基于超声波的弹丸坐标测量装置设计

摘要

立靶密集度是评价武器精度性能的重要指标之一。基于被动声定位原理，研究了一种基于超声波传感器的弹丸坐标测量装置，并围绕该装置测量误差的产生机理进行了理论分析与实验研究。
　　通过N理论波形与实测波形的对比分析，确定了可以采用激波波形的上升沿中的某点作为激波到达时刻的特征点。通过仿真分析分别比较了三种阵列在10m*10m测试靶面内的定位精度，确定了各自的适用范围，为根据不同需求选择对应的阵型提供了依据。
　　根据激波信号产生及传递的过程分析了影响声学立靶坐标测量精度的误差来源。根据激波的传播特性，以12.7mm枪弹为例，研究了激波速度传递的衰减规律，仿真分析了视速度衰减所造成的定位误差;分析了采用阈值法提取特征点产生误差，同时试验测试了信号调理电路的同步性能，并分析了各通道相位差对定位精度的影响;分析了传感器转接件的加工及安装误差对定位精度的影响;分析激波与传感器距离远近对传感器接收信号的影响。
　　设计了弹丸坐标测量实验装置。基于NU40C10T/R-1型压电式超声波传感器，采用前端两级三极管以及运算放大电路实现了对超声波传感器的输出信号进行了放大，基于LM339设计了整形电路及触发电路。基于Cyclone I-EP1C3T144C8N的FPGA设计了时差计算模块，实现了时延计算功能。引入了FIFO模块实现了快存慢发的功能，实现了连发测试。基于MSP430F149单片机设计了控制模块。基于LabVIEW编写了上位机软件，实现了弹丸坐标测量显示及数据报表的功能。
　　通过56式冲锋枪、7.62mm弹丸在靶道内进行实弹射击实验，在靶纸有效测试范围内取得了最大误差为1.6cm的定位精度。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外发展现状

1．3 弹着点被动声定位现存的问题

1．4 本文主要工作

2 声定位原理及定位方法研究

2．1 激波信号特性分析

2．2 弹着点定位方法

2．3 点阵式传感器阵列模型仿真及适用性能分析

2．3．1 水平双L阵的适用性分析

2．3．2 水平双扇形阵的适用性分析

2．4 本章小结

3 声学立靶弹坐标测量误差影响因素分析

3．1 激波定位误差来源分析

3．2 视速度衰减对于定位精度的影响

3．3 波达时刻特征点提取方法对定位精度的影响

3．3．1 放大电路放大倍数对于测时精度的影响性分析

3．3．2 验证试验

3．3．3 放大电路频响一致性对定位精度的影响分析

3．3．4 仿真分析

3．4 传感器安装误差对于定位精度的影响性分析

3．5 激波与传感器距离远近对传感器接收信号的影响

3．6 本章小结

4 弹丸坐标测量装置设计

4．1 实验装置性能要求

4．2 系统结构与原理框图

4．3 模拟电路设计

4．3．1 传感器选型及特性分析

4．3．2 前置放大电路

4．3．3 电压放大器

4．3．4 整形电路

4．4 数字电路设计

4．4．1 FPGA芯片选型及设计

4．4．2 单片机芯片选型及设计

4．4．3 无线模块电路

4．5 系统软件设计

4．5．1 FPGA时差提取

4．5．2 时差数据整理

4．5．3 连发数据处理模块

4．5．4 单片机程序设计

4．5．5 上位机程序设计

4．6 系统功能验证

4．6．1 连发测试技术

4．6．2 系统时差提取功能检测

4．7 弹丸坐标测量装置设计中抗干扰措施

4．8 本章小结

5 弹丸坐标测量装置实弹射击实验及结果分析

5．1 实验条件

5．2 实验步骤

5．3 实验结果

5．4 本章小结

6 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况