高速運(yùn)動(dòng)物體的物理狀態(tài)檢測(cè)分析一直以來(lái)都是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容，特別是對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)物體瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度的檢測(cè)。這是瞬態(tài)過(guò)程及效應(yīng)物理研究中的一個(gè)有待發(fā)展的領(lǐng)域，可能會(huì)導(dǎo)致極端條件下的新物理效應(yīng)，在高速碰撞等方面有著直接的應(yīng)用背景，也給檢測(cè)和控制技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)。

1 測(cè)量方法

對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體，常用的速度測(cè)量方法按測(cè)量原理可分成三類，即瞬時(shí)速度測(cè)量法、平均速度測(cè)量法和多普勒原理測(cè)量法。瞬時(shí)速度測(cè)量法采用彈道擺或微波傾角法，可以換算出物體的瞬時(shí)飛行速度，但測(cè)試誤差較大，目前很難達(dá)到高的精度。多普勒測(cè)速法是利用波傳播中多普勒效應(yīng)進(jìn)行測(cè)速的方法，也是一種比較有效的測(cè)量速度方法。平均速度測(cè)量法是在測(cè)量目標(biāo)前進(jìn)方向放置兩道光幕；通過(guò)測(cè)量?jī)晒饽恢g的距離S和測(cè)量目標(biāo)通過(guò)兩光幕之間的時(shí)間t；然后利用平均速度公式v=S／t計(jì)算測(cè)量目標(biāo)的速度，如圖1所示。

但在使用雙光幕的平均速度測(cè)量法中，由于每個(gè)光幕及其后處理電路在工作中的處理速度和延時(shí)不可能完全一致，這樣就會(huì)造成難以避免的誤差。在要求高精度的測(cè)量中，這些誤差會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生附加的負(fù)面的影響。另外，兩個(gè)光幕射出的光要求嚴(yán)格平行，否則測(cè)量結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生誤差，而嚴(yán)格平行在現(xiàn)實(shí)測(cè)量中也很難做到?；诖耍@里提出一種單光幕的速度測(cè)量系統(tǒng)。在避免兩路信號(hào)通過(guò)光幕及其后的電路時(shí)由于處理時(shí)間不一致而在產(chǎn)生誤差的同時(shí)，也避免了因兩束光線不平行產(chǎn)生的誤差。

2 測(cè)量系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)采用單光頭測(cè)量，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。將光源置于發(fā)射器出口處的上方，并在其下方固定光敏器件，使光敏器件可以準(zhǔn)確接收到光源所發(fā)出的光束。測(cè)量開(kāi)始后，當(dāng)目標(biāo)前端擋住光源發(fā)出的光時(shí)，光敏器件因接收不到光而輸出低電壓信號(hào)；當(dāng)目標(biāo)通過(guò)后，光敏器件重新接收到光源所發(fā)出的光后，輸出變回高電壓信號(hào)。被測(cè)目標(biāo)的長(zhǎng)度L可以事先通過(guò)矩陣鍵盤輸入到測(cè)速度系統(tǒng)，根據(jù)電信號(hào)的變化觸發(fā)和停止計(jì)數(shù)單元，可以記錄到目標(biāo)通過(guò)光源下方的時(shí)間t，在假設(shè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向與光束垂直時(shí)，可近似取L計(jì)算目標(biāo)在這段時(shí)間內(nèi)的平均速度v=L／t。此時(shí)，目標(biāo)不受運(yùn)動(dòng)方向上力的作用，所以速度變化微小，此速度可看作目標(biāo)的出口速度。

從以上過(guò)程可以看出，在保證整套系統(tǒng)具有高精度的同時(shí)，對(duì)光電轉(zhuǎn)換器件性能的依賴大大降低。同時(shí)因?yàn)閮陕沸盘?hào)均經(jīng)過(guò)同一套處理電路，所以信號(hào)在路徑上的延時(shí)幾乎完全一致，提高了測(cè)量精度。因此，此方法具有測(cè)試精度高，靈敏度調(diào)節(jié)靈活，成本低等特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)模型

為了在數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算時(shí)仍能達(dá)到更高的精度和更快的處理速度，考慮采用時(shí)鐘頻率較高的FPGA芯片實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)。這樣做的好處是可以采用先進(jìn)的Top-Down設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)原型人手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在功能級(jí)進(jìn)行仿真、糾錯(cuò)，并用硬件描述語(yǔ)言對(duì)高層次的系統(tǒng)行為進(jìn)行描述，然后用綜合工具將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為具體門電路網(wǎng)表后，將整個(gè)系統(tǒng)下載到FPGA芯片中執(zhí)行。由于設(shè)計(jì)的主要仿真和調(diào)試過(guò)程是在高層次上完成的，這不僅有利于早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤，避免設(shè)計(jì)工作的浪費(fèi)，而且也減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設(shè)計(jì)的一次成功率。所以FPGA芯片在理論上更加適合作為此方案的硬件載體。此系統(tǒng)在FPGA中的數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

