目标角速度传感器及其测量方法

目标角速度传感器用来测量目标在垂直或水平方向的角速度，向计算机提供射击运动目标时，计算提前修正量所要求的信息。

（一）测量目标平均角速度的传感器

1.获取目标转角的方法

测量目标角速度时，要跟踪目标。在瞄准指标和目标中心重合的情况下，炮塔或火炮转过的角度即认为是目标转过的角度。测量目标转过的角度，可以采用光电脉冲码盘或光栅。

（1）光电脉冲码盘

光电脉冲码盘是将转动物体的转角转换成电脉冲的变换器。它通过传动机构与旋转体（火炮或炮塔）上的齿轮啮合。在盘的边缘均匀地分布着两排小孔，码盘旋转时，光源发出的红外光间断地通过小孔并被相应的光敏二极管接收，然后将信息馈送到放大和整形电路。不透光时输出低电平，透光时输出高电平，就会在输出端得到一连串脉冲，如图3-16所示。

图3-16　带有透光孔的码盘

也可以用另外的方法产生脉冲信号。如图3-17所示，在码盘上按一定间隔镀上两圈反光金属，通过反光和不反光来发出高电平和低电平信息。

图3-17　带有反光镜的码盘

火炮和炮塔转动角度越大，产生脉冲的个数越多。经过计算脉冲个数，可测得转角的大小。显然，码盘上在一周内小孔的数目越多，以及和火炮或炮塔之间的传动比越大，码盘输出一个脉冲所对应旋转体的转角也就越小，因此，角度的测量也就越精确。

（2）光栅

在圆盘上开孔一般数量较少，测角精度较低。为了提高精度，在码盘轴和旋转体之间要增加传动齿轮。采用光栅可以克服上述缺点。

利用光栅可以测量直线位移和转角位移，它们的工作原理是一样的。为说明问题方便起见，下面从用光栅测位移的原理入手。

在一块长条形的光学玻璃上，均匀地刻上许多线条，如图3-18所示，这就是所谓光栅。精密的光栅每毫米可以刻100 条线，甚至更多些。这个长条形光栅称为主光栅。另外，还要用一块比主光栅短得多的“指示光栅”。指示光栅上刻线的密度和主光栅的一样。

图3-18　主光栅和指示光栅

（a）主光栅；（b）指示光栅

如果把指示光栅放在主光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就会出现明暗相间的条纹，如图3-19所示。明暗条纹的方向与刻线方向几乎垂直。两块光栅之间倾斜的角度越小，明暗条纹也越粗。这些条纹称为莫尔条纹。

莫尔条纹的间距L 随着光栅线纹交角而改变的关系如下：

图3-19　莫尔条纹

式中，L 为莫尔条纹间距；W 为光栅栅距；θ 为两光栅线纹夹角。

从式（3-7）可以看出，θ 越小，L 越大，相当于把栅距扩大了1/θ 倍。

如果将主光栅左右移动，那么明暗条纹就会相应地上下移动，并且每当主光栅移动一个栅距时，明暗条纹也正好移过一个周期。莫尔条纹的移动方向和主光栅的移动方向也几乎是垂直的。当主光栅向相反方向移动时，莫尔条纹移动方向也相反。

这样，如果把两个光电转换元件按图3-20所示的位置安装，图中L 为一个明暗条纹的宽度，当主光栅移动时，通过光电转换电路可以得到两个如图3-21所示的电压信号。电压小的地方相当于遇到暗条纹，电压大的地方相当于遇到明条纹。这两个电压波形都可以看成是在一个直流分量上叠加了一个交流分量。U1 相当于叠加一个正弦波形，U2 相当于叠加一个余弦波形。两者在相位上相差90°。如果主光栅向右移动，U2 的波形超前U1 90°；如果光栅向左移动，U1 的波形将超前U2 90°。

图3-20　光电转换器件相对光栅的安装位置

图3-21　两个光电转换电路的电压波形

将上述两路电压波形（分别用（sin）和（cos）表示）经过斯密特电路整形后，可以得到如图3-22所示的相位相差90°的两路方波（用［sin］和［cos］表示）。对方波进行计数，将可得出与主光栅位移相应的数字量。

用光栅测角位移的原理与测直线位移的原理相同，只是光栅的结构有所区别。测角时，需要做成圆形光栅。

2.运动方向判定

单纯计算目标转过的角度，码盘上有一排孔、光栅有一组光电转换器件就够了。但是实际上，码盘上有两排孔，光栅要有两组光电转换器件，这是为了判定目标运动方向而安排的。下面以码盘为例介绍几种判定目标运动方向的方法。

