CN103206986A

CN103206986A - 一种高速运动目标参数测试系统及方法

Info

Publication number: CN103206986A
Application number: CN2013101223534A
Authority: CN
Inventors: 赵冬娥; 刘吉; 张斌; 周汉昌
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2033-04-10
Also published as: CN103206986B

Abstract

一种高速运动目标参数测试系统及方法，主要包括启动靶与停止靶、数据采集模块、总控模块及数据传输处理模块构成；启动靶和停止靶均由X轴和Y轴的矩形激光光幕发射单元、光敏管阵列及放大整形单元构成，形成相互平行且间距确定的两个虚设的薄光幕靶面，其数据采集模块由内建先入先出缓冲存储器FIFO的若干片现场可编程门阵列FPGA构成；总控模块由一片现场可编程门阵列FPGA及存储器FLASH构成；数据传输处理模块包含USB数据接口与上位计算机。系统在总控FPGA的控制下，通过高速采集存储目标飞行穿过薄光幕区域过程中各个时刻所对应的X、Y方向光敏管阵列的输出电平状态，经数据处理将破片的速度、着靶坐标和外形尺寸解算出来。

Description

一种高速运动目标参数测试系统及方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种高速运动目标参数测试系统及方法。

背景技术

本发明中的高速运动目标主要指常规弹丸、战斗部爆炸产生的破片、爆炸成型弹丸（EFP）等。对于高速运动目标速度的测试，现有的方法常采用激光靶、LED光明靶、天幕靶、线圈靶、网靶等装置，对于斜入射造成的靶距误差没有修正，且不具备测坐标和测物体尺寸功能；对于高速运动目标的坐标，常采用线阵CCD（或CMOS）相机交汇测试的方法，也有采用光幕交汇的方法，但一般系统复杂，且不具备测试被测目标速度、外形尺寸等功能。

发明内容

本发明的目的是针对现有高速运动测试技术存在的不足和问题，提供一种能够实现对高速运动目标速度、坐标和外形尺寸等参数的测试系统及方法。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种高速运动目标参数测试系统，其特征在于：包括启动靶与停止靶、数据采集模块、总控模块及数据传输处理模块构成；所述的启动靶和停止靶分别由矩形激光光幕发射单元、光敏管阵列及放大整形单元构成，形成虚设的薄光幕靶面，沿高速目标飞行方向，先通过的为启动靶，后通过的为停止靶，两靶面相互平行布置，固定间距为S；其中：

所述的数据采集模块由内建先入先出缓冲存储器FIFO的若干片现场可编程门阵列FPGA构成；为描述方便，用来实现数据采集的FPGA后面文中统称为采集FPGA，先入先出缓冲存储器FIFO简称为FIFO；总控模块由一片现场可编程门阵列FPGA及存储器FLASH构成；为描述方便，用来实现总控的FPGA后面文中统称为总控FPGA；所述的数据传输处理模块包含USB数据接口与上位计算机；启动靶与停止靶的数据通过数据采集模块和总控模块采集并存储，并由USB数据接口传输给上位计算机，上位计算机数据处理并将破片的速度、着靶坐标和外形尺寸解算出来。

所述的启动靶与停止靶，由X、Y两方向的矩形激光光幕发射单元、光敏管阵列及放大整形单元构成，形成一个虚设的薄光幕靶面，当高速运动目标飞行穿过激光光幕的区域时，X轴和Y轴光敏管阵列中对应部分的光敏管所接收到的光通量由强变弱，经光电转换、放大整形，形成反转电平，利用采集FPGA和总控FPGA进行并行数据采集存储，能够获得该时刻运动目标横截面X、Y方向上的投影尺寸及坐标位置，根据启动靶和停止靶上目标的坐标关系，确定运动目标相对于靶面的飞行角度，继而用来修订实际的飞行靶距，获得更高的测速精确度；而且，在总控FPGA的控制下，在高速目标飞行穿过薄激光光幕的区域过程中，对各时刻X、Y方向光敏管阵列所有电平状态进行高速并行采样存储，相当于对目标的各个截面尺寸进行扫描采样，通过数据处理即能够恢复出目标的外形尺寸。