根據(jù)上述的數(shù)據(jù)處理過(guò)程可以建立系統(tǒng)的頂層功能模塊框圖如圖4所示。主流FPGA的規(guī)模和內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全可以滿足框圖要求，可見(jiàn)在FPGA中實(shí)現(xiàn)此速度測(cè)量系統(tǒng)完全具有可行性。

4 測(cè)量精度分析

采用單光源測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度的測(cè)量原理雖然簡(jiǎn)單，但想要滿足所有的理想測(cè)量條件卻非常困難，如果要進(jìn)行詳細(xì)的精度分析則更為復(fù)雜。在圖1所示的原理中，理想測(cè)量的前提條件是：

（1）配套外圍器件工作速度足夠穩(wěn)定；

（2）目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向與光束嚴(yán)格垂直；

（3）光源發(fā)出的光束無(wú)限細(xì)；

（4）計(jì)數(shù)器不存在計(jì)數(shù)誤差；

（5）被測(cè)目標(biāo)的長(zhǎng)度測(cè)量準(zhǔn)確。

但在實(shí)際情況中，上述條件都無(wú)法完全滿足，正是這些微小的改變?cè)斐闪俗罱K測(cè)量結(jié)果與實(shí)際速度的誤差。所以精度的分析需要從這幾個(gè)方面的誤差源頭入手?？梢詫⑸鲜龅模?）、（3）、（4）歸為時(shí)間上的誤差，而將（2）、（5）歸為長(zhǎng)度上的誤差。

4．1 配套外圍器件的影響

一般高速光電器件產(chǎn)生信號(hào)的延遲時(shí)間為3～5μs，但由于采用單束光獲取信號(hào)，使得在一次測(cè)量過(guò)程中的開(kāi)始和結(jié)束兩次信號(hào)傳輸都經(jīng)過(guò)相同的路徑，外圍器件的延時(shí)可以絕大部分抵消；但還是會(huì)存在由于器件精度引起的兩次延時(shí)的微量不同，取1／10最大延遲時(shí)間得出△t1=O．5μs。

4．2 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向偏差的影響

在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度與光束的方向垂直時(shí)，可近似取目標(biāo)長(zhǎng)度L，計(jì)算運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度，但當(dāng)目標(biāo)并沒(méi)有嚴(yán)格垂直于光束而有θ的偏轉(zhuǎn)時(shí)，L是與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向相關(guān)的量，L‘=LCOSθ。假設(shè)目標(biāo)在出口處最大偏差角為1°，則可計(jì)算出長(zhǎng)度誤差△L1=L－L’=L（1-COSθ）=1．523×10-4L，若取長(zhǎng)度L=O．1 m計(jì)算，則△L1=1．523×10-5m。

4．3 光點(diǎn)直徑的影響

由于光束不是無(wú)限細(xì)，所以無(wú)法確定目標(biāo)擋住多少光束時(shí)光敏器件會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，假設(shè)光束直徑（d）為1 mm，目標(biāo)速度（v）為1 000 m／s時(shí)，最大時(shí)間誤差△t2=d／v=1μs。

4．4 計(jì)數(shù)誤差的影響

該設(shè)計(jì)中采用40 MHz的晶振，定時(shí)步長(zhǎng)為25 ns，由于無(wú)法確定計(jì)數(shù)開(kāi)始時(shí)的時(shí)鐘狀態(tài)，所以在計(jì)數(shù)的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)均可能產(chǎn)生最大一個(gè)時(shí)鐘周期的計(jì)數(shù)誤差，最大誤差為△t3=25×2=50 ns。

4．5 目標(biāo)測(cè)量精度的影響

被測(cè)目標(biāo)的長(zhǎng)度L在測(cè)量過(guò)程中，由于測(cè)量工具的限制，得到的被測(cè)目標(biāo)長(zhǎng)度值也不可避免地會(huì)存在誤差，假設(shè)用高精度的游標(biāo)卡尺測(cè)量，測(cè)量精度可以達(dá)到0．01 mm，△L2=0．01 mm。通過(guò)分析，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)距離測(cè)量總誤差為：

通過(guò)以上計(jì)算，系統(tǒng)的總體誤差為0．157％，達(dá)到較高的精度。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在充分調(diào)查了當(dāng)前針對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，提出利用單光幕平均速度測(cè)量法測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度。避免了使用雙光幕平均速度測(cè)量法時(shí)由于兩路信號(hào)時(shí)延不同和兩光幕不平行而產(chǎn)生的誤差；同時(shí)減少一個(gè)光幕的使用，降低了系統(tǒng)成本。采用高時(shí)鐘頻率的FPGA作為主要實(shí)現(xiàn)芯片，在進(jìn)一步減小系統(tǒng)誤差的同時(shí)保證了系統(tǒng)的工作速度和穩(wěn)定性，是一套較為理想的速度測(cè)量方案。