（1）四状态分析法

图3-22　相位相差90°的两路方波

码盘上两排孔的位置按图3-23所示的关系加工。码盘旋转时，速度传感器向计算机提供两路有一定相位关系的方波。其相位关系随码盘旋转方向改变而改变。若分别以φ1 和φ2 代表外圈孔和内圈孔产生的信号，当码盘顺时针和逆时针旋转时，φ1 和φ2 波形的相位关系如图3-24所示。

对图3-24所示的波形进行分析，可以得出表3-3所列的4 种状态。

图3-23　码盘上两排孔的位置

图3-24　φ1 和φ2 的波形

表3-3　码盘输出的4 种状态

在计算机中，利用D 触发器和与非门组成单脉冲形成电路，如图3-25所示，可将两路方波的上升沿转变为窄脉冲，并将一个支路产生的窄脉冲与另一个支路相应的方波相与。这样，利用两路方波相互控制的作用，可以得出如下结果：当码盘顺时针旋转时，在与非门2 输出端产生一串f1 脉冲，而f2 脉冲为0；当码盘逆时针方向旋转时，在与非门4 输出端产生一串f2 脉冲，而f1 脉冲为0。也就是对码盘的一个转动方向只在一个输出端有脉冲输出。f1 和f2 波形的产生如图3-26所示。

图3-25　单脉冲形成电路

图3-26　f1 和f2 波形的产生

（2）八状态分析法

对图3-27所示的两路方波换一种方法进行分析，可以得出表3-4所列的8 种状态。

图3-27　φ1 和φ2 波形关系分析

表3-4　码盘输出的8 种状态

可以看出，当码盘逆时针方向旋转时，不断地重复①～④状态；而当码盘顺时针方向旋转时，不断地重复⑤～⑧状态。如果能设计一种逻辑电路，可以识别表3-4所列的8 种状态，达到对应①～④状态从一个输出点产生一串脉冲，而对应⑤～⑧状态从另一个输出点产生一串脉冲，同样可以反映光码盘的旋转方向。图3-28所示为这种方案的电路原理图，现说明如下：

该方向识别电路由2 输入或非门54LS02、4 输入双或非门5425 和双单稳态触发器96L02 等组成。

由图不难看出，对应φ1、φ2 输出的8 种状态，每一种状态只有一个单稳电路工作。例如，对于状态1，此时φ1=0，=1，第1 个96L02 的清0 端CD=1，说明该单稳态电路可以工作；φ2 为上升沿，它接到96L02 的4 端，即上升沿有效触发输入端，则单稳态电路被触发，并在Q 端产生一个正脉冲。进一步分析可以看出，此时其余7 个单稳态电路或因没有触发信号，或因处于清零状态，均没有脉冲输出。第1 个96L02 输出的正脉冲加到上面的4 输入或非门，并在输出端产生一个负脉冲。依次对8 种状态进行分析可以得知，对于①～④状态，上面4 个单稳态触发器分别工作；对于⑤～⑧状态，下面4 个单稳态触发器分别工作。因此，当码盘逆时针方向旋转时，上面的或非门有脉冲输出而下面的或非门没有；当码盘顺时针方向旋转时，情况正相反，即下面的或非门有脉冲输出，而上面的没有。

图3-28　旋转方向识别电路

将两种方向判定方案相比，可以看出，它们虽然都可以判别码盘旋转的方向，因此可以确定目标运动的方向，但是两者产生计数脉冲的数目不同。举例来说，如果码盘旋转一周，并且一周有1 024 个孔，前一方案将产生1 024个计数脉冲，而后一方案将产生4 096 个脉冲。可见，在其他条件相同的情况下，后一种方案可达到更高的测角精确度。

3.目标角速度计算(www.xing528.com)

计算目标平均运动速度需要两个原始数据：其一是炮手跟踪目标的时间；其二是在跟踪时间内目标绕本坦克转过的角度。

1.跟踪时间获取方法

获取跟踪时间的一般过程是，在跟踪开始时，用启动命令使时间计数器清零，并随即对一定频率的计时脉冲开始计数；当跟踪完毕时，用结束命令停止计数；然后，计算机读取存入计数器中的数。

（1）用TTL 芯片组成时间计数器

图3-29所示为由普通TTL 组件搭接的16 位时间计数器的电路图。由图可以看出，该电路由1 片双4 位二进制计数器54LS393 组成分频器，对输入的2 MHz 时钟脉冲进行128 分频；由2 片54LS393 组成16 位时间计数器；由3 片54LS367 组成输出缓冲器。

