高速运动目标速度测量系统.doc

编号

本科生毕业论文

高速运动目标速度测量系统
High Speed Moving Target Velocity
Measurement System

学 生 姓 名
熊朝俊
专 业
测控技术与仪器
学 号
100211529
指 导 教 师
张晖
学 院
光电工程学院

二〇一四年六月

长春理工大学本科毕业论文
毕业论文原创承诺书

1. 本人承诺：所呈交的毕业论文《高速运动目标的光电精密测速技术研究》，是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业论文工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。
2．本人在毕业论文中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。
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以上承诺的法律结果将完全由本人承担！

作 者 签 名： 2014年 月 日

摘要
高速运动目标的初速是影响目标飞行距离的一个重要因素，是运动目标运行的一个重要参数。本文针对高速运行的目标(500~1500m/s)的运行速度进行高精度(0.05)测量。利用λ＝650nm半导体激光器和高速硅光电探测器GT101组成光电转换系统，将光电转换后的电压信号经过高速比较器与参考电压相比较得到数字信号，设计了一种数字化激光光幕靶，能够捕捉到快速变化的光信号。以前沿和后沿综合触发的方式，将目标飞行过程中在进入和飞出光幕边沿时刻数据高速采样记录，减少了冗余数据，节省了存储器开销，从而使数据处理变得更简单，使连发测试成为可能。利用数据的连续性来判断信号与噪声，进而消除噪声对测量的影响。
在利用光电精密测速技术时，涉及复杂的空间光交汇计算，通用误差分析方法比较困难。在目标与光束垂直度适当的情况下，目标运动方向的偏差对测量精度的影响属于二阶小量。系统整体误差的主要来源为距离测量误差、时间测量误差以及光束不平行度产生的误差。分析得出本系统在两光束间的不平行度达到α=100"，探测器对准精度达到0.lmm情况下，测量精度可以达到0.02 %。

关键词：精密测量 高速光幕 高速运动目标 速度

ABSTRACT
The velocity was an important factor of High-speed moving object. It determined how far the object could fly. The target of this article was measuring the velocity of High-speed moving object between 500 to 1500 m/s accurately. The precision should be up to 0.05%. The measuring laser curtain was composed of laser diode(λ=650nm) and high speed opto-electric detector GT101 (t=7ns) that made of silicon. The digital signal sourced from comparing the voltage from sampling circuit with reference voltage by high speed comparator. The system could obtain quickly varying light signal. Using front edge and end edge to trigger the system sampling and storing data so we could store the edge situation of the object flying through the laser curtain. It decreased the redundant data, saved the data storing room and made the signal process more easily and continuous measuring possible. It eliminated the impaction of noisy by checking the continuity of the data.
It was related to complex calculation of attitude in Opto-Electronic precision velocity measurement technology with general error analysis. The impaction on measuring precision produced by the deviation of object moving directivity was negligible because of it was second order small quantity in the condition of the angle between the direction of object with light beam was as vertical as possible. The entirety system error sourced from the length error and time error and light-beams non-parallelism. In the condition of non-parallelism was α＝100" and opto-detector alignment precision was 0.lmm the system measurement precision could up to 0.02%.

Keywords： Accurate measuring,;High speed light curtain,;High speed moving object,;velocity

目录
摘要 II
ABSTRACT III
目录 IV
第1章 绪论 1
1.1 课题背景提出 1
1.2 弹丸测速技术发展及现状 1
1.2.1 接触式测量 1
1.2.2 非接触式测量 1
1.3 光幕测速技术简介及发展 3
1.4 论文的主要工作 4
第2章 测量系统原理及结构 5
2.1 测试原理及测试系统模型 5
2.2 测试系统系统结构 6
2.2.1. 系统光源 6
2.2.2. 光电接收部分 7
2.3 测量方案 9
2.3.1 触发方案 9
2.3.2 存储方案 9
2.4 测量精度分析 10
2.4.1 测试精度影响因素分析 11
2.4.2 系统速度测量精度分析总结 12
第3章 测速系统硬件电路 14
3.1 激光器驱动电路 14
3.2 光电探测器接收电路 15
3.3 信号接收及控制电路 17
3.3.1 模拟通道选择模块 18
3.3.2 嵌入式控制模块 18
3.3.3 DAC输出模块 19
3.3.4 通讯模块 19
3.4 键盘显示电路 19
3.5 系统电源电路 20
第4章 高速光幕测速系统软件结构 22
4.1 系统自检 22
4.2 测量控制过程 22
4.3 数据处理及显示 22
4.4 数据处理 22
第5章 总结与展望 26
参考文献 27
致谢 29

