一种高射频连发测速系统设计

2024-05-23

一种高射频连发测速系统设计(共4篇)

篇1:一种高射频连发测速系统设计

一种高射频连发测速系统设计

基于数据采集仪给出一种连发测速系统,该系统用数据采集仪记录输出的高射频连发弹丸模拟信号,进而用软件的方法对其进行分析和处理,有效消除干扰信号.该方法具有抗干扰能力强,测量精确的特点.

作 者:刘学军  作者单位:西安武警工程学院通信工程系,710086 刊 名:中国科技博览 英文刊名:CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY REVIEW 年,卷(期): “”(16) 分类号:N945.23 关键词:弹丸速度   天寿靶   连发铡速  

篇2:基于激光光幕的连发弹丸测速系统

关键词:激光测速,VC++,弹丸速度,射频

弹丸飞行速度是判断武器毁伤效果的一个重要物理量, 也是枪炮、火药生产研制单位的一个重要技术指标.传统的测试方法主要可分为接触法和非接触法, 接触法包括网靶法、钢板靶法等, 非接触法包括线圈靶、天幕靶、光幕靶、声靶等测试方法.接触法往往会影响弹道特性, 并且不能用于连发测试场合.由于接触法测试场合的局限性, 目前非接触法的应用越来越广泛.相对而言, 光幕靶由于其低价格、高测试精度、高可靠性的特点, 除了能够进行测速以外, 延长采集时间, 可以对连发弹丸的射频进行测试, 逐步成为靶场测试系统中一个重要的组成部分[1].

1 激光光幕测速原理

激光光幕测速系统构成如图1所示, 该系统由四光幕构成, 为了测试弹丸在4个光幕的中心位置D的速度, 测试时弹丸依次经过P1, P2, P3, P4平面, 每经过一个平面, 弹丸阻挡部分光线, 光电探测器将变化的信号送入采集卡中.系统以P1P4和P2P3构成两对区截区域[2].精确地测得P1P4和P2P3光幕的间距△x1、△x2以及弹丸过2个光幕波形的时间差△t1、△t2即可求得弹丸在光幕区间的平均速度.

v¯=12 (x1t1+x2t2) (1)

过靶波形特征点的选择中, 以P1, P2两通道为例.2个通道过靶信号各选择一个特征点, 确保这2个特征点在过靶信号中所处的位置一样, 如图2所示, 则

t=t2-t1 (2)

2 激光光幕测速系统设计

光幕构成如图3所示, 线激光器发出光线经过玻璃微珠原向反射屏反射, 汇聚到光电探测器上[3], 光电探测器的输出信号经过放大电路处理, 输入采集卡中, 采集卡采用UDAQ20612高速数字采集卡, 通过程序调用采集卡的驱动和动态链接库, 通过软件设置采集频率与触发电平, 选择适当的算法计算连发弹丸的速度和射频等参数.

2.1 测试软件设计

测试软件基于VC++开发环境, 主要由控制部分, 显示部分, 算法处理部分构成[4], 其中控制部分可以设置采集频率与触发电平.采集频率的确定与弹丸的速度与长度有关, 采集前应预先估计弹丸大致的速度与弹长之比, 选择适当的采集频率.触发电平的设置取决于弹丸过靶信号的信噪比和弹丸过靶信号幅度的极值.显示部分将采集到的数据以图形方式表现.

2.2 波形处理算法

依据弹丸外形的特征, 弹丸的前端穿越光幕形成脉冲信号, 对于同一弹丸, 其穿越2个光幕时的波形特性应该基本相同, 以弹丸波形前沿为研究对象, 采用插值型求导公式逐点求波形曲线斜率.

