本發(fā)明涉及非接觸精密測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種基于X射線的單光幕多位置點(diǎn)測(cè)速裝置和測(cè)速方法。

背景技術(shù)：

炮口初速是表征常規(guī)兵器、彈藥及彈道特性的重要指標(biāo)參數(shù)之一。在射擊武器和彈藥產(chǎn)品的科研、生產(chǎn)及產(chǎn)品試驗(yàn)過程中，初速參數(shù)的檢測(cè)都是必不可少的。

高速運(yùn)動(dòng)物體速度的測(cè)量，一般可以分為三種：平均速度測(cè)量法、瞬時(shí)速度測(cè)量法以及多普勒原理測(cè)速法。目前最常用的就是平均速度測(cè)量法，平均速度測(cè)量法在前進(jìn)方向上設(shè)置兩道光幕，通過測(cè)量光幕之間的距離以及通過光幕的時(shí)間來計(jì)算出速度。

彈丸飛出炮口后，經(jīng)過后效區(qū)作用測(cè)得的炮口初速V₀并非彈丸脫離炮口瞬間的實(shí)際飛行速度，而是在假設(shè)彈丸脫離炮口后僅受空氣阻力和重力作用條件下，由后效區(qū)外彈道段上實(shí)際飛行速度外推至炮口的速度，由于彈丸在離開炮口后燃?xì)饬髟诤笮^(qū)對(duì)彈丸仍有一定加速作用，所以外推出的初速并不準(zhǔn)確。因此，在高電磁干擾、強(qiáng)火焰條件下測(cè)出炮口的實(shí)際初速度至關(guān)重要。

在雙光幕的速度測(cè)量中，無法實(shí)現(xiàn)不同光幕之間嚴(yán)格平行，而且光幕的反應(yīng)速度以及后續(xù)處理電路的速度也不可能完全的一致，這對(duì)速度很高經(jīng)過光幕脈寬很小的飛行彈丸而言，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的測(cè)量誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于X射線的單光幕多位置點(diǎn)測(cè)速裝置和測(cè)速方法，利于軟X射線的良好穿透性去透過炮口的等離子流和煙焰實(shí)現(xiàn)對(duì)彈丸的探測(cè)，并在一個(gè)X射線單光幕中平行等間距點(diǎn)上設(shè)置多個(gè)高速X射線接收器，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈丸速度的精確測(cè)量。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：一種基于X射線的單光幕多位置點(diǎn)測(cè)速裝置，包括X射線發(fā)射器、限輻罩、鉛板、X射線高速接收器、電流轉(zhuǎn)電壓電路、多級(jí)放大電路、FPGA抗干擾處理模塊、DSP數(shù)據(jù)處理模塊和直流電源供電模塊；

所述X射線發(fā)射器用于發(fā)射X射線；

所述限輻罩設(shè)置在X射線發(fā)射器的鏡頭前端，用于將X射線限定在設(shè)定的輻射角內(nèi)；

所述鉛板設(shè)置在限輻罩的前端，中間設(shè)置有圓形通孔，用于對(duì)已限輻的X射線再一次限制輻射角；

所述X射線高速接收器并排且等間距設(shè)置在X射線發(fā)射器的光幕中，多個(gè)X射線高速接收器的連線與彈丸的飛行軌跡平行；X射線高速接收器用于測(cè)量入射的X射線的強(qiáng)度，并將強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電流；

所述電流轉(zhuǎn)電壓電路用于將X射線高速接收器得到的電流轉(zhuǎn)換為電壓；

所述多級(jí)放大電路用于將電壓信號(hào)進(jìn)行放大；

所述FPGA抗干擾處理模塊用于對(duì)放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理，即判定接收到波長(zhǎng)的脈寬是否處于預(yù)定速度對(duì)應(yīng)的脈寬值范圍內(nèi)，將不在范圍內(nèi)的脈寬剔除；

