【導(dǎo)讀】conventionalmethod,namelythehangingup(andtakingdown)oftargetdiscs[l],though

　　

【正文】 帶通濾波器過(guò)濾掉信號(hào)中的噪聲，比如蟲(chóng)子飛過(guò)光幕或附近其它光源閃爍造成的噪聲。電壓比較器負(fù)責(zé)將濾波器輸出的電壓 V0 與閾值電壓 VTH 進(jìn)行比較。如果 V0 大于VTH，電壓比較器將使觸發(fā)器（ FF）改變狀態(tài)。 數(shù)字電路 如圖 5 所示是數(shù)字信號(hào)處理電路的框圖，從模擬電路輸出的信號(hào)輸入到相應(yīng)的觸發(fā)器（ FF）。 當(dāng)彈丸穿過(guò)第一個(gè)光幕時(shí)，相應(yīng)的觸發(fā)器 FFs的狀態(tài)發(fā)生變化，然后與非門(mén)（ NAND） U1 的狀態(tài)也跟著發(fā)生變化。 U1 的狀態(tài) 改變后將封鎖住第一個(gè)光幕的所有觸發(fā)器，以防止隨后到來(lái)的沖擊波影響到彈丸穿過(guò)光幕時(shí)的實(shí)際數(shù)據(jù)，跟著計(jì)數(shù)器（ counter） U5 開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的工作頻率為 10MHz。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 18 頁(yè) 共 24 頁(yè) 圖 5 數(shù)字信號(hào)處理電路框圖 當(dāng)彈丸穿過(guò)第二個(gè)光幕時(shí)，第二個(gè)光幕的數(shù)字信號(hào)處理電路的所做工作 除了停止計(jì)數(shù)器之外其它的都 與第一個(gè)光幕的相同 。在停止計(jì)數(shù)器的同時(shí)，第二個(gè)光幕靶的與非門(mén)（ NAND） U2 還向中央處理單元（ CPU）發(fā)送了一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)（ INT）。 CPU 接收到中斷請(qǐng)求信號(hào)后，讀取彈丸過(guò)靶數(shù)據(jù)，將計(jì)數(shù)器（ U5）和所有觸發(fā)器（ FF）復(fù)位以便 測(cè)量下次射擊。如圖 5 所示，計(jì)數(shù)器（ U5）記下了式（ 6）中的時(shí)間間隔 T，另外每個(gè)光電二極管都與相應(yīng)的觸發(fā)器相連，而每個(gè)觸發(fā)器又被事先編好了相應(yīng)的地址，所以 CPU 可以確定那些光電二極管產(chǎn)生了響應(yīng)信號(hào)，然后根據(jù)式（ 1） 式（ 5）就可以計(jì)算出彈丸的過(guò)靶位置和速度。 4 EOTS 的測(cè)量精度 速度測(cè)量精度 由 Hartwig 推導(dǎo)出來(lái)的天幕靶的速度測(cè)量精度 ［ 8］ 為 S v TvvS? ? ?? ? （ 8） 式（ 8）中的參數(shù)表示的意義與式 （ 6）中的相同，其中Δ v，Δ S 和Δ T 分別表示 v， S中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 19 頁(yè) 共 24 頁(yè) 和 T 的最大誤差值。在 EOTS 中， 照射在光電二極管上的激光的光強(qiáng)分布是不均勻的，如 節(jié)中所描述的，這就意味著不同模擬信號(hào)通道將有不同的響應(yīng)時(shí)間，雖然它們是被同時(shí)觸發(fā)。如圖 6 所示是當(dāng)彈丸穿過(guò)光幕時(shí)模擬信號(hào)通道輸入與輸出的典型波形圖，虛線代表的是光強(qiáng)比較弱時(shí)的輸出響應(yīng)，實(shí)線代表的是光強(qiáng)比較強(qiáng)時(shí)的輸出響應(yīng)。 圖 6 模擬信號(hào)通道的典型輸入輸出波形 在這里，將照射在光電二極管上的激光的光強(qiáng)看作是沿 x 軸方向均勻分布的。從圖 6 中可以得到，彈丸在 T1時(shí)刻接觸光幕，在 T2時(shí)刻全部擋住光幕。