弹丸的速度测量在武器研究中具有广泛的用途，是武器研制、校验中一个关键环节，是研究武器系统效能的关键参数[1]，所以对于弹丸速度测试方法的研究是至关重要的。随着光电传感技术的快速发展，激光测速技术越来越成熟，激光测速是在测距的原理上演变而来，具体来说就是一种利用两束激光光束形成区截装置，弹丸飞行经过两道光幕产生变化的光通量，经过信号处理得到两个脉冲信号，作为弹丸测速的计时起始端和停止端，最终完成运动物体速度的测试[2-4]，例如中北大学激光光幕靶测量破片速度[2,5]。基于这个原理经常利用几组激光测速装置进行子弹飞行速度衰减规律的研究[6-7]。但是在一般的测量当中，各组测速装置各自有一个计时模块，分别独立的完成弹速的测量，然后汇总在一起进行速度衰减规律分析。由于各个装置采用各自独立的时钟作为基准，在研究速度变化规律时会引入误差，使得结果不够准确；双光幕测速系统在实际测试过程当中，由于空中蚊虫，细小飞行物体等干扰信号会在弹丸经过前使光电探测器产生脉冲信号，使待测系统提前触发，使得测试数据出现异常[8]；另外弹丸在飞行过程中部分散布大，会造成双光幕测速系统出现漏测问题，基于这些问题，本文在双光幕测速系统基础上设计了一种基于STM32的多路区截激光测速控制系统，利用此控制系统与多个激光发射-接收一体化模块相结合进行弹丸速度的测试，这样各个速度基于同一个时钟基准，得出的速度变化规律较准确，可用于速度衰减规律的经验公式[7]；同时有效解决了激光光幕测速因环境干扰造成系统误触发数据异常的问题和因弹丸飞行散布大造成弹速漏测问题，提高了测速系统的可靠性。以外该系统采用以太网进行数据传输，可以利用PC机对控制系统进行远程通信，整个测试过程安全、快捷。
1 多路区截激光测速系统原理
双光幕激光测速原理如图1所示，双光幕激光测速装置由两组激光发射-接收模块-原向反射屏[9-10]组成，当被测子弹沿着弹道线穿过光幕时，会遮挡部分光造成光电探测器光通量变化，形成脉冲信号，一个作为计时起始端，一个作为计时终止端，经过脉冲计数得到子弹经过两道光幕的时差就可以算出子弹的速度[4]。多路区截激光测速系统是在双光幕测速装置基础上扩展为由多路(6～10路)激光发射-接收模块和原向反射屏组成，如图2所示。
图1 双光幕激光测速原理
图2 多路激光发射-接收测速原理
多路区截激光测速将多个光电探测器信号接入同一个计时电路，使用同一个时钟基准，当被测子弹沿着弹道线飞行时会经过多道光幕，这样每道光幕可以产生1个脉冲信号，正常情况下多路测速时会得到多组时间值(ti，i∈{1,2,3,4,5,6,7,8})，可测试多个位置的速度，并且可以通过计算得到子弹飞行过程中速度变化的规律。这里我们将8路时间值相邻两个为一组，共分为四组计算弹速。
Δtk=tk2-tk1
(1)
(2)
(3)
k表示第k组时间数据，k∈(1,2,3,4); tk2表示第k组较大时间值; tk1表示第k组计时较小值; Δtk表示第k组时差；sk表示k组相邻两路激光之间的距离; vk表示第k组所测速度；表示第k组到第k+1组测速位置之间子弹的加速度。在有干扰信号或者子弹偏离弹道线时，不是每路激光接收数据都正常，但是多路激光区截测速系统可以根据光电探测器接收到的多路激光信号变化来确认是否有多路连续过靶信号产生来确定数据是否有效，弥补了双路激光测速的不足，增强了系统的可靠性。
基于此测速原理，需设计总控箱来并行控制多路激光测速系统，并且通过以太网接口将数据传至PC机来进行远程控制激光器和进行数据处理。
2 控制箱控制硬件设计
总控箱是用来控制多路激光驱动电路的开关和进行脉冲计数完成计时，最后将数据通过串口-以太网将数据上传到PC机上位机进行数据的处理，所以该总控电路主要由继电器模块，串口模块，电源电路，时钟芯片，存储器，看门狗电路、信号调理电路等模块组成。多路激光器总控系统总体组成框图如图3所示。
图3 总控系统总体组成框图
本次设计采用的核心处理器为STM32F103，主要接口电路如图4所示，微处理器外围电路介绍如下。
图4 单片机主要接口电路
1) 计时、存储模块
FM31256-G集成了处理器外围系统最常用的一些功能，其主要功能特性包括非易失性存储器，实时时钟(RTC)低压复位，看门狗定时器，非易失性事件计数器，可锁定的64位串行数据区，该模块用来计数脉冲，当其中两路激光器正常工作时，计数模块得到第一路激光器接收部分信号后开始计数，在第二路激光器接收部分接收到信号后停止计数，利用脉冲计数得到飞行经过两路激光光束之间的时间差。
2) 继电器组模块
脉冲激光在极短时间内集中较大的能量，瞬间功率较大，可出现短时间内大幅度超过正常电压的现象，而AGN20012杰出的抗浪涌能力可用于该继电器组设计中，且版图占用面积较小，可以增加多个继电器来形成多路激光器开关，双横杆触点的使用确保了高接触可靠性。另外采用由8个NPN达林顿晶体管组成的ULN2803，常用于低逻辑电平数字电路和较高的电流/电压要求之间的接口，对于脉冲激光开关至关重要。本次设计了6个继电器分别用来控制6个激光发射模块，当单片机接收到指令时，继电器关闭，激光开始工作。
3) 电源供电模块