所述的激光光幕为矩形激光光幕，由激光器与菲涅尔透镜形成，把一个线光源激光器放在菲涅尔透镜的焦点处，激光器输出的扇形激光经过菲涅尔透镜后形成矩形激光光幕。

根据以上所述的一种高速运动目标参数测试系统的测试方法，其特征在于：高速运动目标参数的获得是将存储的数据经通信接口传输至上位计算机，经数据处理后能够获得高速目标的坐标、速度、外形尺寸参数；其中：

4.1坐标的获得

当高速目标飞行穿过激光光幕区域时，光敏管阵列的状态被高速采集；对于每一采集时刻，根据被遮挡的光敏管的位置，即给出一个坐标位置，将高速目标飞行穿过启动靶过程中各时刻获得的坐标进行平均，作为目标穿越启动靶时的坐标值（X₁,Y₁）；同理，获得其穿过停止靶时的坐标值（X₂,Y₂）；

4.2速度的计算

由于系统在采集存储每一帧数据的同时，其对应的各个时刻对于触发计时零点的计数也同时被存储，对应每一帧数据中的计数位，提取目标飞行穿过启动靶和停止靶的第一帧数据的计数位C1、C2，（当然也可以提取其他特征时刻），根据采样率能够计算出目标飞行穿过两光幕间的时间T=（C2-C1）/采样率；假设两平行光幕间垂直距离，即理论靶距为S,则根据目标经过两个光幕的坐标（X₁,Y₁）、(X₂,Y₂),能够获得修正后目标在两光幕间的实际飞行距离为：

S^{'} = \sqrt{{(X_{2} - X_{1})}^{2} + {(Y_{2} - Y_{1})}^{2} + S^{2}}

目标的飞行速度为：v=S′/T。

4.3高速目标外形尺寸的获得

当高速目标飞行穿过激光光幕过程中，在任一采集时刻，被遮挡的光敏管多少即反映了目标截面在该方向上尺寸的投影，因此，可以根据各采集时刻所采集存储的光敏管阵列的输出状态，判别目标遮挡光敏管的多少，确定在该时刻X方向和Y方向目标截面的外形尺寸投影，譬如：若目标经过光幕遮挡光敏管的数目为N，每个光敏管尺寸为a，则该方向上的尺寸投影即为aN。在目标飞行穿过激光光幕过程中，经过高速采集，能够获得目标各个截面的两维投影尺寸；根据目标飞行速度和采样间隔时间，能够确定每个采样间隔内目标沿飞行方向的纵向尺寸，将各个时刻的采集数据，联合目标飞行速度和采样间隔时间，即得到重构目标的外形尺寸。

本发明具有以下突出地实质性特点和显著地效果：

本发明与现有技术比较，系统构成较为简单，通过采用矩形激光光幕、光敏管阵列、多片现场可编程门阵列FPGA高速密集并行数字信号采集，具有对高速运动目标的速度、坐标和外形尺寸进行测试的功能。

附图说明

图1为本发明的高速运动目标参数测试装置的构成示意图。

图2为本发明中启动靶和停止靶组成示意图。

图3为本发明的矩形激光光幕形成示意图。

图4为基于现场可编程门阵列FPGA的数据采集与总控框图。

图5为采集FPGA的采集流程图。

图6为总控FPGA工作时序状态机转移图。

具体实施方式

以下结合附图介绍本发明详细技术方案：

本发明高速运动目标参数测试系统的构成

如图1所示，本发明高速运动目标参数测试系统，它包括启动靶101与停止靶102、数据采集模块、总控模块及数据传输处理模块构成；所述的启动靶和停止靶分别由矩形激光光幕发射单元、光敏管阵列及放大整形单元构成，形成虚设的薄光幕靶面，沿高速目标103飞行方向，先通过的为启动靶，后通过的为停止靶，两靶面相互平行布置，固定间距为S；即理论靶距为S；其中：所述的数据采集模块包含多片现场可编程门阵列FPGA并内建先入先出缓冲存储器FIFO构成，为描述方便，用来实现数据采集的FPGA后面文中统称为采集FPGA，先入先出缓冲存储器FIFO简称为FIFO；总控模块由一片现场可编程门阵列FPGA及存储器FLASH构成，为描述方便，用来实现总控的FPGA后面文中统称为总控FPGA；所述的数据传输处理模块包含USB数据接口与上位计算机；启动靶与停止靶的数据通过数据采集模块和总控模块采集并存储，并由USB数据接口传输给上位计算机，上位计算机数据处理并将破片的速度、着靶坐标和外形尺寸解算出来。其中：

