自消除激光破片测速仪误触发的算法

曹　勋， 赵冬娥，张　斌，刘小彦，李佳潞，史晓军，王利勇

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西，太原　030051;2.晋西工业集团有限责任公司，山西，太原　030027)



自消除激光破片测速仪误触发的算法

曹勋1， 赵冬娥1，张斌1，刘小彦1，李佳潞1，史晓军2，王利勇2

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西，太原030051;2.晋西工业集团有限责任公司，山西，太原030027)

针对现有采用内触发方式的JGM-P400激光破片测速仪在战斗部野外静爆试验中存在误触发现象，在对静爆试验中破片过靶信号为正向脉冲信号进行理论分析和建模仿真基础上，提出了基于过靶信号脉冲宽度的自消除系统误内触发算法。通过设置合适的过靶信号脉冲宽度阈值TS，给出内触发有效与否的判决表达式，并做算法的FPGA实现。测试结果表明：设置阈值TS为100 μs时，该算法能有效判别系统内触发是否有效，并自动消除误触发现象，保证了激光破片测速仪测得的数据正确、可靠。

信息处理技术；激光破片测速仪；误触发；过靶信号；脉冲宽度

破片速度是衡量战斗部爆炸威力的重要参数之一，而激光破片测速仪是基于高速破片穿过两平行激光光幕靶的时间差Δt来测得破片飞行速度[1]。文献[2]中研制的激光破片测速仪采用上升沿内触发方式，即当破片穿过光幕靶时,光电探测系统产生一个正向脉冲过靶信号来触发测速仪开始工作，该触发方式存在误触发的问题。因为当非探测目标(如飞行的昆虫、沙子)在战斗部静爆之前误穿过激光光幕靶时会造成仪器误触发，获取不到正确的数据，致使静爆试验测试失败。采用基于光触发的外触发方式[3]因战斗部爆炸时产生火光成分的复杂性及环境光对光电探测器的干扰，同样会导致测速仪的误触发现象；采用通断靶的外触发方式则存在布线繁琐、安全性差的问题。因此，提出基于FPGA的破片过靶信号正向脉冲宽度算法，实现了激光破片测速仪自动判决并消除内触发的误触发现象，从而保证仪器测得破片速度数据的可靠性。

1　过靶信号模型建立及算法分析

1.1破片过靶信号模型建立

破片高速穿过激光光幕靶时，破片的表面会遮挡部分光幕，从而汇聚到光电探测器的光通量随之减少，使得光电探测器产生一个正向脉冲电信号，该信号即为破片过靶信号[4]。过靶信号的脉冲宽度与破片速度成反比，其幅值与破片表面遮挡光幕的面积成正比。破片是战斗部壳体内预制的球形钨珠，破片过靶示意图如图1所示。

图1中，破片是直径D=4 mm的球形钨珠，激光光幕靶的厚度h=4 mm，且光强分布均匀。根据破片过靶模型，可得到破片在穿越光幕靶的整个过程中遮挡光幕面积A(x)与破片进入光幕相对位置x的函数表达式为

(1)

式中,x为破片进入光幕的相对位置。

由式(1)可知，假设破片以速度v=1km/s垂直穿过光幕靶，破片从开始进入光幕到飞离光幕的距离S1=(D+h)为8mm，则整个飞行过程持续时间Δt1=S1/v=8μs，遮挡光幕面积与过靶信号幅值的转换系数δ=0.1V/mm2，由此可建立破片过靶信号的幅值U1(t)=δA(x)与过靶时间t的理论模型如图2所示。

1.2非探测目标过靶信号模型建立

战斗部静爆试验在野外进行，常见的非探测目标为空中飞行的昆虫和沙尘，因沙尘形状近似为球形，其过靶信号模型与破片类似，故选取昆虫作为非探测目标进行分析，分析时采用锥形柱体近似昆虫的方法模拟昆虫穿过激光光幕靶的过程，锥形柱体过靶示意图如图3所示。

(2)

由式(2)可知，假设锥形柱体以速度v=18m/s垂直穿过光幕靶，柱体穿过光幕靶整个飞行距离S2=(D+l)为12mm，则整个飞行过程持续时间Δt2= S2/v=667μs，遮挡光幕面积与过靶信号幅值的转换系数δ保持不变，由此建立柱体过靶信号的幅值U2(t)与过靶时间的理论模型如图4所示。