设已知f (x) 在节点xk (k=0, 1, …, n) 处的函数值为f (x0) , f (x1) , f (x2) , …f (xn) , 运用插值原理, 可以作n次插值多项式P (x) 作为f (x) 的近似, 由于多项式的求导比较容易, 取P′ (x) 的值作为f′ (x) 的近似值, 这样建立的数值公式

P′ (x) ≈f′ (x) (3)

按照采样频率采集所得数据, 点与点间距是一定的, 给出6个节点xk:x0, x1=x0+k, x2=x0+2k, x3=x0+3k, x4=x0+4k处的函数值为f (x0) , f (x1) , f (x2) , f (x3) , f (x4) 作4次插值多项式

Ρ4 (x) = (x-x1) (x-x2) (x-x3) (x-x4) (x0-x1) (x0-x2) (x0-x3) (x0-x4) f (x0) + (x-x0) (x-x2) (x-x3) (x-x4) (x1-x0) (x1-x2) (x1-x3) (x1-x4) f (x1) + (x-x0) (x-x1) (x-x3) (x-x4) (x2-x0) (x2-x1) (x2-x3) (x2-x4) f (x2) + (x-x0) (x-x1) (x-x2) (x-x4) (x3-x0) (x3-x1) (x3-x2) (x3-x4) f (x3) + (x-x0) (x-x1) (x-x2) (x-x3) (x4-x0) (x4-x1) (x4-x2) (x4-x3) f (x4) (4)

x=x0+tk, 式 (4) 就可以表示为

两端关于t求导, 有

分别取t=0~4得出5点求导公式

D0=112k[-25f (x0) +48f (x1) -36f (x2) +16f (x3) -3f (x4) ] (7) D1=112k[-3f (x0) -10f (x1) +18f (x2) -6f (x3) +f (x4) ] (8) D2=112k[f (x0) -8f (x1) +8f (x2) -f (x4) ] (9) D3=112k[-f (x0) -6f (x1) +18f (x2) +10f (x3) +3f (x4) ] (10) D4=112k[3f (x0) -16f (x1) +36f (x2) -48f (x3) +25f (x4) ] (11)

其中, Dn为一阶导数f′ (xn) 的近似值.再求Dn为二阶导数f″ (xn) 的近似值, 5点公式如下

D0=112k2[35f (x0) +104f (x1) +114f (x2) -56f (x3) +11f (x4) ] (12) D1=112k2[11f (x0) -20f (x1) +6f (x2) +4f (x3) -f (x4) ] (13) D2=112k2[-f (x0) +16f (x1) -30f (x2) +16f (x3) -f (x4) ] (14) D3=112k2[-f (x0) +4f (x1) +6f (x2) -20f (x3) +11f (x4) ] (15) D4=112k2[11f (x0) -56f (x1) +114f (x2) -104f (x3) +35f (x4) ] (16)

用5点公式求节点的导数确定弹丸过靶波形的特征点能够得到满意的效果.五相邻节点的选法, 是在所求导数的该节点两侧各取2个邻近的节点.在采集数据的开头和结尾, 一侧的节点数不足2个, 则用另外一侧的节点补足[4], 一旦确定第一发弹丸的特征点, 以此特征点为基准, 继续寻找后续几发弹丸的特征点.各个通道各发弹丸特征点确定后, 根据弹丸过靶顺序, 利用式 (1) 分别计算各发弹丸的过靶速度.

对于n发弹丸, 射频主要由第n发弹丸特征点所对应的时间与第一发弹丸特征点对应时间之差决定, 对四通道采集系统射频由下式确定

f¯f=ss=1, 24j=2, 3n (tsn-ts1) (n-1) (17)

其中, tsn表示第s通道第n发弹丸特征点所对应的时间.

测试过程中由于地面振动引起光幕的抖动, 由此引起的振动噪声信号幅度有可能淹没弹丸过靶信号.如图5所示, 此时, 振动信号幅值太大, 变化比较剧烈, 而弹丸过靶信号类似脉冲结构, 因此在处理此种含有振动信号的弹丸过靶波形过程中, 可以利用2种信号宽度不同采用信号匹配法来确定弹丸过靶波形.具体方法是通过分析第一发弹丸过靶波形的脉冲宽度, 以该宽度为基准 (第一发弹丸过靶波形受振动信号影响较小) , 顺序向后寻找与该脉冲宽度匹配的脉冲信号[6].找到匹配脉冲信号后即可对特征点进行判别.脉冲匹配法在振动信号较大而弹丸信号较小时容易引起误差, 因此实弹测试时应采取必要的减振措施.