总控箱内部供电需要12 V，5 V，3.3 V，其中5 V和3.3 V都可以采用内部电压转换电路由12 V电源转换而来，而12 V则采用锂电池和UPS来提供，UPS模块选取的型号为XK07P60UPS12L，它是12 V、5 A直流不间断充放电式UPS，交流电正常工作时，电源直流输出DC12 V、5 A给激光测速系统供电，同时电源另一路输出DC13.8 V、0.8 A或12.6 V、0.8 A给蓄电池充电，采取智能充电控制的方法，12 V蓄电池充满电后自动停止充电，无需人工操作。当AC220V断电时，UPS模块自动将蓄电池电压切换到输出端给激光测速系统供电，转换过程实现全自动控制，无需人工干预，简单快捷，减少人力，其中转换时间小于10ms，这期间可以确保激光测速系统正常工作，不会出现重新启动或掉线等情况发生。单次充满后，可工作10小时以上。当AC220重新来电后，UPS模块会自动有限将蓄电池工作转换为AC220供电模式。
4) 信号调理模块
光电探测器接收到原向发射屏的反射光的变化比较小，产生的光电流一般也比较小，所以用信号调理模块对电压进行放大处理。较小的光电流经放大电路转换为电压信号并放大，然后经过比较电路得到较好的电压幅值信号。
5) 串口-以太网通信模块
利用串口-以太网通信将存在存储器中的时间数据进行传送，可以将数据经网线上传至上位机后进行数据的读取、处理与显示，反过来也可以由操作人员经上位机发送指令给总控箱微处理器进行操控激光器发射-接收模块达到远程控制和远距离数据传输。
3 控制箱软件设计
多路激光发射-接收测速系统控制箱的主程序运行在处理器STM32F103R6T6上，主程序流程如图5所示。本部分程序主要包括计时，数据存储于串口发送接收功能，首先完成硬件的初始化配置，有系统初始化，继电器，时钟初始化，串口初始化，指示灯初始化等一系列配置，开始时继电器处于断开状态，激光器不工作，微处理器等待远程PC机发送指令经以太网-串口来控制总控箱中继电器开关，当上位机配置好TCP发送继电器关闭指令后，继电器正常工作，激光开始工作，计时模块处理待触发状态，当有子弹飞行经过后会产生计时操作，除了第一路为计时起始端，最后一路为计时终止端外，其余各路既为计时开启端，又为计时终止端。当子弹经过第一路的时候，其余各路均为终止端，子弹飞行经过整个系统后会得到多个时间值；当子弹未经过第一路而经过后面的任意三路以上激光光幕时候，其中第一路几位计时起始端，后面几路就为计时终止端，这样得到部分时间值，最后对应的基于同一时钟基准的各路时间数据会存储在存储器中待处理，后期根据时间数据确定是否有多路连续过靶信号产生决定数据是否有效，这样设置计时规则可以有效减少因时钟基准不一致独立测速引入误差的问题，可以提高测速的准确性，使数据更精确；同时可有效解决双光幕测速因子弹散布大造成漏测问题和因“假弹丸”信号造成数据异常问题。最后将数据通过串口发送至以太网接口经网线传至PC机，利用上位机对数据进行处理并进行显示、读取、分析、保存，设定一段时间后，再次进行速度测试待触发，可对弹速再次测量。
图5 激光测速主程序流程
4 实验
将总控箱与六路激光发射-接收装置装配好，实验中每两路组成1组，共3组。在试验靶道场地用滑膛弹道枪射击直径4.8 mm钢珠，枪口距3组激光分别为6.8 m、7.8 m和8.8 m，如图6所示，然后进行速度测试。3组激光测速结果如表1所示。
图6 试验现场
表1 测速结果(m·s-1)
弹序1#2#3#11 279.71 247.81 219.521 252.21 236.71 206.931 261.31 241.11 206.941 265.81 243.31 213.251 243.31 223.81 190.5
经测试，该总控系统可以正常工作，测试数据稳定可靠满足要求，可远程进行操作，方便安全。
激光测速和其他方法相比效率高，精度高，但根据误差传递理论，可知测速误差由侧室和测距两部分误差组成。首先对于测时误差主要来源于系统中的晶振频率和数据处理时计时时刻选取不一致带入误差，对于本系统中采用频率为8 MHz的晶振，测时总误差Δt=125 ns。测距误差主要来源于一下3个方面：
1) 弹道不垂直于光幕(如图7所示)引起靶距误差Δs1；
2) 两光幕不平行(如图8所示)引起靶距误差Δs2；
3) 靶距测量引起误差Δs3；
图7 弹道不垂直光幕
图8 两光幕不平行
下面根据几何结构进行定量分析测距误差：
s为200 mm，α=2°，则Δs1=0.12 mm；
光幕高度为1.5 m，该误差一般可以限制在0.1 mm以内，这里按0.1 mm分析；
Δs3=0.1 mm
靶距采用激光测距机测量，会有0.1 mm的示值误差；
上面几种误差通常不会同时出现最大值，采用均方和形式表达综合测距误差较为合理，即
这里弹速设定为1 000 m/s，飞行时间t=0.7 ms，将以上参数带入误差公式，有
可知测试速度的相对误差为1‰。
5 结论
本文在两路脉冲激光测速的基础上，设计了一套利用多路区截激光并行进行子弹飞行速度测量的控制系统，在实际测试过程中上位机可以利用总控箱同时对多路激光器发射-接收模块进行远程操作，多路激光器全部可以正常工作，上位机也可以得到串口传输的数据并进行数据处理。
基于本文设计的多路区截激光测速控制系统的设计可以有效解决较小因计时时钟基准不一致造成的误差，分析结构更可靠；同时避免了因子弹散布大导致的漏测和外界环境中干扰信号造成的数据异常造成测试失败。
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