響應(yīng)的光電二極管的電流 ID從 IDH下降到 IDL，然后模擬通道的輸出電壓 V0上升到飽和電壓 Vsat，只要當(dāng)V0大于 VTH時(shí)計(jì)數(shù)器才會(huì)被觸發(fā)。從 T1到電壓 V0等于 VTH之間的時(shí)間間隔被稱為響應(yīng)時(shí)間 tr。從圖 6 可以看出，隨時(shí)間變化的輸入光功率將會(huì)導(dǎo)致輸出響應(yīng)時(shí)間 tr的不同，所以對(duì)于 EOTS 來(lái)說(shuō)，式（ 8）中Δ T 應(yīng)包含Δ tr，在這里Δ tr是最壞情況下的偏差，如第一個(gè)光幕的最大 tr減去第二個(gè)光幕的最小 tr。表 1 列出了用 PSpice 軟件仿真得到的中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 20 頁(yè) 共 24 頁(yè) 不同彈丸速度時(shí)的模擬電路響應(yīng)時(shí)間偏差值Δ tr。 表 1 不 同彈丸速度下的仿真得到的Δ tr 彈丸速度（ m/s） Δ tr(μ s) 200 1000 5000 位置測(cè)量精度 在如圖 3 所示的 EOTS 中，如果編號(hào)為 n 的光電二極管產(chǎn)生響應(yīng)，其實(shí)際的射擊位置夾角δ e在如下范圍內(nèi) 1a r c ta n ( ) a r c ta n ( ) , 1enn nNNN?? ? ? ? ? （ 9） 或者 a r c ta n ( ) a r c ta n ( ) , 1 22 1 2eNN N n NN n N n?? ? ? ? ?? ? ? （ 10） 參照式（ 1）、式（ 2）、式（ 9）和式（ 10），δ e 在最壞情況下的偏 差值Δδ由光電二極管的半寬度測(cè)量不準(zhǔn)確而造成。所以 y軸和 z軸方向上的偏差值可以推導(dǎo)出來(lái) 1212yyy ??????? ? ? ? ? （ 11） 和 1212zzz ??????? ? ? ? ? （ 12） 其中，Δδ 1和Δδ 2分別是第一個(gè)光幕和第二個(gè)光幕的Δδ。 2 1221 1 2s e c ta n(ta n ta n )Dy ??? ? ?? ???? （ 13） 21222 1 2ta n s e c(ta n ta n )Dy ??? ? ?? ??? （ 14） 221221 1 2s e c ta n(ta n ta n )Dz ??? ? ?? ??? （ 15） 和 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 21 頁(yè) 共 24 頁(yè) 221222 1 2ta n s e c(ta n ta n )Dz ??? ? ?? ??? （ 16） 從式（ 9） 式（ 16）可以很明顯地看出， 在面積 D相同的情況下， N越大其位置測(cè)量精度就越高。 如圖 2 中所示的兩個(gè)光幕交叉形成的目標(biāo)區(qū)域中，光電二極管之間的間隔被認(rèn)為是固定的，不同位置的探測(cè)器的精度也不同。 如圖 7 所示的是在 y 軸（或 z 軸）方向上最壞情況下的測(cè)量誤差的模擬結(jié)果。在一個(gè) D 為 1000mm， 2N 為 400 的 EOTS 中，將射擊位置的 δ 1角固定在 45186。，第二個(gè)光幕的響應(yīng)光電二極管編號(hào)從 40 到 360。從圖 7中可以看出，編號(hào)約為 120 到 280 之間的光電二極管響應(yīng)時(shí)其對(duì)應(yīng)的 y 軸（或 z 軸）方向上的測(cè)量誤差小于 1mm，即如圖 2 中所示的五角形區(qū)域所對(duì)應(yīng)的光電二極管的測(cè)量精度高于 1mm。 圖 7 δ 1為 45186。時(shí) y軸和 z軸方向上最壞情況下的誤差 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在實(shí)驗(yàn)中使用了一個(gè) EOTS 原型，其主要參數(shù)如下： d=, w=, S=635mm, D=1000mm, 2N=384 以及激光器輸出光功率 P=。為了方便比較，我們?cè)?EOTS 的后面懸掛了一張靶紙。