3 试验结果及结论

系统经过实弹射击后, 弹丸以5发一组, 分别射击, 测试结果表明, 弹丸的速度变化幅度不超过3%, 射频不超过4%.在采取减振措施后, 弹丸过靶波形受振动信号的影响较小, 没有发生弹丸误判情况.

随着光电子技术和制造技术的纵深发展, 如何实现“测时”这一关键环节的快捷化、智能化、自动化、实时化成为测试工作解决的主要问题.当前, 信息光电子技术蓬勃发展, 半导体激光器应用日益广泛, 激光测速系统也步入了一个崭新的发展时期.基于激光光幕的连发测速系统除了对连发弹丸过靶速度和射频进行测试外, 同样可以应用于单发弹丸过靶速度的测试.在靶场测试设备中有广阔的应用前景.

参考文献

[1]蔡荣立.一种抗光干扰光幕靶的设计与改进[J].光学技术, 2006 (9) .

[2]王斌, 赵冬娥.带光电直流补偿的激光测速靶系统设计[J].弹箭与制导学报, 2009 (5) .

[3]喻俊志, 王高, 赵冬娥.激光测速靶结构优化的光路分析[J].测试技术学报, 2001, 15 (1) :1-5.

[4]Bruce Eckel, Chuck Allison.C++编程思想[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[5]杨锋.数值分析[M].北京:科学出版社, 2000.

篇3:一种高射频连发测速系统设计

关键词:准谐振;冗余;反激;开关电源

随着社会对能源效率和环保问题的关注度日益提高,人们对开关电源的效率期望越来越高,而减少开关损耗是提高效率的重要途径之一。采用准谐振技术控制开关管,使其在开关管两端电压最小时开通,可以很大程度地减少开关损耗,相比传统的反激式开关电源,最多可以提高5%以上效率;同时开通过程中因开关管承受的电压较低,产生的dv/dt也小,于是产生较小的 EMI,有效的解决电磁干扰等问题。

另一方面,开关电源现已广泛应用于铁路的通信网络等系统中。电源除了要连续运行外,还要经受高低温、高湿、冲击等考验。这就要求电源设备必须有很高的可靠性。采用冗余结构是一种有效提高电源可靠性的方法。本论文通过采用准谐振控制芯片和两路冗余热备份结构,设计出一种高可靠性的准谐振反激式开关电源。

2 两路冗余均流电路工作原理和并联电路设计

(1)两路冗余均流电路工作原理

如图6所示,两路冗余电路中准谐振反激式开关电源与普通的反激式式开关电源相比,通过在反馈环路中加入比例环节的方式,使输出电压具有下垂特性,即输出电压随输出电流的增大而降低。如图7所示。只要保证两点:一是两支路输出电压的曲线与Y轴交点相等,即两支路的空载输出电压相等,二是两支路的输出电压下降斜率相等,则可以确保当两路冗余工作时,均分负载,达到均流的效果。具体的参数需要在试验中结合电源对输出电压的要求,不断调试来确定。

(2)两路并联电路设计

两路并联设计需要注意的是除了控制部分需要有均流电路以外,主电路的输出端最好还要串联一个二极管或者大电感,以防止输出电压较大的模块把输出电压较小的模块当成了一个负载。在传统的冗余方案中,每个支路的输出使用一个冗余二极管,二极管在导通时,它本身存在很大的正向电压,在正常工作时它产生的功率损耗相当大。基于此,本设计用一只MOSFET晶体管和一个集成电路芯片来取代二极管,控制芯片产生驱动MOSFET晶体管栅极的信号。如图6所示,两路电源输出后经MOSFET晶体管(Q3、Q4)并联后合并成一组输出。当其中一路电源故障时,控制芯片检测到MOSFET晶体管的反向压差,而停止驱动该路的MOSFET晶体管,使得该路电源与系统断开,由冗余电源继续供电,从而保证整个系统的正常工作。

3 结果验证

根据以上理论分析,设计完成了一种电源,该种电源的技术参数: 输入电压:66 ~ 154 VDC;输出电压:5.0 ± 0.5 VDC,输出电流:3 A (单路),输出功率:15 W(单路)。主开关管选用FDP20N50,次级整流管选用SUP90N04,输出并联管选用SUP90N04,变压器原边匝数为55匝,原边电感为458 μH,副边匝数6匝。