图3-29　16 位时间计数器电路图

假设8DH 为控制8D 触发器54LS377 的端口号，84H 和83H 分别为相应三态缓冲器的端口号，则计算机通过输入/输出指令对时间计数器进行控制，即可获取跟踪时间信息。

（2）利用可编程计时器8253 计时

利用2 片可编程计时器8253 组成速度传感器接口电路，如图3-30所示。2 片8253 有6 个16 位二进制计数器。其中4 个用来对速度传感器送来的光码脉冲进行计数，另外2 个作为产生和记录计时脉冲用。其中，8253-1 内端口号为80H 的计数器工作于方式 2（预置初始值N，在输出端OUT 得到N 分频脉冲，脉冲宽度为一个计数脉冲周期），用于对1.5 MHz 的输入脉冲进行分频，产生频率为200 Hz 的计时脉冲；8253-2 内端口号为84H 的计数器工作于方式5（计数器在GATE 信号升为高电平后开始计数），对200 Hz 的脉冲进行计数。光码脉冲和计时脉冲被同一门控信号GATE 控制。假定炮手按下激光测距按钮时开始跟踪目标，经过T 秒钟后，停止跟踪并松开按钮，此时GATE 信号波形如图3-31所示。在松开按钮后，计算机读出计数器84H 内的计数值，即可求出时间T。

图3-30　利用可编程计时器8253 计数

2.目标转角的获取方法

在跟踪时间内，目标转过的角度由光码盘输出的脉冲数表示。由于计算的是平均速度，因而不要求射手一直把瞄准指标对准目标中央，只需要在跟踪的始末瞄准在目标同一点上就行。由于射手在跟踪目标时，很可能有向相反方向操纵的动作，也就是光码盘在跟踪过程中会出现有时正转有时反转的现象，因此，正转与反转计数脉冲的差值才与目标转过的角度相应。这样，就要求测角电路具有同时记录正转与反转脉冲的功能。下面讨论两种实用的方法。

图3-31　GATE 信号波形

（1）利用可编程计数器8253

仍如图3-30所示，将端口号为81H、82H、85H、86H 的计数器设置成工作方式 5（83H 和87H 分别为每个芯片控制字寄存器的端口号），并令：

82H 计数器计入“正转”脉冲数（垂直）；

81H 计数器计入“反转”脉冲数（垂直）；

86H 计数器计入“正转”脉冲数（水平）；

85H 计数器计入“反转”脉冲数（水平）。

这样，在跟踪时间T 内（GATE=1），4 个计数器将分别记入垂直和水平方向码盘正转与反转的脉冲数。跟踪完毕，计算机读取各计数器内的数值，即可按一定数学模型计算出运动目标的平均角速度。

（2）利用可逆计数器54LS193

图3-32所示为由5 个54LS193 芯片组成的20 位可逆计数器。这种计数器可以直接级联，而不需要外接电路，只要将前一个计数器的借位端⑬和进位输出端⑫，分别送入下一个计数器的减计数端④和加计数端⑤即可。系统通过软件控制计数器的工作。在跟踪测速开始（按下激光按钮），控制信号EN 升为高电平时，单稳态触发器96L02 输出的负脉冲使计数器清零，同时，与门1和2 打开，计数器开始计数。计数时，光码盘正转时的输出脉冲通过与门1 加到计数器的加计数端⑤，反转时的输出脉冲通过与门2 加到减计数端④。当跟踪完毕，控制信号EN 降为低电平时，与门1 和2 关闭，计数器停止计数。然后，计算机用输入指令通过缓冲器54LS367 将计数器计入的脉冲数取走。20位二进制数需要读取3 次。图3-32中，假设它们的端口号为80H、81H 和82H。显然，此时读出的数据，已是码盘正、反转脉冲数的差值。

3.目标角速度计算

只要记录下光码盘正转及反转时发送到计算机的脉冲数和时间计数器记录的时钟脉冲数，即可求出目标运动的平均角速度。

例如，炮塔（或火炮）每转动0.2 mil，光码盘发送一个脉冲，时间计数器的时钟频率为200 Hz，则目标的水平和垂直平均速度可分别按下列公式计算：

图3-32　用可逆计数器获取目标转过角度的电路

式中，ωη、ωε 为目标水平和垂直角速度；n正η、n负η 为水平速度传感器光码盘正转和反转时发送到计算机的脉冲数；n正ε、n负ε 为垂直速度传感器光码盘正转和反转时发送到计算机的脉冲数；nt 为时间计数器在跟踪测速时间内记下的时钟脉冲数。