29

第1章 绪论
1.1 课题背景提出
弹丸速度是衡量武器性能的重要参数。速度测量的精确与否直接关系到武器的性能，所以深入研究弹丸测速技术，不断地将一些高新技术应用于弹丸测速技术，开发新的弹丸速度测量方法，提高测速精度是一项长期研究的工作，是提高武器战术技术性能的一项基础性工作，也是影响武器发展的一个重要环节。
1.2 弹丸测速技术发展及现状
由于弹头出口时处于高速运动状态且伴随高速、高压、高温的火药燃气、残渣及复杂的物体化学变化过程。这种恶劣的状态给测试工作带来极大的难度。瞬时速度测量法可采用弹道摆或微波倾角法可以换算出物体的瞬时飞行速度，但测试误差较大，目前很难达到很高精确。弹丸初速的确定是以测量弹丸在弹道上通过一定距离的很短时间间隔为基础，并认为弹丸在此距离飞行时为均匀减速飞行。因此，到目前为止，弹丸初速通常不是直接在膛口处测量获得，而是通过测量弹丸在某段弹道行程上的平均速度来获得的。再经过炮口修正，便可得到弹丸的初速度。对于高速运动的物体，如子弹、炮弹等的速度测量常用的测量方法按测速原理可分成三类，即：瞬时速度测量法、平均速度测量法和多普勒原理测量法。按照测量时弹丸是否与测速靶接触分，又可分为接触式测量和非接触式测量。
1.2.1 接触式测量
接触式测量又包括铜丝网靶、箔靶、铜丝惯性靶等方法。铜丝网靶是用细铜丝制成栅网状，并用胶水粘连在两纸之间即成纸网靶，或用导电胶将栅网上印制在纸上制成印刷网靶。它们都是靠弹头穿过网靶瞬间“碰断”栅丝工作的，是一种断靶箔靶是在两层很薄的铝箔(或锡箔)中间夹一层泡沫塑料并用胶水粘联而成，靠弹头穿过靶时瞬间接触使两层铝箔(或锡箔)短路工作的，是一种通靶。由于靠接触进行测量，存在对弹速及飞行姿态有较大影响、并且不能保证每发都可靠的短路等缺点铜丝一惯性靶(又称铜丝一钢板靶)，是一种复合靶。第一靶是铜丝靶，即用细铜丝固定在枪口夹上；第二靶是惯性靶，即将惯性靶固定在垂吊的钢板上，属于断靶接触式测量由于可靠性较差，精度较低，在当前测试条件下已显得落后，不能够适应当前高精度测量了。现在测量大多采取非接触式测量。
1.2.2 非接触式测量
非接触式测量又可分为天幕靶测速、线圈靶测速、光幕靶测速、雷达测速、激光多普勒测速、GPS测速以及微波干涉、高速摄影等技术。
(1)天幕靶测速
天幕靶是一种以光电转换为基础用于探测飞行弹丸到达空间某一预定位置时刻的仪器。主要由天幕镜头、光电转换器件、狭缝光阑以及处理电路等组成。在室外工作时，天幕靶以天空为背景。由于狭缝光阑的作用，天幕镜头的视场为有一定厚度的扇形，通常称之为天幕。一旦弹丸进入该天幕，遮住天幕投射到狭缝的部分光能使光电转换器件上的光电流发生变化，该变化信号经处理电路放大、整形后输出一个脉冲信号，用于设计弹丸测速依据。天幕靶是以由光学系统形成的无形靶面和光电器件构成的非接触型区截装置。其优点是靶面大、测速精度高、稳定可靠性好、使用方便。目前国内科研单位研制的型号有JYJ-90型水平天幕靶、DGQ-96水平天幕靶、LB- II型天幕靶、GD-93水平天幕靶等。
(2)线圈靶测速
