二级轻气炮出口速度测量系统设计与实现

雍成成，杨余旺，殷 俊，郑朝亮

(南京理工大学计算机科学与工程学院，江苏南京210094)

二级轻气炮［1］是采用分子量较小的气体(通常选择He或H2)作为驱动气体，经活塞压缩后，在活塞和膜片之间的驱动气体变为高温高压气体，当膜片破裂后，高温高压的驱动气体膨胀做功，将位于压缩管的弹丸加速到不同出口速度.在超高速撞击实验中，弹丸的速度不仅反映了气炮的发射能力，更是进行空间碎片防护研究重要参数之一，因此，在超高速撞击实验中，弹丸速度必须准确测量.

目前，常用的测速方法有激光光束遮断测速和固定磁体感应测速.激光光束遮断测速曾成功应用在一级轻气炮的弹丸速度测量［2］，但应用于二级气炮实验中却遇到了一些困难，如泄漏到弹丸前端的氢气(或氦气)发光会严重干扰光电二级管的信号［3］，引起测速信号紊乱，气炮发射时的冲击会使光路偏离弹道导致探测不到信号，尤其是对小尺寸弹丸［4-5］.而固定磁体感应测速［4］只能用于金属材料弹丸的测量，否则得不到感应信号.

因此文中设计了一套利用激光光幕测量弹丸速度的测速系统，该系统抗干扰能力强、精度高、重复性好，为高速弹丸冲击和碰撞实验研究，认识目标弹丸或靶板毁伤等冲击动力学性能及相关工作提供了技术支持.

1 系统结构及工作原理

激光光幕测速系统如图1，主要由启动激光光幕靶、停止激光光幕靶、光探测器、信号处理电路、数据采集卡、主机处理软件和机械支撑固定部分组成.

图1 激光光幕测速系统Fig.1 Diagram of laser screen for velocity measuring system

启动光幕和停止光幕两套相同的激光光幕按一定间距摆放在预定弹道上构成一套区截装置，并确保两光幕平面互相平行且与弹道方向垂直.当高速飞行弹丸穿过激光光幕时，弹丸遮挡了部分到达光电探测器的光线，从而引起光电探测器光电流的变化，此时，光电流的变化经信号处理电路放大、滤波、整形后被PCI数据采集卡采集到计算机，再经上位机处理软件可以获得弹丸穿过光幕的时间序列.PCI采集卡主要由高速50Msps 12bit A/D转换器构成，具有较高的采样速度和采样精度.所以高速飞行弹丸穿过时，启动光幕和停止光幕分别产生一个启动信号和一个停止信号，其工作时序如图2.弹丸穿过前后两个光幕的平均速度v可按式(1)计算:

图2 系统测速时序图Fig.2 Timing chart of time-scale signal

式中:S为两光幕靶之间的间距;t为弹丸穿过两光幕靶所需的时间.

2 硬件系统设计与开发

2.1 光幕靶结构设计

光幕靶结构示意如图3，主要由发射装置和接收装置两个部分组成［6］.发射装置主要由光幕靶的激光光源构成，采用输出波长900 nm、管芯功率100 mW的一字型红光半导体激光发生器，该激光器发出的激光通过菲涅尔透镜［7］之后产生大面积平行激光光幕.接收装置主要由光幕的接收器件构成，采用与所选激光光源波长相对应的高灵敏的PIN型光电二极管组成线性阵列为光电检测器件.

图3 光幕靶结构示意Fig.3 Schematic view of structure of screen

为保证接收装置中有效敏感区接收光幕均匀，发射装置中激光器形成的有效发光长度略大于阵列光电检测器有效接收长度.图3中，接收装置中阵列光电检测器有效接收长度为l1，发射装置和接收装置之间长度为l2.为了提高测试准确度，必须保证激光光幕的厚度一致，因此在发射装置和接收装置分别设置了矩形光阑Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，其中光阑Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的光孔宽度根据选择的光电检测器而定，光孔宽度越窄，到达光电检测器的光能量越小，系统灵敏度越低，反之灵敏度则越高.为有效滤除杂散光的影响，保证光电检测器工作的可靠性和稳定性，在光电检测器和两道光阑之间设置了窄带滤波片，激光器发出的光幕经过菲涅尔透镜、狭缝光阑和窄带滤波片后照射到光电检测器上，在空间形成靶面尺寸为l1×l2的平行矩形光幕.通过光阑、滤波片等措施有效地提高了系统的抗干扰能力.

2.2 光电转换电路设计

在光幕靶的光电转换电路中，采用PIN型光电二极管阵列作为光电转换器件，这种器件具有响应速度快、灵敏度高、体积小、光转换效率高等优点.但当弹丸穿过光幕靶时，光电二极管所产生的信号是极其微弱的，因此必须对光电二极管所生成的信号进行足够幅度地放大，并滤除其中的噪声.针对弹丸穿过光幕靶时产生信号的基本原理，设计了差分输入电路，该电路具有较好地共模抑制比，能够很好的抑制共模信号，同时能够较好的放大差模信号.此外该电路具有低噪声、高增益、低输出阻抗、较大的信号带宽和带负载能力以及良好的线性及抗干扰能力等优点.其光电转换与前置放大电路如图4.