显然，光码盘输出一个脉冲所对应的炮塔（或火炮）转过的角度越小，以及时间计数器的时钟频率越高，相对地说，角速度的计算越准确。

（二）测量目标瞬时角速度的传感器

1.用测速发电机测速

下面以某坦克所用的炮塔角速度传感器为例说明。

使用测速发电机测速的角速度传感器，由齿轮传动机构、直流测速发电机和放大器组成。角速度传感器通过过渡板安装到炮塔上，其齿轮与车体的齿圈相啮合。当炮手转动炮塔跟踪目标时，齿轮传动机构带动测速发动机转动发电。所发电压与炮塔的转速，即目标水平运动的角速度成正比，再经放大器放大和规格化，就得到目标水平运动的角速度信号。图3-33所示为炮塔角速度传感器方框图。

图3-33　炮塔角速度传感器方块图

由于测速发动机所发电压U 与其转子旋转的角速度ω 成正比，故有

式中，K 为比例系数。

该火控系统要求，当ω=40 mil/s 时，U=5 V。代入式（3-10），求得K=8。这样就得出炮塔角速度传感器的输出特性方程：

当计算机在某瞬时采样到信号U 时，就可以按式（3-11）计算出炮塔角速度ω。

2.从瞄准电路提取角速度信号

各种下反稳像式火控系统，瞄准线受瞄准镜中双自由度陀螺仪控制。由于陀螺仪进动的角速度ω 与流经瞄准电磁铁定子及转子线圈中电流的乘积成正比，并且在实际电路中流经定子及转子线圈的电流相等，如图3-34所示。这样，通过提取采样电阻两端的电压，经放大和规格化后，即可作为角速度信号。关系如下：

式中，ω 为双自由度陀螺仪进动角速度；U 为加在采样电阻两端的电压；K 为比例系数。

图3-34　从瞄准电路提取角速度信号

当炮手跟踪匀速运动目标时，如果瞄准分划和目标中心始终保持重合，火炮和炮塔转动的角速度将等于双自由度陀螺仪进动的速度。于是，可以用由式（3-12）求出的陀螺仪进动的角速度作为目标运动的角速度。这样，假定由操纵台加到水平和垂直采样电阻两端的电压为Ud 和Ue，则有

式中，ωd 为陀螺仪外环进动角速度；ωe 为陀螺仪内环进动角速度。

当计算机在某瞬时采样到Ud 和Ue 信号，并经过A/D 变换器变为数字后，就可按式（3-13）和式（3-14）来计算ωd 和ωe，并作为目标水平和垂直方向的瞬时角速度。

3.从卸荷力矩电动机提取角速度信号

上反稳像式火控系统采用双轴陀螺稳定平台对上反射镜进行稳定和控制。在内框架轴上安装有垂直卸荷力矩电动机，在外框架轴上安装有水平卸荷力矩电动机。稳定平台外框架和内框架转动速度由水平和垂直卸荷力矩电动机控制。由此可从与水平和垂直卸荷力矩电动机相关的“陀螺取样器”中提取角速度信号。

值得说明的是，上述测量目标瞬时角速度的方法，由于以下原因，不可避免地会带来一定误差：

① 目标角速度是在炮手参与下获得的。炮手跟踪目标时，只有将瞄准分划始终对准目标上同一点，火炮和炮塔的转动速度才能真正地反映目标运动的速度。而实际上，由于车体颠簸及火炮或瞄准线存在稳定精度等问题，炮手难以做到这点。

② 当瞄准分划偏离目标中心时，炮手不断地进行上下、左右修正。在修正过程中，陀螺进动速度与目标运动速度不一致。

③ 目标运动速度可能是变化的。

由于以上原因，用某一时刻的速度来表示目标的运动速度可能会出现较大的误差。为此，需要对速度信号多次采样，然后进行滤波。目前应用较多的是采用均值滤波，每秒采样4 次，以8 次采样数据的平均值作为角速度信号，并且在其后不断地以新的采样数据代替旧的数据。

要精确地测量运动目标速度，需采用目标自动跟踪系统。自动跟踪系统或是在图像跟踪过程中自动测定目标运动速度，或是在已实现自动跟踪的情况下通过速度传感器进行测量，从根本上消除人为因素的影响，跟踪精度可比人工跟踪时显著提高。