所述DSP數(shù)據(jù)處理模塊用于將FPGA抗干擾處理模塊得到的脈寬值轉(zhuǎn)換為時(shí)間值，根據(jù)彈長(zhǎng)和時(shí)間值得到多個(gè)傳感器的速度值，根據(jù)設(shè)定的速度范圍剔除差值較大的數(shù)據(jù)，將速度進(jìn)行求平均處理，得到炮口初速度；

所述直流電源供電模塊為電流轉(zhuǎn)電壓電路和多級(jí)放大電路供電。

一種基于X射線的單光幕多位置點(diǎn)測(cè)速方法，包括以下步驟：

步驟1，打開X射線發(fā)射器，利用X射線發(fā)射器前端限輻罩與鉛板形成有一定輻射角度的X射線的單光幕輻射區(qū)域；

步驟2，在單光幕輻射區(qū)域中的多位置點(diǎn)上并排且等間距放置X射線高速接收器，對(duì)X射線進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；

步驟3，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大；

步驟4，F(xiàn)PGA對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理，即判定接收到波長(zhǎng)的脈寬是否處于預(yù)定速度對(duì)應(yīng)的脈寬值范圍內(nèi)，將不在范圍內(nèi)的脈寬剔除；

步驟5，DSP數(shù)據(jù)處理模塊將FPGA抗干擾處理模塊得到的脈寬值轉(zhuǎn)換為時(shí)間值，根據(jù)彈長(zhǎng)和時(shí)間值得到多個(gè)傳感器的速度值，根據(jù)設(shè)定的速度范圍剔除差值較大的數(shù)據(jù)，將速度進(jìn)行求平均處理，得到炮口初速度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明使用帶圓孔鉛板限制X射線發(fā)射器的輻射角度，得到單光幕的X射線區(qū)域，通過在單光幕區(qū)域放置多個(gè)X射線高速接收器，來實(shí)現(xiàn)類似于多光幕的測(cè)試計(jì)量，單光幕多位置點(diǎn)接收器的設(shè)置，使得單光幕的效率達(dá)到最高，又避免多光幕的接收器延遲弊端以及相對(duì)位置的不平行；(2)X射線能夠穿透炮口焰與等離子體流，照射到彈丸上，彈丸經(jīng)過時(shí)遮擋X射線高速接收器，影響其對(duì)X射線的接收量，捕捉這個(gè)過靶信號(hào)電流的變化就可以建立與速度的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)在炮口對(duì)彈丸實(shí)際初速的精確測(cè)量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明單光幕多位置點(diǎn)測(cè)速裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是單光幕中多個(gè)傳感器數(shù)量及位置的計(jì)算示意圖。

圖3是傳感器連接時(shí)采用的電路設(shè)計(jì)圖。

圖4是圖1中A區(qū)域直流電源供電模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種基于X射線的單光幕多位置點(diǎn)測(cè)速裝置，包括X射線發(fā)射器100、限輻罩101、鉛板102、X射線高速接收器120、電流轉(zhuǎn)電壓電路130、多級(jí)放大電路、FPGA抗干擾處理模塊160、DSP數(shù)據(jù)處理模塊170和直流電源供電模塊190；

所述X射線發(fā)射器100用于發(fā)射X射線；

所述限輻罩101設(shè)置在X射線發(fā)射器100的鏡頭前端，用于將X射線限定在設(shè)定的輻射角內(nèi)；

所述鉛板102設(shè)置在限輻罩101的前端，中間設(shè)置有圓形通孔，用于對(duì)已限輻的X射線再一次限制輻射角；

所述X射線高速接收器120并排且等間距設(shè)置在X射線發(fā)射器100的光幕中，多個(gè)X射線高速接收器120的連線與彈丸的飛行軌跡平行；X射線高速接收器120用于測(cè)量入射的X射線的強(qiáng)度，并將強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電流；