1.3自消除系统误触发算法

在战斗部静爆试验中，根据其所装火药当量不同，产生预制破片飞行速度范围可达每秒数百米到上千米[5]，而昆虫飞行速度[6]上限为36m/s。若飞行速度越慢，则其对应的过靶信号脉冲宽度就越宽。由上述过靶信号数学模型可知，破片过靶信号的正向脉冲宽度Δt1为8μs，柱体过靶信号的正向脉冲宽度Δt2为667μs，则Δt2≫Δt1。因此可设置信号脉冲宽度阈值TS=100μs作为判断激光破片测速仪内触发是否有效的条件，该阈值对应的飞行速度为100m/s，足以区分破片和昆虫所对应的过靶信号，判决条件表达式为

(3)

由式(3)可知，当系统测得过靶信号的脉冲宽度Δt≤TS时，δ(t)输出为1，则该触发信号为破片过靶时产生，判定内触发有效，破片测速仪开始采集数据；反之，当系统测得过靶信号的脉冲宽度Δt>TS时，δ(t)输出为0，则该触发信号为昆虫过靶时产生，判定内触发无效，破片测速仪继续检测过靶信号，等待触发条件成立。阈值TS的设置以及检测过靶信号脉冲宽度的算法均可采用基于FPGA的硬件电路实现。综上所述，基于过靶信号正向脉冲宽度的自消除系统误触发算法使激光破片测速仪能够自动识别并消除误触发现象，从而保证测速仪测量的数据准确可靠。

2　算法的FPGA实现及仿真分析

2.1算法的设计流程

为获取过靶信号的脉冲宽度需要测得过靶信号的计时起点N1和计时终点N2。分析激光破片测速仪工作原理可知：没有飞行物体穿过激光光幕靶时，输出信号为系统本体噪声信号，其主要成分为幅值小于0.1 V的低频信号；当有破片或昆虫等飞行物体穿过光幕靶时，输出过靶信号为幅值大于1 V的正向脉冲信号。因此，设定系统检测信号阈值UT为0.2 V，即当系统检测到过靶信号幅值上升并超过UT时，设置该时刻为计时起点N1；当系统检测到过靶信号的幅值下降到小于UT时，设置该时刻为计时终点N2。由(N2-N1)×Tclk可得出过靶信号的脉冲宽度Δt，其中Tclk为FPGA的晶振周期。将Δt与过靶信号脉冲宽度阈值TS作对比，并根据判决条件表达式(3)即可判定测速仪内触发是否有效。系统采用精度为12位，量程为±2 V的模数转换器，因此信号阈值UT对应的数字量为0x8cc。算法结构设计流程图如图5所示。

2.2算法的仿真分析

由上述分析可知，针对系统内触发有效与否两种情况作具体的算法仿真实现，算法的Simulate Model仿真图如图6和图7所示。

图6中，过靶信号脉冲宽度计时器Counter的计数值为500，FPGA晶振周期为20 ns，则过靶信号脉冲宽度为10 μs，该值小于脉冲宽度阈值TS，故判定过靶信号内触发有效，触发信号使能端Trig_en输出高电平，触发测速仪采集数据。

图7中，过靶信号脉冲宽度计时器Counter的计数值为20 000，FPGA晶振周期为20 ns，则过靶信号脉冲宽度为400 μs，该值大于脉冲宽度阈值TS，故判定过靶信号内触发无效，触发信号使能端Trig_en输出低电平，系统状态机state_i返回到初始零状态，即破片测速仪继续检测过靶信号，等待内触发条件成立。由图6和图7可知，算法的仿真结果与理论分析一致。

3　试验测试结果

共进行了实弹测试和模拟测试2次试验，测试结果如图8和图9所示。

图8是某型号战斗部静爆时产生的直径为4 mm预制破片过靶信号，该破片速度为862 m/s，过靶信号理论脉冲宽度为9.3 μs。图中测得过靶信号的脉冲宽度为9 μs，小于阈值100 μs，判定结果为内触发有效；图9是选用总长8 mm的锥形塑料柱体采用弹弓发射的方法使锥形柱体穿过光幕靶来模拟昆虫等非探测目标的过靶信号，柱体速度为19.5 m/s，过靶信号理论脉冲宽度为615 μs。图中测得过靶信号的脉冲宽度为600 μs，大于阈值100 μs，判定结果为内触发无效；信号理论脉冲宽度与实际测得结果的3%误差源于系统光电探测器的响应灵敏度，该误差不影响系统内触发的判定结果。综上可知，试验测试结果论证了基于过靶信号脉冲宽度的自消除激光破片测速仪误内触发算法是切实可行的。