线圈靶测速是利用线圈感应测速。其测速原理是：首先在炮口安装两个相距一定距离的感应线圈，线圈中通有电流，在线圈周围形成一个电磁场，当弹丸发射经过线圈时引起磁场的变化产生两个信号，根据两信号的间隔时间及线圈的距离计算出弹丸出炮口速度的均值，达到测速的目的。线圈靶分励磁式和感应式两种，感应式线圈靶需要事先磁化的弹丸，当它穿过线圈靶时，造成线圈内磁通量的变化，在线圈内产生感应电动势。励磁式线圈靶有两组线圈，内层为励磁线圈，工作时，通入直流励磁电流，产生一个恒定磁场。外层为感应线圈，当弹丸穿过时，由于弹丸中有金属材料，造成感应线圈的磁通变化，产生感应电动势。线圈靶与光电靶相比，只能测试金属弹丸，无法完成铅芯弹和塑料弹丸的测试，但线圈靶不受震动、炮口火光和光源因素的影响，可以在光电靶无法使用的情况下完成测速，如对弹丸水下弹道有效射程内要进行全弹道速度测试时使用线圈靶。
(3)光幕靶
光幕靶是以光电转换为基础的弹丸飞行速度测量装置。它以光幕作为靶面，当有弹丸穿过光幕时，光电接收部分收到的光通量发生变化，经过光电转换元件转换成电信号的变化，然后根据电信号的变化来触发和停止计数单元。根据已知的靶距，我们就可以计算出目标飞行通过光幕的平均速度来。光幕靶主要由光源、光接收部分以及固定支架组成。它具有测试精度高、灵敏度调节灵活、便于维护操作、成本低等特点。
(4)雷达测速
雷达测速是利用多普勒效应原理测量运动目标速度的。1842年由奥地利物理学家J.C.多普勒发现多普勒效应(Doppler effect)，波源与观察者(接收器)间有相对运动时，观测到的波频率与波源发出的波频率不同的现象。也称多普勒频移。CS-2毫米波多普勒测速雷达主要由高频头、红外启动器、预处理系统和终端系统所组成，由于采用了毫米波及国际上先进的信号处理的谱分析方法，加上滤波自动籍位等措施，提高了整机的抗干扰能力、测试精度及探测距离，使得测试多个目标及在靶道内测试成为可能。该系统测试量程大于弹头口径的6000倍，外弹道测速范围为300-2000m/s，其测试误差小于0.3，可测出双头弹2个弹头的速度。对目标速度的测量就是对多普勒频率的测量，精密测量采用闭环测量法，用窄带跟踪滤波器和二阶环路实现。
(5)激光多普勒测速
激光多普勒测速(laser Doppler velocimeter, LDV)是利用激光多普勒效应来测量流体或固体运动速度的。它通常由激光器、入射光学单元、接收或收集光学单元、多普勒信号处理器、数据处理系统或数据处理器组成。它具有非接触测量、线性特性、较高的空间分辨率和快速动态响应等特点。
(6)GPS测速
GPS(Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System)是美国国防部组织海陆空三军于1973开始共同研究建立新一代卫星导航系统。该系统花费超过100亿美元的庞大研制经费，经过20余年的不懈努力，最后于1994年3月10日24颗工作卫星全部进入预定轨道，系统全面投入正常运行。它是新一代精密卫星定位系统，它不仅具有全球性、全天候和连续的精密三维定位能力，而且能实时地对运载体的速度、姿态进行测定以及精确授时。全球定位系统(GPS)由三部分组成，即空间卫星星座部分、地面监控部分和用户设备部分(GPS接收机)。