基于FPGA的高速運動(dòng)目標單光幕測速系統設計

4 測量精度分析
采用單光源測量運動(dòng)目標速度的測量原理雖然簡(jiǎn)單，但想要滿(mǎn)足所有的理想測量條件卻非常困難，如果要進(jìn)行詳細的精度分析則更為復雜。在圖1所示的原理中，理想測量的前提條件是：
(1)配套外圍器件工作速度足夠穩定；
(2)目標運動(dòng)方向與光束嚴格垂直；
(3)光源發(fā)出的光束無(wú)限細；
(4)計數器不存在計數誤差；
(5)被測目標的長(cháng)度測量準確。
但在實(shí)際情況中，上述條件都無(wú)法完全滿(mǎn)足，正是這些微小的改變造成了最終測量結果與實(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?1)、(3)、(4)歸為時(shí)間上的誤差，而將(2)、(5)歸為長(cháng)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)生信號的延遲時(shí)間為3～5μs，但由于采用單束光獲取信號，使得在一次測量過(guò)程中的開(kāi)始和結束兩次信號傳輸都經(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 目標運動(dòng)方向偏差的影響
在目標運動(dòng)速度與光束的方向垂直時(shí)，可近似取目標長(cháng)度L，計算運動(dòng)目標速度，但當目標并沒(méi)有嚴格垂直于光束而有θ的偏轉時(shí)，L是與目標運動(dòng)方向相關(guān)的量，L'=LCOSθ。假設目標在出口處最大偏差角為1°，則可計算出長(cháng)度誤差△L1=L－L'=L(1-COSθ)=1．523×10-4L，若取長(cháng)度L=O．1 m計算，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，所以無(wú)法確定目標擋住多少光束時(shí)光敏器件會(huì )產(chǎn)生信號，假設光束直徑(d)為1 mm，目標速度(v)為1 000 m／s時(shí)，最大時(shí)間誤差△t2=d／v=1μs。
4．4 計數誤差的影響
該設計中采用40 MHz的晶振，定時(shí)步長(cháng)為25 ns，由于無(wú)法確定計數開(kāi)始時(shí)的時(shí)鐘狀態(tài)，所以在計數的開(kāi)始和結束時(shí)均可能產(chǎn)生最大一個(gè)時(shí)鐘周期的計數誤差，最大誤差為△t3=25×2=50 ns。
4．5 目標測量精度的影響
被測目標的長(cháng)度L在測量過(guò)程中，由于測量工具的限制，得到的被測目標長(cháng)度值也不可避免地會(huì )存在誤差，假設用高精度的游標卡尺測量，測量精度可以達到0．01 mm，△L2=0．01 mm。通過(guò)分析，目標運動(dòng)距離測量總誤差為：

通過(guò)以上計算，系統的總體誤差為0．157％，達到較高的精度。

5 結 語(yǔ)
本文在充分調查了當前針對高速運動(dòng)目標的速度測量方法的基礎上，提出利用單光幕平均速度測量法測量高速運動(dòng)目標的速度。避免了使用雙光幕平均速度測量法時(shí)由于兩路信號時(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，降低了系統成本。采用高時(shí)鐘頻率的FPGA作為主要實(shí)現芯片，在進(jìn)一步減小系統誤差的同時(shí)保證了系統的工作速度和穩定性，是一套較為理想的速度測量方案。