所述電流轉(zhuǎn)電壓電路130用于將X射線高速接收器120得到的電流轉(zhuǎn)換為電壓；

所述多級(jí)放大電路用于將電壓信號(hào)進(jìn)行放大；

所述FPGA抗干擾處理模塊160用于對(duì)放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理，即判定接收到波長(zhǎng)的脈寬是否處于預(yù)定速度對(duì)應(yīng)的脈寬值范圍內(nèi)，將不在范圍內(nèi)的脈寬剔除；

所述DSP數(shù)據(jù)處理模塊170用于將FPGA抗干擾處理模塊160得到的脈寬值轉(zhuǎn)換為時(shí)間值，根據(jù)彈長(zhǎng)和時(shí)間值得到多個(gè)傳感器的速度值，根據(jù)設(shè)定的速度范圍剔除差值較大的數(shù)據(jù)，將速度進(jìn)行求平均處理，得到炮口初速度；

所述直流電源供電模塊190為電流轉(zhuǎn)電壓電路130和多級(jí)放大電路供電。

進(jìn)一步的，所述X射線發(fā)射器100發(fā)射的X射線為軟X射線。

進(jìn)一步的，所述X射線高速接收器120的數(shù)量為三個(gè)以上。

進(jìn)一步的，所述多級(jí)放大電路包括一級(jí)放大電路140和二級(jí)放大電路150，所述一級(jí)放大電路和二級(jí)放大電路均采用THS芯片，保證獲得大電壓增益的同時(shí)整個(gè)電路有比較大的傳輸帶寬。

進(jìn)一步的，所述DSP數(shù)據(jù)處理模塊具有FLASH模塊，用于在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步的，所述X射線高速接收器120的供電電路中，并聯(lián)設(shè)置電解電容和104電容，用于濾出外界干擾；兩個(gè)電容的一端同時(shí)與X射線高速接收器120和直流電源供電模塊190連接，另一端接地。

進(jìn)一步的，所述直流電源供電模塊190包括變壓器、整流橋和穩(wěn)壓芯片，所述變壓器將市電電壓轉(zhuǎn)換為所需電壓值，所述整流橋?qū)D(zhuǎn)換后的電壓進(jìn)行整流處理，所述穩(wěn)壓芯片用于平穩(wěn)電壓，輸出直流電壓。

進(jìn)一步的，X射線高速接收器120的響應(yīng)時(shí)間為ps級(jí)別。

一種基于X射線的單光幕多位置點(diǎn)測(cè)速方法，包括以下步驟：

步驟1，打開X射線發(fā)射器100，利用X射線發(fā)射器100前端限輻罩101與鉛板形成有一定輻射角度的X射線的單光幕輻射區(qū)域；

步驟2，在單光幕輻射區(qū)域中的多位置點(diǎn)上并排且等間距放置X射線高速接收器120，對(duì)X射線進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；

步驟3，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大；

步驟4，F(xiàn)PGA對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理，即判定接收到波長(zhǎng)的脈寬是否處于預(yù)定速度對(duì)應(yīng)的脈寬值范圍內(nèi)，將不在范圍內(nèi)的脈寬剔除；

步驟5，DSP數(shù)據(jù)處理模塊170將FPGA抗干擾處理模塊160得到的脈寬值轉(zhuǎn)換為時(shí)間值，根據(jù)彈長(zhǎng)和時(shí)間值得到多個(gè)傳感器的速度值，根據(jù)設(shè)定的速度范圍剔除差值較大的數(shù)據(jù)，將速度進(jìn)行求平均處理，得到炮口初速度。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

實(shí)施例

參見圖1，本實(shí)施例的基于X射線的單光幕多位置點(diǎn)測(cè)速裝置，主要包括X射線發(fā)射器100、限輻罩101、鉛板102、X射線高速接收器120、電流轉(zhuǎn)電壓電路130、一級(jí)放大電路140、二級(jí)放大電路150、FPGA抗干擾處理模塊160、DSP數(shù)據(jù)處理模塊170、PC顯示模塊180和直流電源供電模塊190。