GPS测速大致有3种方法：第一是基于GPS高精度定位结果，通过位置差分来获取速度；第二是利用GPS原始多普勒观测值直接计算速度；第三是利用载波相位中心差分所获得的多普勒观测值来计算速度还有学者提出了一种炮口被动测速方法，不需发射平台提供电源及设备，仅需在炮口处安装相隔一定距离的两个磁环，且测速、计算及装定全部置于弹丸上，由引信本身所携带的微处理器，根据已测定的目标距离及实测的出炮口速度进行逻辑决策，确定起爆时间，实现半灵巧的功能(semi-smart)，因无需将测速数据进行传输，使系统大大简化。
本课题从测试精度、系统可操作性、以及成本维护等角度综合考虑，采取使用光幕靶的方式来精确测量目标速度。
1.3 光幕测速技术简介及发展
在传统的光幕设计中，光源部分产生由近似平行光组成的具有较小厚度的光幕；接收部分接受发自光源部分的组成光幕的全部光线。处理电路将微弱变化的电信号放大整形，最后以脉冲的形式输出，这个脉冲信号便是弹丸到达光幕的时刻信号。测速时，用两台光幕靶与一台测时仪配合，测时仪给出弹丸通过靶间距离的时间，据此可求出弹丸穿越此段距离的平均速度。根据测速原理，影响测速精度和稳定性的环节有：平行光幕光强的均匀性；革巴距测量标志线与无形靶面的平行性；发光器件的稳定性；处理电路的灵敏度和传输时间的一致性；接收部分对枪口火光的敏感性；整机的抗震性能等因素。随着各种新兴光源的发展以及光电接收器件性能的不断提高，光幕测速技术也在不断的发展。如果光源选择自然光，那么组成靶面的固定区域为天幕，比如天幕靶。还有采用发光二极管(LED)作为光源的，国内有人采用多个LED组成阵列，设计了大尺寸靶面激光由于其高亮度、单色性、方向性好等优点，非常适合用来作为光幕靶光源。随着半导体激光器技术的发展，半导体激光器的尺寸越来越小，光束间距很小的大面积光幕靶成为可能。国内有人利用半导体激光光源经准直、扩束形成激光光幕，再经距光幕一定距离(C3~5m)外的具有原向反射特性的微珠玻璃屏反射回来后，经球面反射镜的会聚由光电探测器接收组成光幕靶。这种方法需要采用大面积光电探测器，经过扩束后激光光强变弱，不利于探测。本文利用半导体激光器组成数字化光幕，无需经过放大整形环节，直接经过高速比较器比较产生数字信号。当有光照时为“0"，当有物体挡住光线时为“1"。这样在目标穿过光幕时变会产生“1”信号，我们使用高速采样电路记录目标飞行通过光幕时光束的通断情况，然后根据记录的数据推算，便可以精确的得知目标穿过靶面时的时间以及着靶位置。
1.4 论文的主要工作
本课题以弹丸速度测量为研究对象，根据其高速、高精度以及高可靠性的特点设计了数字化光幕测量系统。
本文主要完成以下几个方面的工作：
1.根据测量要求提出了采用激光光幕测量的系统方案；
2.在系统方案的基础上，选择650nm半导体激光器作为光源，高速硅光电二极管GT101作为光电探测器，选择高速比较器作为比较单元，设计了数字化激光光幕；
3.针对数字化光幕高速比较电路易产生干扰噪声，分析了噪声产生原因，并提出了消除噪声的方法。为数字化光幕设计了电源模块、控制主板、键盘显示模块；
4.对本光幕测速系统的精度进行了理论分析。