图4 光电转换与前置放大电路原理Fig.4 Schematic diagram of optical-electrical converter and preamplifier

图4中，DIODE1和DIODE2分别对应的两组并联的PIN型光电二极管阵列反向偏置构成差分电路的两个输入端.其中R1和R2为偏置电阻，分别由+12V，-12V双电源供电.当有弹丸穿过激光光幕时，遮挡部分进入光电二极管阵列的光线，进入光电检测器的光能量变化，引起流经光电二极管的光电流发生变化，由于偏置电阻的作用，产生一个变化的电信号，再经过1，14管脚流进运算放大器 U1(SE592).其中，流经DIODE1和DIODE2的偏置电流I1和I2都变小.光电转换电路产生的电流信号流入运算放大器U1中，将差分电流信号转换成差分电压信号，再经过管脚2，3进入运算放大器 U2(CA3140)中，差分电压信号经过U2后，转换成单路信号输出.

3 系统软件设计与实现

3.1 上位机软件界面

上位机软件以Visua1 C++6.0作为开发工具，基于MFC框架编写.系统软件界面如图5，整个界面主要有4部分构成，分别为采集操作区、采集波形显示区、采集结果显示区和采集参数设置区.

图5 上位机软件界面Fig.5 Interface of PC software

软件初始化后进入等待状态，等待用户的参数设置和接收按钮命令.需要设置的主要参数有靶距、采样率、采样长度、采样延迟、触发方式、触发通道和触发电平.启动数据采集卡后，采集状态灯会点亮，等待选择的触发通道触发，一旦触发通道信号触发，则采集状态灯会熄灭.系统处理数据，根据设置的采样率和采样长度的不同，会在时域信号处显示实时曲线图，并在当前测量结果显示弹丸飞行速度.在历史测量结果区域可以依据采集序号查询以前采集的历史测量结果同时打印测量报告.

3.2 上位机软件流程

上位机软件程序流程如图6.

图6 上位机程序流程Fig.6 Program flow diagram

3.3 触发时间提取算法

信号处理电路的输出电压由数据采集卡采集，本系统使用的是成都中科动态仪器有限公司PCI4712数据采集卡.当系统光幕靶触发时，输出电压信号从0 V上升到1 V，由于电压信号是弱电电压，所以系统程序中设定电压信号的量程为-1 V～+1V.数据采集卡A/D转换器将采集到的模拟电压信号转换成数字信号.A/D转换器的分辨率为12 bit，为了数据处理方便，将电压信号同等划分为256份，电压信号划分如图7，坐标轴上方为电压的值，坐标轴下方为整数所代表的电压值.其中整数0表示-1V，128表示0V，256表示+1V.

图7 电压信号划分Fig.7 Dividing diagram of voltage signal

数据采集卡采样结束之后，各通道的电压值序列由PackToDouble函数提取，再经过系统程序处理计算可得到每个光幕靶的触发时间，其触发时间提取算法如图8.

在图8中，电压值序列的长度由采样长度决定，系统首先判断触发模式，这里主要分为上升沿触发和下降沿触发，然后根据相应的触发类型遍历每个通道的电压值序列值，与系统设定的触发电压进行一一比较，并记录下恰当触发点的位置和电压.

图8 触发时间提取流程Fig.8 Trigger time extraction flow chart

4 测速实验及结果

图9为二级轻气炮和靶室照片，实验过程中气罐压力为1.2MPa，驱动压力为1.6 MPa.图10 为激光光幕测速系统，系统安装在靶室内，采用全钢制固定靶架，可以减少二级轻气炮发射时对光幕靶冲击，起到有效保护作用.

图9 二级轻气炮Fig.9 Two-stage light gas gun

图10 激光光幕测速系统Fig.10 Velocity measurement system with laser screen

实验中膜片的厚度为2 mm，槽深0.4 mm，实验前后膜片对比如图11.使用弹丸为铝制弹丸，最大直径为 30 mm，重量约为 40 g，如图 12.靶距为0.25m，使用上升沿触发，触发电压设置为0.625 V.图13为被弹丸击穿的钢管.

图11 实验使用的钢膜Fig.11 Steel membrane used in the experiment

图12 实验使用的铝弹Fig.12 Aluminum projectile used in the experiment

图13 被击穿的钢管Fig.13 Steel tube after the experiment

测速实验的记录波形如图14，从图中可以看出:两路波形主峰前有小幅度波段，主要是由打开和关闭电磁阀时产生的浪涌电压和浪涌电流引起的;主峰后出现尖峰毛刺，这是由于弹丸出口后产生的弹丸碎片和高温高压气体造成.实验测得的弹丸穿过2个光幕靶的时间为0.14 ms，因此弹丸速度为1 785m/s.

图14 实验测速波形Fig.14 Waveform of projectile passing the laser screen

5 结论

文中研究了用于二级轻气炮的激光光幕测速系统，采用的光电二极管具有很高灵敏度和很快的响应速度，测量电路具有较高的带宽和信噪比，PCI数据采集卡最高采样频率可达50 Msps，每通道最大采样深度可达16 M，A/D转换具有较高的精度.实验表明，该激光光幕测速系统性能稳定可靠、便于操作，且测量精度高，可调性好，具有很高的实用价值.系统在消除电磁干扰和减少弹丸碎片以及高温气体影响等方面还有待提高.

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