1、启动靶与停止靶

如图2所示，启动靶与停止靶构成，由X、Y两方向的矩形激光光幕发射单元、光敏管阵列及放大整形单元构成，形成一个虚设的薄光幕靶面，当高速运动目标飞行穿过激光光幕的区域时，X轴和Y轴光敏管阵列中对应部分的光敏管所接收到的光通量由强变弱，经光电转换、放大整形，形成反转电平，利用采集FPGA和总控FPGA进行并行数据采集存储，获得该时刻运动目标横截面X、Y方向上的投影尺寸及坐标位置，根据启动靶和停止靶上目标的坐标关系，确定运动目标相对于靶面的飞行角度，继而用来修订实际的飞行靶距，获得更高的测速精确度。而且，在总控FPGA的控制下，在高速目标飞行穿过薄激光光幕的区域过程中，对各时刻X、Y方向光敏管阵列所有电平状态进行高速并行采样存储，相当于对目标的各个截面尺寸进行扫描采样，通过数据处理即可恢复出目标的外形尺寸。

本发明高速运动目标参数测试系统中，为了得到高的坐标及目标尺寸精度，每个光敏管尺寸都很小，并行采集的通道数非常多，因此，数据采集模块需要多片FPGA并内建先入先出缓冲存储器FIFO进行并行采集，在总控模块FPGA控制下，将各采样时刻的数据先存储在本地的FLASH存储器内，待测试结束后再传输到上位计算机进行数据处理，将破片的速度、着靶坐标和外形尺寸解算出来。

2、激光光幕

如图3所示，本发明所述的激光光幕为矩形激光光幕，由激光器301和菲涅尔透镜302形成，把一个线光源激光器放在菲涅尔透镜的焦点处，激光器输出的扇形激光经过菲涅尔透镜后形成矩形激光光幕。

3、数据采集模块和总控存储模块

3.1系统硬件实施方案：

本发明高速运动目标参数测试系统对光敏管阵列输出状态的采集与控制采用基于现场可编程门阵列FPGA的实施方案，其硬件连接如图4所示：

假设启动靶和停止靶的X和Y方向上光敏管阵列分别由100个光敏管构成，则共有400路信号输出，假设需要4个采集FPGA（每个采集100路信号），分别对应启动靶的X1、Y1光敏管阵列输出和停止靶的X2、Y2光敏管阵列输出，另有一块FPGA用作总控，即总控FPGA。当高速运动目标参数测试系统工作时，要求四个采集FPGA同时采集数据，即具有统一的时基，为此，当一旦有目标飞行穿越光幕时，启动光幕的X1光敏管阵列送给总控FPGA一个触发信号，然后总控FPGA通过状态state同时触发四块采集FPGA按一定采样速率记录所有光敏管输出状态，各采集FPGA在其每组非0数据前加计数标志位存入其内建的异步FIFO中，采集完成后，把每一帧数据前加入帧标志和帧计数组成一帧数据，再将数据拆分成8bit位宽，依次传输每个采集FPGA中的数据到总控FPGA内部集成的先入先出存储器FIFO中缓存，然后通过总控FPGA编码并控制存储器FLASH页编程操作写入存储器FLASH中完成数据的写操作。需要读出存储器FLASH中存储的数据时，通过总控FPGA控制存储器FLASH读数取出数据缓存于输出FIFO中，最后上位计算机控制USB数据接口读数接口产生的的读使能和读时钟信号将内部存储器FIFO中的数据依次传输到上位计算机。上位计算机处理数据是依据帧标志和帧计数还原每个采集板一帧数据，每块采集板都有一个独立的帧标志，数据按照计数标志位的数据将同一时刻的采集板数据拼接。

3.2采集FPGA与总控FPGA的程序流程

3.2.1、采集FPGA的程序流程

如图5所示，采集FPGA的工作流程。由于总控模块中存储系统写入速度的限制，为了避免数据的溢出，采集的数据需要先缓存到采集FPGA的内部存储器RAM中。对于大规模（如400路）并行数据信号进行同步采集，选用内建存储器FIFO高速地缓存采集数据。数字信号首先在采样时刻加入计数位被存放到采集FPGA的内建存储器FIFO中，采集完成后将采集FPGA存储器中的数据传给总控模块。