第2章 测量系统原理及结构
2.1 测试原理及测试系统模型
平均速度测量法是通过测量物体飞行路径上一段距离S和物体飞过这段距离的时间T，由式v=S/T计算物体平均速度的方法。根据原理，平均速度测量法又可分为定时测距法和定距测时法两种。本文讨论利用高速光电探测的方法来进行速度的测量，其中高速光电探测信号由物体通过两个相距已知的光束时，遮挡住光线从而引起光电探测器输出信号的变化来获得。这是一种定距测时法，是在物体飞行的路径上预先确定好两个光幕靶，靶距S，然后记录下物体经过两个光幕靶所用的时间T，根据原理就可以计算出物体飞行的平均速度来。测试系统主要环节在于精确获得物体飞行通过两个光幕之间所需要的时间以及精确测定两个光幕之间的距离。测试系统的理想模型如图2-1所示。

图2-1光电法速度测量理想模型

图2-2光电法速度测量实际系统示意图

2.2 测试系统系统结构
根据测试原理，我们考虑系统分辨力，以及半导体激光器的尺寸，设计光束间距为12mm共有72路光束的光幕，每个光幕分成3组，每组24路信号，每组信号通过一个接口与控制主板相连。测试系统主体结构如图所示。

图2-3高速光幕测速系统框架图
系统主要由光源、光电接收部分、控制主板及通讯模块、键盘显示模块以及固定框架和支架组成。
2.2.1. 系统光源
为了获得稳定的光幕，我们必须有稳定的光源。影响测速精度和稳定性的环节有：平行光幕光强的均匀性、发光器件的稳定性、处理电路的灵敏度和传输时间的一致性、接收部分对枪口火光的敏感性、整机的抗震性能等。根据以上因素，我们在选择光幕光源的时候需要考虑的一些原则：
(1)光源要简单；
(2)靶面要足够大；
(3)接收部分要抗炮口火光的干扰；
(4)采用的元器件立足国内普通器件，以便于维护；
目前国内有单位研制采用了白炽灯泡作为光源，选用市售的菲涅尔透镜作为将点光源转换为平行光的透镜，在透镜前面放置发光光阑，这样可保证光幕厚度的均匀性。还有文献指出利用发光二极管阵列组成线光源实现大靶面光幕靶。还有人利用半导体激光光源经准直、扩束形成激光光幕，再经距光幕一定距离(3~5m)外的具有原向反射特性的微珠玻璃屏反射回来后，经球面反射镜的会聚由光电探测器接收，组成光电测试系统。
激光由于其具有很好的单色性、方向性、高亮度和高功率辐射密度等特点，因此激光在光电信号检测系统中得到了广泛的应用。半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、工作寿命长等优点，使用非常广泛。650nm半导体激光器由于其非常常用，价格低，又属于可见光范围，方便调试。因此，本测量系统光源采用650nm半导体激光器。
激光器主要参数见表2-1所示：
表2-1激光器主要参数
波长λ(nm)
650
出瞳功率(mW)
5
光斑直径Φ（1m处)（mm)
<1
光斑形状
椭圆
输入电压(V)
3~5
工作电流(mA)
≈20
工作温度
-10℃-50℃
储藏温度
-40℃——-85 ℃
尺寸(mm×mm)
Φ10×16
2.2.2. 光电接收部分
光电接收部分以硅光电二极管为光电探测器件。硅光电二极管在结构上和工作原理上与硅光电池相似，都是基于p-n结的光电效应而工作的。对光电探测系统响应速度是有一定要求的。一方面要保证整个光电探测系统有较高的响应速度，即能捕捉到待测信号；另一方面又要保证光电探测系统全部接收待测信息。由结电容引起的电路时间常数与光电二极管扩散时间同数量级，是决定光电二极管频率响应特性的重要参数。因此，减小结电容是改善光伏探测器频响特性的重要措施，p-n结的结电容正比于结面积，反比于耗尽层宽度。要得到高速的光探测器必须减小结面积，并尽可能增加耗尽层宽度。耗尽层宽度随反向偏置电压增加而增大，故提高反向偏压可减小结电容，从而得到快速响应的光电二极管；但耗尽层也不能太宽，否则光生载流子在其中漂移时间太长，对高频响应不利。此外，减小负载电阻也可提高响应频率，但是负载电阻的减小，会使输出电压降低。因此，为了提高系统的响应速度，可以采取小面积光电器件、提高光强、适当减小负载电阻、适当提高偏压等措施，目的是减小载流子渡越时间及二极管的极间电容。为了全部接收待测信息，可以增大光敏面面积，实际使用时，为了有效接收信号，应根据具体要求全面考虑。硅光电二极管通常是用在反偏的光电导工作模式下，在无光照条件下，流过p-n结的电流(俗称反向饱和电流或暗电流)很小，是由少数载流子的漂移运动形成的。当光照时，半导体吸收光，在耗尽层或离耗尽层一个扩散长度内产生电子一空穴对，最后被电场分开。当载流子漂移通过耗尽层时，在外部电路中形成光电流，从而实现光电转换。本系统使用中电科技集团44所研制的Si PIN光电二极管GT101系列硅光电二极管。它具有响应速度快、尺寸小、转换效率高等特点。其主要技术指标见表2-2所示。
表2-2光电二极管主要技术指标