X射線發(fā)射器限輻罩101安裝在X射線發(fā)射器100的鏡頭前端，能夠?qū)射線限定在40度的輻射角內(nèi)。帶圓孔鉛板102放置在所述X射線發(fā)射器限輻罩101的前端，能夠?qū)σ严掭椀腦射線進(jìn)行再一次限制輻射角，調(diào)整到所需要光幕的角度。飛行彈丸110處于X射線高速接收器120與X射線發(fā)射器100之間，且彈丸初始方向與兩者之間的連線垂直。所述X射線發(fā)射器100選擇連續(xù)發(fā)射型的，并提前彈丸發(fā)射2秒以上打開，保證發(fā)射出的X射線較均勻穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生大的輻射量變化。所述X射線高速探測(cè)器120根據(jù)單光幕的寬度決定接收器的個(gè)數(shù)。多個(gè)高速X射線接收器等間距放置，分別與電流轉(zhuǎn)電壓電路130連接，在X射線高速探測(cè)器120與電流轉(zhuǎn)電壓電路130之間，需要并聯(lián)設(shè)置電解電容與104電容，不能對(duì)其直接電壓負(fù)偏置。所述電流轉(zhuǎn)電壓電路130接在X射線高速接收器120的后面，接收探測(cè)器內(nèi)部光電轉(zhuǎn)化后的微弱電流信號(hào)，并把這個(gè)變化的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號(hào)，從而便于后續(xù)電路的處理。所述一級(jí)放大電路140和二級(jí)放大電路150將微小的電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理，采用THS芯片進(jìn)行放大，芯片內(nèi)部為二次放大，因此兩級(jí)放大電路一共放大了四次。這種放大電路的設(shè)計(jì)，保證了大帶寬要求的大小，而且也能夠?qū)崿F(xiàn)大的電壓增益。所述直流電源供電模塊190將市網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓信號(hào)，并給電流轉(zhuǎn)電壓電路130、一級(jí)放大電路140、二級(jí)放大電路150供電。所述FPGA抗干擾處理160主要是通過FPGA檢測(cè)脈沖的寬度來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的判斷，在檢測(cè)前預(yù)知發(fā)射彈丸的速度范圍，根據(jù)這個(gè)速度范圍計(jì)算出彈丸經(jīng)過X射線高速接收器120所產(chǎn)生的脈沖寬度范圍，當(dāng)接收到的信號(hào)不在這個(gè)脈沖寬度范圍內(nèi)時(shí)，說明非彈丸信號(hào)可能是外界環(huán)境中某些物體在發(fā)射前恰好經(jīng)過接收器或者是電路干擾的影響，需要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行舍棄。脈沖寬度的檢測(cè)主要方式是利用硬件FPGA設(shè)備對(duì)接收到的脈沖按一定時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值與FPGA計(jì)數(shù)器時(shí)間周期的乘積就是所接收脈沖的寬度數(shù)值。設(shè)FPGA計(jì)數(shù)的時(shí)間周期為t，飛行彈丸的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，X射線單光幕在X射線接收器位置處的厚度為d，接收信號(hào)的脈沖寬度為T，F(xiàn)PGA計(jì)數(shù)設(shè)備計(jì)數(shù)值為k。根據(jù)速度范圍內(nèi)的最低值V1計(jì)算出來正常接收狀態(tài)下合理脈沖寬度的最小值T₁。

最小脈沖寬度計(jì)算的基本公式為：根據(jù)預(yù)估的最大速度計(jì)算出接收脈沖的最大寬度脈沖最大寬度與最小寬度確定后，就可以屏蔽外界的信號(hào)干擾。