3.2.2、总控FPGA的工作时序

如图6所示，状态机转移图。总控FPGA是基于有限状态机（FSM）设计的，分4个工作状态：

（1）待触发状态，采集FPGA对所有采集数据的端口监测是否有非零数据输入，等待采集数据；

（2）采集状态，当有数据输入时，启动靶产生一个触发信号给总控FPGA，总控FPGA同时将该触发信号转发给各采集FPGA进入采集状态，并同时开始计数，把非0信号存入各自的内部存储器FIFO中；

（3）转存状态，当内部存储器FIFO写满数据后向总控FPGA发出指令，总控FPGA再输出选通信号，把数据依次写入总控模块的存储器FLASH中；

(4)读数状态，等待上位计算机指令，通过USB数据接口读取存储器FLASH数据，数据读取完成后，跳转到待触发状态等待下一次采集。

总控模块涉及存储器FLASH读写，为了避免数据丢失，在总控FPGA内部存储器RAM块生成两个深度为4K、宽度为8bit的内部存储器FIFO，一个用于写数据缓存，一个用于读数据缓存。缓存部分大于2K字节时产生半满标志。存储器FLASH时序控制在收到半满标志信号开始记录数据，启动记录命令优先级最高，一旦开始就锁定，不受其他命令干扰，直到系统断电或者缓存在内部存储器FIFO数据读完才停止。为了实现快速的采集存储，不选择上电存储器FLASH全部擦除的模式，因为这种方式在一上电会耗费将近4秒的时间，而是采取边擦除边写数据的方式，擦除一块，等写满这一块后再擦除下一块。

本发明高速运动目标参数测试方法

本发明高速运动目标参数测试方法采用上述测试系统,高速运动目标参数的获得是将存储的数据经通信接口传输至上位计算机，经数据处理后可获得高速目标的坐标、速度、外形尺寸等参数。

4.1坐标的获得

当高速目标飞行穿过激光光幕区域时，光敏管阵列的状态被高速采集。对于每一采集时刻，根据被遮挡的光敏管的位置，即可给出一个坐标位置，将高速目标飞行穿过启动靶过程中各时刻获得的坐标进行平均，作为目标穿越启动靶时的坐标值（X₁,Y₁）；同理，可获得其穿过停止靶时的坐标值（X₂,Y₂）。

4.2速度的计算

由于系统在采集存储每一帧数据的同时，其对应的各个时刻对于触发计时零点的计数也同时被存储，对应每一帧数据中的计数位。提取目标飞行穿过启动靶和停止靶的第一帧数据的计数位C1、C2，（当然也可以提取其他特征时刻），根据采样率可计算出目标飞行穿过两光幕间的时间T=（C2-C1）/采样率；假设两平行光幕间垂直距离，即理论靶距为S,则根据目标经过两个光幕的坐标（X₁,Y₁）、(X₂,Y₂),可获得修正后目标在两光幕间的实际飞行距离为：

S^{'} = \sqrt{{(X_{2} - X_{1})}^{2} + {(Y_{2} - Y_{1})}^{2} + S^{2}}

目标的飞行速度为：v=S′/T。

4.3高速目标外形尺寸的获得

当高速目标飞行穿过激光光幕过程中，在任一采集时刻，被遮挡的光敏管多少即反映了目标截面在该方向上尺寸的投影，因此，可以根据各采集时刻所采集存储的光敏管阵列的输出状态，判别目标遮挡光敏管的多少，确定在该时刻X方向和Y方向目标截面的外形尺寸投影，譬如，若目标经过光幕遮挡光敏管的数目为N，每个光敏管尺寸为a，则该方向上的尺寸投影即为aN。在目标飞行穿过激光光幕过程中，经过高速采集，可获得目标各个截面的两维投影尺寸；根据目标飞行速度和采样间隔时间，可确定每个采样间隔内目标沿飞行方向的纵向尺寸，将各个时刻的采集数据，联合目标飞行速度和采样间隔时间，即可重构目标的外形尺寸。