(1)控制主板及通讯模块
控制主板接收来自光电探测板上的信号，控制测量过程的启动、停止等动作，并根据上位机的指令做相应的处理。当开始测量后，控制主板通过边缘检测功能模块得到测量信号的前沿和后沿。通过延时模块后，前沿启动计时和地址发生模块，后沿停止计时和地址发生模块。一次测量过程完成后，CPU读取SRAM中的数据，然后根据信号数据的连续性来判断，找出目标飞行过程中的两个后沿地址，然后根据后沿地址找到相对应的计时值，就可以知道目标通过两个光幕靶之间的飞行时间来，于是根据原理公式就可以计算出目标运动的速度来。通讯模块通过RS232, RS485总线与主机进行通讯。
(2)键盘显示模块
键盘显示模块作为现场的人机接口，它是我们对系统参数设定、控制系统过程以及显示结果的部件。键盘显示模块通过一片WH8280作为键盘显示驱动芯片，加上MOS功率管驱动1寸超高亮数码管。键盘显示模块与控制主板间采用串行通信接口。
(3)固定框架和支架
考虑到目标高速出膛时会有大量的膨胀气体以及自然风等因素的影响，因此光幕结构采用框架式主结构，减少冲击波、风等对光幕结构的影响。光幕主结构外形尺寸为外形尺寸为980mm ×980mm × 625mm，测量区域尺寸为900mm× 900mm ×550mm。光幕的框架采用硬质铝合金材料组成，具有刚度强、重量轻、极低的热膨胀系数等特点。
2.3 测量方案
测量方案包括选择何种触发方式，如何存储数据。
2.3.1 触发方案
从光电探测电路经过高速比较器输出的数字信号输入到控制主板的CPLD测量开始后，当目标挡住光幕开始触发数据采集称为弹尖触发；当目标飞离光幕后触发数据采集称为弹底触发方式。两种触发模式使系统灵活性大大增加，如果把光幕靶作为被控设备或仪器的启动信号，可选择弹尖触发，另外对于携光弹，也只能采用弹尖触发；如果利用两个启动靶组成一套区截装置测速，也可选择弹底触发方式，以提高测速精度。一般来说，弹底触发方式测时精度高。在选择弹尖触发方式时，如果能够保证弹丸在两靶面的相同位置触发，也可以达到弹底触发方式的测试精度。本系统测量综合采用两种触发方式，在信号发生变化时触发数据存储。这样保留了有用的信息，丢弃了冗余数据，节省存储器开销。
2.3.2 存储方案
两光幕靶靶距为500mm,假设目标运动速度为1000m/s，目标的长度为100mm，则目标飞行通过整个靶的时间为0.6ms，我们用40Msps的速度来采样。假设每组信号数据为8bit，即一个字节。
倘若将整个测量过程的数据存储，则采样的数据为，这样将会产生很大的存储开销，并且无用数据太多，为后续读取也增加开销。
倘若我们只将目标在前后两个光幕中穿过时的数据记录下来，即只是在目标挡住光线时的数据记录，这样的话数据将会大大减少。假设光束宽度为1 mm,则目标穿过每个光幕的时间约为0.lms(忽略光束宽度影响)，则采样的数据为，这样我们只记录目标在光幕中穿行的数据，数据量就减少为原来的三分之一，但仍然还是很大。并且物体在光幕中穿行时仍然有大量的冗余数据。
倘若我们只是在光幕信号发生变化时即目标进入光幕或者飞出光幕时记录数据，每次数据记录长度设为64，这样既可以保证数据的冗余，又不会产生太大的开销。这样前后两个光幕的数据存储开销总共为。这样存储器开销大大减少，并且有用的数据都被有效的记录下来了。也大大减少了数据读取的开销。
2.4 测量精度分析
对于高速运动的物体，如子弹、炮弹等的速度测量常用的测量方法按测速原理可分成三类，即瞬时速度测量法、平均速度测量法和多普勒原理测量法。瞬时速度测量法可采用弹道摆或微波倾角法可以换算出物体的瞬时飞行速度，但测试误差较大，目前很难达到很精确。多普勒原理测速法是利用波传播中的多普勒效应进行测速的方法，也是一种比较有效的测量速度的方法。具有非接触测量、分辨力高、响应快、量程大和可分辨方向等特点，目前仪器的测速范围可以从0.00lm/s到2000m/s,测量精度由0.1%到1%。
本文要讨论的问题是：测量以500~2000m/s速度运动目标的精确速度，精度达到0.02% 。