4　结束语

在对飞行物体经过激光测速仪产生过靶信号的理论分析和建模仿真的基础上，得出高速飞行破片和低速飞行物体在穿过光幕靶时，产生过靶信号的脉冲宽度差异很大这一结论，进而提出了基于过靶信号脉冲宽度的自消除误触发算法，并基于FPGA实现算法和仿真。理论分析和试验测试结果均说明了算法的正确性。该算法还可应用于其他动态测试触发系统。

References)

[1]刘吉，赵冬娥，于丽霞,等.激光光幕战斗部破片速度测试系统的信号处理[J].弹箭与制导学报，2013，33(2):49-51.

LIU Ji, ZHAO Dong’e, YU Lixia, et al. Signal proce-ssing of laser screen warhead velocity measurement system[J]. Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Gui-dance, 2013,33(2):49-51.(in Chinese)

[2]邓均，周汉昌，赵冬娥,等.大面积平行光幕弹着点测试系统[J].光电工程，2010，37(3):18-23.

DENG Jun, ZHOU Hanchang, ZHAO Dong’e, et al. Large area parallel laser screen measuring system for bullet impact location[J]. Opto-electronic Engineering, 2010，37(3)：18-23. (in Chinese)

[3]温星曦，李新娥，王美林,等.光触发电子测压器的设计[J].传感技术学报，2014(5):591-595.

WEN Xingxi, LI Xin’e, WANG Meilin, et al. Design of light electronic manometer[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators,2014(5):591-595.(in Chinese)

[4]ZHAO Dong’e，ZHOU Hanchang，LIU Ji，et al. High-precision velocity measuring system for projectiles based on retro-reflective screen[J]. Optik，2013,124(6):544-548.

[5]鲁倩.飞行破片动能光幕测试技术[D].西安:西安工业大学，2012.

LU Qian.Testing technology of flying fragments kinetic energy[D]. Xi’an:Xi’an Technological University,2012.(in Chinese)

[6]翟雯.昆虫最快飞翔速度[EB/OL].http:∥www.cnki.com.cn.

ZHAI Wen. The fastest speed of flying insects[EB/OL]. http:∥www.cnki.com.cn.(in Chinese)

An Algorithm Designed for Automatically Eliminating the False Trigger of Laser Fragments Velocimeter

CAO Xun1, ZHAO Dong’e1, ZHANG Bin1, LIU Xiaoyan1, LI Jialu1, SHI Xiaojun2, WANG Liyong2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan030051，Shanxi,China；2.Jinxi Industries Group Co. Ltd, Taiyuan030027，Shanxi,China)

In response to the existing false trigger phenomena of laser fragments velocimeter JGM-P400 through internal trigger mode and based on the theory and simulation analysis of the signal as the fragments flying across the laser screen in the warhead static explosive experiment, an algorithm is put forward which could automatically eliminate system false trigger based on signal pulse width. Through setting the appropriate threshold of the signal pulse widthTS, a conclusion is reached whether the internal trigger is judged valid or not by offering an expressive formula and conducting the FPGA implementation of the algorithm. Test results show that this algorithm can not only judge but also eliminate the system false trigger automatically when theTSis 100 μs, which guarantees the correctness and reliability of the data measured by the velocimeter.

information processing; laser fragments velocimeter; false trigger;signal flying across the laser screen; pulse width

2015-04-15

教育部科学技术研究重点项目(No.211027);山西省研究生优秀创新项目(No.20143080)

曹勋(1990—)，男，硕士研究生，主要从事动态测试技术研究。E-mail：caoheqichun@163.com

赵冬娥(1970—)，女，教授，主要从事光电探测技术研究。E-mail：zhaodonge@nuc.edu.cn

TN247

A

1673-6524(2016)01-0079-04