子弹速度光幕靶综合测试系统

李 国，谭 华

（桂林航天工业学院电子信息与自动化学院，广西 桂林 541004）

0 引言

光幕靶测试系统是对飞行子弹或炮弹在一个相对位置采用红外光转化成脉冲信号而进行的探测的仪器[1]。

1 设计思路

本系统设计原理是以子弹出膛后，首先穿过第一个光幕靶，子弹阻断光幕靶的红外光，由光幕靶造成第一个脉冲信号，子弹穿过第一个光幕靶航行一段距离后，进到第二个光幕靶，子弹阻隔光幕靶的红外光，这时，由光幕靶造成第二个脉冲信号，产生的两个脉冲信号送入测试系统，两个光幕靶的间距是已知的，测得两个脉冲信号之间的时间，就可以计算出子弹的飞行速度[2]。防护装甲的着弹点与光幕靶的距离是已知的，子弹重量是已知的，通过检查靶板的受损情况，来判断防护装甲是否符合质量要求。如图1所示。

图1 靶试原理图

2 技术实现方案

2.1 设计内容

此方案设计设计内容主要包括：需求分析整理；设备总体原理设计；设备硬件及主要部件的选型；应用软件功能设计；其他附件等的设计。系统由PXI 测控系统、信号调理及应用软件等构成。

2.2 模块及设备选型

PXI 机箱是PXI 类控制器及功能模块的载体；PXI控制器是系统的计算机单元，管理整个系统；PXI 频率计、计数器、脉宽测量模块，用于计数或脉宽测量；信号调理模块，用于接收光幕靶信号并转换为能被计数器、脉宽测量模块识别的数字信号。

图2 PXI测控系统构成

2.3 设计准则

（1）完整性准则：将提供一套完整的、先进的、可靠的、稳定工作的、满足技术要求的全新系统。

（2）安全准则：设备在工业环境下能长期稳定运行，具有一定的抗各种工业电磁干扰的能力和供电保护的要求。

（3）系统的先进性：提供的系统硬件和系统软件，采用的是目前成熟的较为先进的技术，与当前通用计算机硬件及软件技术保持兼容。

2.4 遵循的规范

设备在制造和投运过程完全满足技术指标要求，且采用国家标准、行业标准、企业标准，本项目设计遵循的标准或规范。

2.5 测试原理

基于《靶试原理图》，测试系统需要测试两个脉冲间的时间，精准的测量有两种方案：一是采用高速电子计数器，以计数的方式进行测量，二是采用脉宽测量的方法进行测量，两种测量方法均能达到精确测量的目的[3]。

2.5.1 高速电子计数器测量

选用髙速电子计数器，假定记数频率为10MHz，时间分辨率可以达到100MHz，假如光幕靶1与光幕靶2中间的间距为1m，子弹速率为100m/s，子弹穿过光幕靶1与光幕靶2中间的时间为1ms，100MHz 的分辨率足够精确测量，就算是靶间隔减少为0.1m，子弹穿过的时间为0.1ms，100MHz 的分辨率也可以同样实现精确测量。为了能够精准测量子弹穿过两个光幕靶的速度，需要解决子弹穿过光幕靶时光幕靶产生脉冲的建立时间问题。如图3所示。

图3 建立时间分析理图

当子弹到达光幕靶1时，也就是上图的a1位置，开始产生输出脉冲，从a1到c1这段就是脉冲信号从0状态上升到1状态，这段时间就是建立时间，当脉冲信号从a1上升到b1时，b1是计数器的最小识别信号，开始计数，到达d 位置时结束计数；子弹到达光幕靶2后，情况同光幕靶1。

如果同一个10MHz 的连续脉冲，提前发送给两个分别对应光幕靶1和光幕靶2的计数器，由于子弹未到达光幕靶，所以，光幕靶没有给出触发信号给计数器，计数器处于等待计数状态；当子弹穿过光幕靶1和光幕靶2时，光幕靶1首先计数，间隔一定时间后，光幕靶2开始计数，当计数到d 时，10MHz 的脉冲信号停止输出，两个计数器将同时停止计数，1号计数器减去2号计数器的差值M，就是子弹穿过两个光幕靶间的计数，每一个计数对应一个脉冲，每一个脉冲时间=1/10MHz=100MHz，M×100MHz 就是子弹在两个光幕靶间的飞行时间，靶间距是已知的，就可以计算出子弹的飞行速度。

采用这种方式来测量子弹的飞行速度非常准确，因为与光幕靶输出脉冲信号的建立时间无关，而且计数脉冲频率很高（10MHz）。

2.5.2 脉冲宽度测量

如果光幕靶1与光幕靶2之间的距离为10m，子弹速度为1000m/s，子弹穿过光幕靶1与光幕靶2之间的时间为10ms，脉宽测量的分辨力为50ns，该分辨力足以精确测量子弹穿过两个光幕靶形成的脉冲宽度，即便是靶间距缩短为0.1m，子弹穿过的时间为0.1ms，50ns 的分辨力也可以同样实现精确测量。脉宽测量是直接测量时间的，在图4中Δt 就是测量出的子弹在两个光幕靶间飞行的时间，速度V=S/Δt，S 为靶间距[4]。

图4 脉宽工作机理图

2.6 测控系统配置

表1 测控系统配置

2.7 模块功能及指标描述

2.7.1 频率计、计数器、脉宽测量、DO 模块

频率计、计数器、脉宽测量、DO 模块为80MHz（10ppm精度）板载时钟频率，最大计数频率为20MHz，时间分辨率可达50ns。PXI 模块是基于PCI 总线开发，适用于PXI 平台；该型模块所有通道采用磁隔离技术，因此，它又具有隔离功能，适用于工业现场。

模块提供16个输入（DI）通道和32个输出（DO）通道，每个通道独立工作。计数器可用于时间测量，DO 可用于脉冲信号或高低信号输出，易于控制设备内部各个交流继电器的开/关时间和时序。PXI 模块主要核心指标见表2。

表2 核心技术指标

2.7.2 CompactPCI/PXI 机箱

设备选用8槽宽机箱，主要安装在机柜机箱提供了7个外围功能卡槽。机箱增加了2个独立电源扩展槽，可对外部设备供电，供电电压可程控。机箱剩余空间可用于安装其他设备，更具集成性，整个测控系统可实现高度集成。机箱配有350W 电源，多组风扇，为系统提供可靠的电源及散热能力。

2.7.3 控制器模块

控制器模块采用COMe 架构设计，所有芯片组的技术指标主要都由COMe 模块保证。

表3 控制器模块参数配置

2.7.4 信号调理模块

信号调理模块为特定设计，目的是将来自光幕靶的脉冲信号整形、滤除干扰信号、调理为标准模块能识别的数字信号及逻辑判断，它起到能否实现有效且精确测量的关键作用。其设计上采用与标准模块对插直连的方式进行连接，无须线缆过度，输入信号采用2个BNC 连接器与2个光幕靶线缆连接。由于标准模块有16个脉宽测量通道，可以做到有多个冗余通道，该方案设计采用脉宽测量方式进行子弹测速，总可用测量通道设计为4个，1个主测量通道，3个冗余通道，目的在于：对比测量；如果主通道测量失效，还有3个备用通道可以使用。

3 结束语

本文介绍的子弹速度光幕靶综合测试系统，主要从其原理及设计方案的实施进行了详述，其测试数据满足文中所提到的各项技术指标要求，采用的测试方法提升了现有设备的测试精度及测试效率，并有效控制了测试过程中的成本，有较强的实际应用价值。