瞬时速度测量法和多普勒测速法基本不能满足要求，这里采用基于光电管的平均速度测量法。该方法在许多场合得到了成功的应用，如旋转光编码器，生成线上的长度和速度测量等。但是当速度和精度都提高到一定程度时，该方法的应用条件就变得复杂和严格的多，对精度的误差分析也要困难的多。
在图2-1所示的原理中，前提条件是：
(1)两束激光共面且完全平行；
(2)目标在两束光线决定的平面内运动；
(3)目标运动方向与激光束严格垂直；
(4)激光光束无限细；
(5)两探测器的性能完全一致；
但是实际情况在上述的每条中都发生了小的改变。正是这些小的改变产生了测量误差。要提高测量精度就需要从这几个方面入手。其中前3条主要引起目标运动时经过两光束的距离测量的误差，后两条主要引起时间测量的误差。
如果全部以独立空间坐标系进行讨论，可变量近10个，非常复杂，而且主要问题不突出。这里的分析方法是以第一条激光束为基准，它垂直于大地，即平行于系统坐标轴Z，考虑实际系统误差时如图2所示。图2中，Φ为目标运动方向与z轴的夹角；θ为目标运动方向在XY平面投影与X轴的夹角；α为激光束2与Z轴的夹角； β为激光束2在XY平面的投影与X轴的夹角；S为激光束1与2之间的标称距离；L运动目标为激光束1和2交点之间的实际距离，H为运动目标进入点与标称点之间的高度距离。
1.两激光束之间的平行度的影响
一般运动目标比激光束要大很多，而且激光束的不平行度在一定范围内，所以可以认为在目标运动方向上肯定会与两束激光束交汇。如果光束2与光束1共面且不平行时，理想交汇点与实际交汇点偏差达到最大值(两激光束越来越远时)或最小值(两激光束越来越近时)，此时β=0°，最大偏差由α决定。所以因此这里只需考虑β=0°时的情形。
2.目标运动高度的影响
当两激光束不平行时，不同的高度有不同的交汇点。因此高度应该在测量时一起测定。
3.目标运动方向的影响
从图2中可以看出，L还与目标运动方向相关。当中确定不变时，如果要使运动目标与激光束2相交，e和R必须满足一定的关系。当β=0°，θ=0°时，这时L达到最大值或最小值。因此这里只考虑目标运动方向在两激光束平面内时即e=o。时情况，交汇点位置只由中决定。根据三角形的正弦定理有：
（2-1）
这里
（2-2）
4.测量时间的影响
在该测量方法中，以高频脉冲计数来测量物体经过两光束的时间,
T=NT
2.4.1 测试精度影响因素分析
1.距离测量精度分析
把式(1)按2次级数展开
（2-3）
二次项可以忽略不计
（2-4）
（2-5）
式(4)中，S可以由光栅尺测量，精度可以达到0.005mm。而H可以通过另外一个垂直方向的平行光束间隔确定，本方案实例中精度达到l0mm。采用其它方案或限制手段可以达到更高的精度。a通过自准直仪测量，精度可以达到20 "≈10.3弧度。当H=l0mm, α=100"时，ΔL=0.065 mm 。
2.测试时间精度分析
在该系统中，计数频率为40MHz, Tk=25ns。
但是时间测量的主要问题不是计数单位误差，而是计数本身的误差，即计数值的准确性。它由探测器参数和方案决定。
光束是采用半导体激光器来获得的，光束存在着宽度。假设激光束的宽度为lmm,假定物体在1000m/s运动速度为下，从刚开始接触光束到完全挡住光束需要的时间就是，在这lμs中何时判断物体已经进入是个关键的问题。
一是需要高速的探测器，本系统中的光电探测器响应时间可达到l0ns。
二是需要高速比较器，本系统中比较器的响应频率为100MHz,翻转时间精度至少可以达到5ns。
三是比较器的失调比较电压和稳定的阈值比较电压。设探测器放大输出电压变化范围是2V，那么比较电压的稳定性在l 0mV时，比较器翻转的时间精度为1000ns×l0mV/2000mV=5ns。
通过上面三个条件的讨论，翻转时刻的时间精度完全可以保证在1个Tk之内。考虑计数器的进位误差，时间测量最终精度可以保证为2个Tk之内。
3.探测器对准精度分析
当探测器与激光束的对中发生偏移时，探测器的输出也发生变化，比较器翻转的时刻也发生变化，对应于目标位置也发生相应变化。因此探测器必须与激光器很好的对中。
2.4.2 系统速度测量精度分析总结
通过上述分析，目标运动距离测量总体精度为：