(1)单路准谐振模式和效率测试

图8、9为测试输入电压为110 V,满载、半载的工况下的主开关管的Vds、Vgs、VRESNE(原边电流检测电阻上的电压)波形图。可以看出电源工作在准谐振模式,主开关管均是在Vds振荡的谷底开通。当负载不同时,通过调整开关频率来实现准谐振模式,满载时,主开关管在Vds振荡的第一个谷底开通;而在半载时,主开关管在Vds振荡的第二个谷底开通。

图10为Vin=110 V,单路电源在不同负载条件下的效率曲线图,从图可以看出,单路电源的效率在加载后迅速增大,最大效率发生在满载时,达86.1%。

(2)两路冗余均流测试

因实验条件限制,无法用电流探头测试两路冗余时单路电源的输出电流波形。需首先分别测试了单路电源的输出电压特性,然后通过对输出电压特性的分析来判断两路冗余时,两支路电源的均流效果。

由图11可以近似得出对应不同输出电压下,两支路的输出电流曲线如图12所示。从图11可以看出,两支路的空载电压并不完全一致,输出电压特性也并不是一条斜率不变的直线。考虑到模拟器件本身存在的误差,不可能精准控制两路输出电压的特性完全一致,轻载时误差影响较大,重载时误差影响很小。从图11上也可以看出在轻载时,两支路的输出电压特性曲线有一些偏差;重载时输出电压特性曲线基本重合。

由图12可知,两路冗余输出在轻载条件下,两支路的输出电流均流效果较差,随着负载加大,在达到输出电流为3 A(对应支路输出电流均为1.5 A)后,两支路的均流效果很好。

4 结束语

通过对该电源的测试表明,采用准谐振技术,降低了开关损耗,单路电源在输入电压为110 V,满载(15 W)输出条件下,效率达86.1%。同时设计的并联均流电路实现了输出电压的下降特性,获得了较好的均流效果,提高了电源的可靠性。

参考文献

[1] 夏一正. 多模式准谐振反激式开关电源控制器设计[D].浙江大学工学硕士学位论文,2007,5-8.

[2] UCC28600 datasheet[Z].Texas Instrument,2006,5-15.

作者简介

王富光(1983-),男。湖南桃江,工程师。

陈修林(1977-),男。四川,工程师。

张顺彪(1963-),男。江西,教授级高级工程师。

篇4:一种高射频连发测速系统设计

随着我国经济的持续发展,全国高速公路建设呈现出迅速发展的趋势,同时机动车保有量也急剧上升。一方面,由于高速公路的迅猛发展,高速公路网络纵横交错,在联网收费形成大趋势的前提下,将面临二义性路径的车辆通行费收取和拆分问题;另一方面,机动车保有量的急剧上升,虽然道路交通设施及管理设施有了较大改观,但交通事故仍然频发[1]。本文主要针对高速公路上的车辆速度监控、高速公路联网收费和高速公路交通信息发布等问题,为了减少交通事故的发生,更好地监测高速公路上的车辆超速问题,探索智能公路在我国高速公路的发展,提出了利用射频技术,真实地、实时地记录车辆的各种信息,初步实现高速公路与车辆的无缝链接。

2 高速公路智能交通系统的方案设计

本文所研究的高速公路智能交通系统中,与原有的高速公路收费系统配套使用,不用大规模地改造原有的收费系统和设备,只需要将原来的高速公路收费系统中使用的IC卡换成本系统中使用的通行卡,在高速公路沿线增设通行卡的阅读器,就可以较低的前期投入和营运、管理成本,实现高速公路智能交通系统的各种功能[2]。

该系统通过网络和射频技术实现,其中与射频系统相关的包括:通行卡、阅读器、数据处理中心、数据库、通行卡写入设备和通行卡读出设备。

当车辆进入高速公路时,收费站的工作人将通行卡的ID号与车辆信息进行绑定,绑定成功后,将通行卡发放给驾驶员。

车辆携带着通行卡在高速公路上行驶,通行卡与沿途的阅读器交换数据,阅读器记录下通行卡的I D等信息。数据处理中心根据阅读器记录的信息计算车辆行驶的速度、路径以及车流量等信息。