Claims

1.一种高速运动目标参数测试系统，其特征在于：包括启动靶与停止靶、数据采集模块、总控模块及数据传输处理模块构成；所述的启动靶和停止靶分别由矩形激光光幕发射单元、光敏管阵列及放大整形单元构成，形成虚设的薄光幕靶面，沿高速目标飞行方向，先通过的为启动靶，后通过的为停止靶，两靶面相互平行布置，固定间距为S；其中：

所述的数据采集模块由内建先入先出缓冲存储器FIFO的若干片现场可编程门阵列FPGA构成；总控模块由一片现场可编程门阵列FPGA及存储器FLASH构成；所述的数据传输处理模块包含USB数据接口与上位计算机；启动靶与停止靶的数据通过数据采集模块和总控模块采集并存储，并由USB数据接口传输给上位计算机，上位计算机数据处理并将破片的速度、着靶坐标和外形尺寸解算出来。

2.根据权利要求1所述的高速运动目标参数测试系统，其特征在于：所述的启动靶与停止靶，由X、Y两方向的矩形激光光幕发射单元、光敏管阵列及放大整形单元构成，形成一个虚设的薄光幕靶面，当高速运动目标飞行穿过激光光幕的区域时，X轴和Y轴光敏管阵列中对应部分的光敏管所接收到的光通量由强变弱，经光电转换、放大整形，形成反转电平，利用采集FPGA和总控FPGA进行并行数据采集存储，能够获得该时刻运动目标横截面X、Y方向上的投影尺寸及坐标位置，根据启动靶和停止靶上目标的坐标关系，确定运动目标相对于靶面的飞行角度，继而用来修订实际的飞行靶距，获得更高的测速精确度；而且，在总控FPGA的控制下，在高速目标飞行穿过薄激光光幕的区域过程中，对各时刻X、Y方向光敏管阵列所有电平状态进行高速并行采样存储，相当于对目标的各个截面尺寸进行扫描采样，通过数据处理即能够恢复出目标的外形尺寸。

3.根据权利要求1所述的高速运动目标参数测试系统，其特征在于：所述的激光光幕为矩形激光光幕，由激光器与菲涅尔透镜形成，把一个线光源激光器放在菲涅尔透镜的焦点处，激光器输出的扇形激光经过菲涅尔透镜后形成矩形激光光幕。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种高速运动目标参数测试系统的测试方法，其特征在于：高速运动目标参数的获得是将存储的数据经通信接口传输至上位计算机，经数据处理后能够获得高速目标的坐标、速度、外形尺寸参数；其中：

4.1坐标的获得

4.2速度的计算

由于系统在采集存储每一帧数据的同时，其对应的各个时刻对于触发计时零点的计数也同时被存储，对应每一帧数据中的计数位；提取目标飞行穿过启动靶和停止靶的第一帧数据的计数位C1、C2，根据采样率能够计算出目标飞行穿过两光幕间的时间T=（C2-C1）/采样率；假设两平行光幕间垂直距离，即理论靶距为S,则根据目标经过两个光幕的坐标（X_1,Y₁）、(X_2,Y₂),能够获得修正后目标在两光幕间的实际飞行距离为：

S^{'} = \sqrt{{(X_{2} - X_{1})}^{2} + {(Y_{2} - Y_{1})}^{2} + S^{2}}

目标的飞行速度为：v=S′/T；

4.3高速目标外形尺寸的获得

当高速目标飞行穿过激光光幕过程中，在任一采集时刻，被遮挡的光敏管多少即反映了目标截面在该方向上尺寸的投影，因此，可以根据各采集时刻所采集存储的光敏管阵列的输出状态，判别目标遮挡光敏管的多少，确定在该时刻X方向和Y方向目标截面的外形尺寸投影，譬如：若目标经过光幕遮挡光敏管的数目为N，每个光敏管尺寸为a，则该方向上的尺寸投影即为aN；在目标飞行穿过激光光幕过程中，经过高速采集，能够获得目标各个截面的两维投影尺寸；根据目标飞行速度和采样间隔时间，能够确定每个采样间隔内目标沿飞行方向的纵向尺寸，将各个时刻的采集数据，联合目标飞行速度和采样间隔时间，即得到重构目标的外形尺寸。