形可知，start1由低電平變為高電平時候，延遲一個時鐘周期，到下個時鐘周期的上升沿時，LED_Start變為低電平，計數器開始計數，直到遇到end1的上升沿，start1變為低電平，LED_End出現下降沿，計數器停止計數。T_out輸出為周期100 ns、高電平為20 ns的周期信號，這樣是為了便于后續的時標選擇和數碼顯示。

時標選擇和數碼管顯示仿真波形如圖8所示。

表1 計時模塊各引腳功能定義

在時標選擇和數碼管顯示的模塊中，i_fpga_clk與i_rst_n分別為系統時鐘輸入和復位信號，T_in為該模塊的輸入信號(即計時模塊中的T_out)，shibiao為八個時標的選擇，從最低位到最高位分別表示0.1 μs、1 μs、10 μs、0.1 ms、1 ms、10 ms、0.1 s、1 s，o_led_data0、o_led_data1、o_led_data2、o_led_data3、o_led_data4分別表示第0位、第1位、第2位、第3位、第4位數碼管的顯示值。圖8中的shibiao為00000001，即選擇時標為0.1 μs，則數碼管讀數為94.3 μs。計時啟動、停止觸發信號正常，時間讀數顯示正常。

3.2 時間測量精度分析

測速系統是由觸發信號控制計數器的計數個數來實現測速功能。影響測量時間的主要因素有：

1) 光電探測器響應時間。本系統選用的高速光電探測器，典型的響應時間約為1.0 μs。

2) 處理電路延遲誤差。處理電路誤差主要有兩個來源：信號處理電路的延遲誤差和測速模塊的延遲誤差。信號處理電路利用有源濾波、放大、整流等模擬電路對光信號的處理，模擬電路延時較數字電路明顯。信號經過濾波放大的典型上升沿為2.0 μs，測試模塊的延遲可控制在1.0 μs以內。

假定彈丸的速度為800 m/s，前后光幕靶的距離為15 m，計數時鐘為50 MHz，時鐘周期為20 ns。彈丸通過前后光幕靶的時間間隔為T=15/1 000=0.015 s。相對誤差為：

(5)

4 結論

1) 本文提出的基于FPGA的反射式光幕測速系統研制方案，采用反射的激光信號作為系統的觸發信號，并用FPGA作為測速的主要控制芯片，可以提高測量的精度，同時簡化了測速裝置，調節方便。

2) 通過對主要模塊的測試，驗證了該設計方案的可行性。從設計原理上分析可以測出口徑大于20 mm、飛行速度在200～2 000 m/s的彈丸飛過光幕的速度，且精度較高。

3) 該系統的探測電路的信噪比還可提高。