当车辆准备驶离高速公路时,驾驶员将通行卡交还给收费站工作人员。工作人员将通行卡在通行卡读出设备上刷卡,读出的数据转发给收费系统。系统对收到的数据进行处理,显示并保存,数据处理完成后,取消该车辆与通行卡的绑定,并命令通行卡进入休眠状态。工作人员按计算机处理显示的结果,收费后放行车辆。如图1为高速公路智能交通系统的基本示意图。

3 射频识别技术的组成及工作原理

RFID系统可以只由电子标签和读写器组成,也可以结合许多其他组件,例如计算机、网络、无线设备和软件系统。所有这些组件和电子标签以及读写器共同工作,组成了完整的解决方案[3]。典型RFID系统如图2所示。

系统的基本工作流程是:应用系统通过通信控制模块控制发射天线发射一定频率的射频信号,当标签进入发射天线的工作区域时,被激活。标签将自身编码等信息通过内置发送天线发送出去;系统接收天线接受到标签发送的信号,经过天线调节器传送到阅读器,阅读器对接收到的信号进行解调和解码,然后送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该标签的合法性,针对不同的设定做出相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构动作。

本文中射频收发芯片选择使用n RF24E1,是NOR-DIC公司推出的一款带2.4GHz无线收发器n RF2401和增强型8051内核的无线收发芯片。n RF24E1适用于各种无线设备的短距离互连应用场合,工作于ISM频段。

通行片主要分为射频接口、控制系统和供电单元3部分,如图3所示。阅读器主要分为射频接口、控制系统、数据接口和供电单元4部分,如图4所示。

阅读器的射频接口由nRF24E1及其外围电路、功率放大电路、滤波电路和天线组成。如图3工作于2.4GHz,用于完成与通行卡的无线数据通信。控制系统采用AT89C51作为MCU,主要用于配置nRF24E1的寄存器,处理接收到的数据;数据接口单元主要功能是完成阅读器与上位机的数据交换。与阅读器相同,通行卡(如图4)的射频接口和控制系统同样分别采用nRF2401完成无线通信,MCU完成对n R F 2 4 0 1寄存器的配置。

4 分组排队算法分析

在射频识别技术中,防碰撞技术是信号识别与处理的关键技术之一[4]。在本文中,在读写器作用范围内,可能会有多辆车同时通过,并同时对读写器发送数据,从而产生冲突。目前,常见的多标签的防碰撞算法主要分为A L O H A算法体系和树形分解算法体系。这些算法中,只有读写器处理完当前被激活的全部标签后,新到达的标签才能参与识别[5]。在射频测速中,测速的对象是在高速移动中的,所以这就会产生较大的漏检率。

为了最大可能的减小射频测速的漏检率以及减小标签检测的时间,对现有算法进行改进,称为分组排队算法。算法分组机制如图5所示。虚线是读写器的可读范围,每张通行片都有一个时间分组计数器。读写器每隔一定的时间就向车辆发送时间分组命令,在这段时间内到达的车辆都被视为同时到达,具有相同的时间分组值。初次收到分组命令分组值都加1。可见,分组值越大的车辆越先到达读写器的检测范围,离开检测范围也越早。车辆的分组值体现了它被读取的紧迫性,所以读写器是从分组值最大的车辆组开始识别的。

分组排队算法流程如下:

(1)设通行片的时间分组数为T。初次收到读写器的时间分组命令时,T初始化为0以后,每收到一次时间分组命令,T的值加1;

(2)设读写器的时间命令参数为R,它的初始值为其范围内最大的通行片时间分组数;

(3)读写器发送命令,只有T=R的通行片返回应答;

(4)有唯一通行片应答时,该通行片被正常识别;

(5)有两个以上通行片应答的时候,发生碰撞。对碰撞通行片用时隙A L O H A和二进制相结合来进行分解。

碰撞分解原理如6所示。碰撞通行片在[0,N-1]范围内随即选取一个参数,作为第1层分组的编号,读写器发送含“0”的命令,选择0的通行片应答。如果发生碰撞通行片就随机产生0或1,选0的通行片应答,如果再碰撞则继续分解,直到选N的通行片应答完为止;