如圖 8所示是在 yz坐標(biāo)軸下 9發(fā)子彈的彈著點(diǎn)。用 EOTS 測(cè)量了子彈的速度及彈著點(diǎn)位置，如圖 8 所示，圖中底部的兩個(gè)“”表示圓柱棱鏡所在的位置。如表 2 所示的是 EOTS 測(cè)量的結(jié)果與人工從紙靶上測(cè)量的結(jié)果之間的比較。其標(biāo)準(zhǔn)誤差小于 1mm。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 22 頁(yè) 共 24 頁(yè) 6 總結(jié)與討論 本文介紹了一種新型的小口徑彈丸光電目標(biāo)系統(tǒng)。 通過(guò)基于微型計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)和適 當(dāng)?shù)母郊榆浖梢詫?shí)時(shí)地測(cè)量彈丸的位置和速度信息。其位置測(cè)量最精確的區(qū)域?yàn)榉植荚诎忻嬷醒胩幍奈褰切螀^(qū)域。本文還分析了系統(tǒng)的位置和速度測(cè)量精度。為了提高速度測(cè)量的精度，應(yīng)該減小響應(yīng)時(shí)間的不同所產(chǎn)生的影響。增加兩個(gè)光幕之間的距離也是一種提高速度測(cè)量精度的方法，但這樣做就會(huì)使位置測(cè)量精度變得很糟糕。要想提高位置測(cè)量精度，應(yīng)該減小光電二極管陣列上光電二極管之間的間隔。 圖 8 EOTS輸出結(jié)果，坐標(biāo)原點(diǎn)移至靶面中央 EOTS 的速度測(cè)量范圍從亞音速到超音速，速度測(cè)量精度高于 %。由于設(shè)計(jì)理念的不同， EOTS 不像 EYS 那樣需要與射擊信號(hào)同步，只要 EOTS 的電源被打開(kāi)就可以隨時(shí)測(cè)量入射的彈丸。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 23 頁(yè) 共 24 頁(yè) 圖 9 彎曲的圓柱棱鏡對(duì)激光束的作用 如果使用一個(gè)輕微彎曲的圓柱棱鏡（如圖 9 所示），那么其展開(kāi)的光幕在 x 軸方向上的發(fā)散角就會(huì)很小，這樣光學(xué)陣列就更不容易受振動(dòng)的影響。但是，圓柱棱鏡的表面 質(zhì)量對(duì)扇形光幕在 x 軸方向上的光強(qiáng)分布均勻性至關(guān)重要。扇形光幕在 x 軸方向上的光強(qiáng)不均勻性將會(huì)增加系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)的敏感性。 表 2 EOTS測(cè)量結(jié)果與人工測(cè)量結(jié)果對(duì)比 彈著點(diǎn) 測(cè)量結(jié)果 (mm) 彈著點(diǎn) 測(cè)量結(jié)果 (mm) 從 到 EOTS 人工測(cè)量 從 到 EOTS 人工測(cè)量 1 2 3 7 1 3 3 8 1 4 3 9 1 5 4 5 1 6 4 6 1 7 4 7 1 8 4 8 1 9 4 9 2 3 5 6 2 4 5 7 2 5 5 8 2 6 5 9 2 7 6 7 2 8 6 8 2 9 6 9 3 4 7 8 3 5 7 9 3 6 8 9 與 EYS 和其它傳統(tǒng)測(cè)量方法相比， EOTS 有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)： （ 1） 它可以同時(shí)精確地測(cè)量位置和速度。 （ 2） 它的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝。 （ 3） 如果使用彎曲的圓柱棱鏡，其受振動(dòng)的影響更小。 （ 4） 它的速度測(cè)量范圍覆蓋亞音速到超音速。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 24 頁(yè) 共 24 頁(yè) 參 考 文 獻(xiàn) [1] BETTERMANN, P, and MAYER, F. 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