基于FPGA的高速運動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目標速度的測量原理雖然簡單，但想要滿足所有的理想測量條件卻非常困難，如果要進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)目標運動方向與光束嚴格垂直；
(3)光源發出的光束無限細；
(4)計數器不存在計數誤差；
(5)被測目標的長度測量準確。
但在實際情況中，上述條件都無法完全滿足，正是這些微小的改變造成了最終測量結果與實際速度的誤差。所以精度的分析需要從這幾個方面的誤差源頭入手?？梢詫⑸鲜龅?1)、(3)、(4)歸為時間上的誤差，而將(2)、(5)歸為長度上的誤差。
4．1 配套外圍器件的影響
一般高速光電器件產生信號的延遲時間為3～5μs，但由于采用單束光獲取信號，使得在一次測量過程中的開始和結束兩次信號傳輸都經過相同的路徑，外圍器件的延時可以絕大部分抵消；但還是會存在由于器件精度引起的兩次延時的微量不同，取1／10最大延遲時間得出△t1=O．5μs。
4．2 目標運動方向偏差的影響
在目標運動速度與光束的方向垂直時，可近似取目標長度L，計算運動目標速度，但當目標并沒有嚴格垂直于光束而有θ的偏轉時，L是與目標運動方向相關的量，L'=LCOSθ。假設目標在出口處最大偏差角為1°，則可計算出長度誤差△L1=L－L'=L(1-COSθ)=1．523×10-4L，若取長度L=O．1 m計算，則△L1=1．523×10-5m。
4．3 光點直徑的影響
由于光束不是無限細，所以無法確定目標擋住多少光束時光敏器件會產生信號，假設光束直徑(d)為1 mm，目標速度(v)為1 000 m／s時，最大時間誤差△t2=d／v=1μs。
4．4 計數誤差的影響
該設計中采用40 MHz的晶振，定時步長為25 ns，由于無法確定計數開始時的時鐘狀態，所以在計數的開始和結束時均可能產生最大一個時鐘周期的計數誤差，最大誤差為△t3=25×2=50 ns。
4．5 目標測量精度的影響
被測目標的長度L在測量過程中，由于測量工具的限制，得到的被測目標長度值也不可避免地會存在誤差，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。通過分析，目標運動距離測量總誤差為：

通過以上計算，系統的總體誤差為0．157％，達到較高的精度。

5 結 語
本文在充分調查了當前針對高速運動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目標的速度。避免了使用雙光幕平均速度測量法時由于兩路信號時延不同和兩光幕不平行而產生的誤差；同時減少一個光幕的使用，降低了系統成本。采用高時鐘頻率的FPGA作為主要實現芯片，在進一步減小系統誤差的同時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。