(6)在同R的通行片识别过程中,统将放弃该时间组的识别。R减1;

(7)无通行片应答或识别完成时,

(8)当通行片离开读写器范围后,如果所用时隙数超过最大时隙参数L时,系R减1,返回第(3)步,直到R<0为止;T的记录清空。

5 系统测试

5.1 射频模块通信距离测试

本文选择的射频模块为n RF24E1模块,要满足本文系统中阅读器与通行卡的通信要求,必须要求该模块拥有足够远的通信距离。为了满足现场测试的要求,对高速公路各种不同路段复杂的现场进行了模拟,高速公路的路段不同,现场的环境会有所不同,对射频通信造成的影响也有所不同。高速公路沿途的环境大致可以分为野外开阔地带、隧道、城市和山地等,因此我们分别在歌乐山野外、林地、铁路沿线、隧道,表1为测试结果。

5.2 测速算法的对比试验

由于分组排队算法主要是从目前比较先进的前缀随机化算法改进而来,所以我们将这两种算法进行仿真对比[6]。

算法仿真条件:

(1)阅读器与通行卡之间的通信不受其他因素影响;

(2)车辆(通行卡)的行驶速度用车辆的平均到达率作为衡量参数,即单位时隙内通过的车辆数;

(3)没有与阅读器连接就驶离阅读而且的通信范围就被认为漏检;

(4)单位时隙到达的车辆数的集合服从方差为0.2的正态分布,通过率和漏检率会随着均值矢量的变化而变化;

(5)规定30个时隙为一个时间分组。

算法性能由通过率和漏检率这两个参数来进行评估,它们的表达式分别为

仿真结果如图7。

从图7可以看出,当车辆到达率<0.25时,2种算法的通过率都等于到达率,漏检率为0;当到达率>0.25之后,前缀随机化算法的漏检了开始逐渐上升,通过率开始低于到达率;当到达率>0.45以后,分组排队算法也开始出现漏检,但当到达率>0.8以后,两种算法的通过率开始恒定,但分组排队算法的通过率仍然比前缀随机化算法的通过率要高。

而且在本速度测量系统中,实际情况的通行卡到达率完全在0.45以内。产生该结果的原因是,识别每个时间分组的过程中,读写器都设定了一个可耗费总时隙数的上限,一旦超过设定值系统放弃识别该分组(如算法过程第(6)步所示)。该技巧在车辆到达率较高时能够有效改善系统性能。

总体而言,从通过率和漏检率2个仿真图中分别得到:当车辆到达率为0.45时,系统的通过率改善最明显,比前缀随机化算法提高了13%左右;当保持漏检率小于0.01时,系统所能承受的车辆运动速度比前缀随机化算法提高了50%。

6 结束语

本文利用高速公路的封闭的特殊条件,探索智能交通在高速公路上的发展应用,提出利用进入高速公路发放通行片(无线射频片),高速公路沿途的远距离阅读器对通行片进行监测采集各种交通数据,从而初步实现路与车的无缝链接;实现对车辆的速度监控,减少交通事故的发生;实现对交通流量和流向的监测,缓和交通堵塞;实现不停车自动收费。对在上述智能交通技术在高速公路上的应用进行了初步的探索,初步实现了智能交通的最终目标——智能公路,基本能够达到路与车的无缝信息交流。但必须看到,与真正的智能公路相比,设计的本系统还存在比较多的不足,需要在进一步的研究中予以完善。

参考文献

[1]安福东.机动车的几种测速方式原理及性能的分析比较[J].警察技术,2003,(3):333-5.

[2]安颖华.交通检测技术及其发展[J].公路,2000,62(9):31-34.

[3]赵军辉.射频识别技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2008,(5):2-22.

[4]陈香,张思东,薛小平.RFID防碰撞技术的研究[J].金卡工程,2005,(9):34-37.

[5]李宜章,戴学丰,刘树东.RFID二进制搜索算法的改进及其防碰撞实现[J].齐齐哈尔大学学报,2009,(1):26-29.

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