当, 时，

通过上述讨论，我们可以看到在小角度范围内，目标的运动方向角度对系统整体的误差属于二阶小量，α<100"时可以不用考虑。因此，误差的主要来源在于距离测量误差、光束不平行度误差、计时误差以及激光器对准误差。在使用较高精度的光栅尺和较高的时钟频率情况下，光束的不平行度和探测器对准精度对整体测量误差的影响占到主要地位。为了提高测量精度，首先应该减小探测器对准精度带来的误差，减小光束的不平行度。在两激光束间的不平行度达到α=100"，探测器对准精度达到0.lmm情况下，测量精度可以达到0.02 % 。

第3章 测速系统硬件电路
测速系统的硬件电路包括激光器驱动电路、光电探测器接收电路、信号接收及控制电路、键盘显示电路以及系统电源电路。其中信号接收及控制电路处于核心地位，它不仅负责给光电探测器接收电路提供电源，还控制测量过程的开始、结束等过程。
3.1 激光器驱动电路
半导体激光器采用λ＝650nm激光器，出瞳功率5mw， lm处光斑直径中<lmm。激光器内部有稳流电路，这样保证LD的电流不至于过大而烧毁LD管。由于激光器内部稳流电路的存在，在输入电压超过某一个电压值后，激光器的电流不再随电压的增长而增长，而是稳定在一个值附近，但同时会产生振荡。激光器的输出功率会随着电流振荡而出现振荡，这是我们不希望得到的。因此我们将改进激光器的驱动电路。改进后的激光器驱动电路如图3-1所示。由于激光器的管壳与LD的正极相连，为了保护LD被静电击穿，我们将LD的正极接地，负极采用负电源驱动。经过实际的测量，我们将激光器输入电压确定在2.7V以下时，激光器输出功率稳定，不会出现振荡。采用开关电源从220V AC得到-8V直流电源，然后经过7905变成-5V，通过一个10A10的整流管、II型滤波，由于电感有一定的电阻，消耗一部分电压，以及一部分导线损耗，最后我们在激光器驱动电路板上得到-4.10V直流电压。我们通过在每路激光器上串联不同阻值的电阻，来调整每路激光器的工作电流，进而调节激光器得输出功率。这样我们可以通过串联不同阻值的电阻来使得我们的激光器输出功率尽量一致。单条激光器驱动板的电流在500mA左右。工作温度：-10℃~50℃，储藏温度：-40℃~ -85℃ 。
10A10整流管最大可以通过10A电流，最大反向耐压为1000V。其工作曲线如下图3-3所示，我们可以看到在电流为500~2000mA时，10A10的正向导通压降在0.76-0.78之间，非常稳定。因此我们用10A10来降压，在大负载时它的电压变化较小，散热条件也比较好。

图3-1 激光器驱动电路

图3-2 激光器驱动电源电路原理图

图3-3 10A10 导通降压图
3.2 光电探测器接收电路
光电探测器采用高速硅光电二极管，器件在反向偏置条件下工作，当光照时，半导体吸收光，在耗尽层或离耗尽层一个扩散长度内产生电子一空穴对，最后被电场分开。当载流子漂移通过耗尽层时，在外部电路中形成光电流，从而实现光电转换。
每个探测板上共有24路信号，通过1K电阻作为采样电阻，信号电压从电阻上取得。光电探测接收电路包括模拟与数字两部分。模拟部分用来测量每路通道接收到得激光功率强度，并依此来判断此路通道是否是工作正常。将模拟信号通过模拟开关选择得到所需要通道的信号电压，然后接放大器跟随电路得到模拟量输出到1