所述DSP數(shù)據(jù)處理模塊能夠根據(jù)測(cè)得的脈寬時(shí)間得到彈丸在炮口的初始速度。因?yàn)樵趩喂饽恢性O(shè)置了多個(gè)X射線高速傳感器，DSP對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的多路傳感器信號(hào)做數(shù)據(jù)處理，對(duì)計(jì)算出來的多個(gè)初始速度做平均處理，從而得到更為準(zhǔn)確的炮口初始速度。單光幕多位置點(diǎn)傳感器的設(shè)置，能夠在單光幕中實(shí)現(xiàn)多光幕的測(cè)量，還能夠避免多光幕測(cè)量的弊端。所述DSP數(shù)據(jù)處理模塊還具有記憶功能，能夠在斷電時(shí)保存往次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。經(jīng)過DSP的數(shù)據(jù)處理不僅能夠得到單次實(shí)驗(yàn)彈丸的準(zhǔn)確速度，也能夠根據(jù)模塊中記憶單元的數(shù)據(jù)綜合得到往次同型號(hào)實(shí)驗(yàn)彈丸在炮口的平均速度。所述DSP數(shù)據(jù)處理模塊能夠進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的分析，從而得到該型彈丸在炮口速度數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值以及標(biāo)準(zhǔn)誤差，并給出彈丸精確地速度分布。所述PC電腦顯示模塊用于對(duì)用戶的數(shù)據(jù)顯示，把所述DSP數(shù)據(jù)處理模塊的單次分析結(jié)果與往次綜合分析結(jié)果展示給用戶。

圖2是單光幕中多個(gè)傳感器數(shù)量及位置的計(jì)算示意圖，設(shè)X射線發(fā)射器與X射線高速接收器之間的距離為S，X射線發(fā)射器的輻射角度為δ，接收器安裝位置在單光幕中的總長(zhǎng)度為N，探測(cè)器的長(zhǎng)度為C，相鄰探測(cè)器之間的距離為M，X射線高速接收器在單光幕區(qū)域中能夠安裝的最大個(gè)數(shù)J。建立三者之間的關(guān)系，由相似三角形可以得：

在測(cè)量進(jìn)行時(shí)，先調(diào)整好X射線發(fā)射機(jī)，確定輻射角度δ，X射線發(fā)射器與X射線高速接收器之間的距離S也是測(cè)試之前就定的，于是在單光幕中能夠安裝X射線高速接收器的總長(zhǎng)度為：

X射線高速接收器長(zhǎng)度方向的尺寸為C，在選型時(shí)即確定，安裝之間的間距設(shè)置為M，于是通過上述公式可以確定X射線高速接收器在單光幕區(qū)域中能夠安裝的最大個(gè)數(shù)：

圖3是X射線高速接收器120連接時(shí)采用的電路設(shè)計(jì)圖，X射線高速接收器120在連接電流轉(zhuǎn)電壓電路前，需要直流供電電源190為其提供正常工作的電壓。直流電源供電模塊190與X射線高速探測(cè)器連接時(shí)，需要加一個(gè)電解電容C11與104電容C15并聯(lián)的電路，來屏蔽外界的干擾。電解電容能夠屏蔽高頻信號(hào)的干擾，104電容能夠屏蔽低頻信號(hào)的干擾，使得直流電源信號(hào)比較穩(wěn)定。X射線高速接收器的3管腳與電源連接，1管腳接地，2管腳將接收到X射線的變化量光電轉(zhuǎn)化成電流后輸出給后續(xù)的電路。

圖4是圖1中A區(qū)域直流電源供電模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖，市民電網(wǎng)1901的電壓為220V，在使用時(shí)，需要先利用變壓器1902把220V交流電的高壓變成十幾伏特的交流電，在利用整流橋1903將交流電變?yōu)橹绷麟?。本?shí)施例中使用能提高交流電效率的單相橋式整流電路，它由四個(gè)二極管組成，把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，但是輸出的電壓仍然具有很大的波動(dòng)性。在整流橋1903后面接上一個(gè)穩(wěn)壓芯片1904，就可以實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓的穩(wěn)定，其輸出的直流電壓1905波動(dòng)性很小，滿足直流供電電源的基本要求。