高精度爆炸光强动态检测与存储方法研究

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针对弹药损伤威力测试过程中,传统光学检测设备在精度、速度等方面的一些不足,本文提出一种基于雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)和可编程逻辑门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的光强检测与存储系统。研究内容主要包含APD偏压电路的动态补偿、前端调理电路的自适应增益和滤波、存储系统的可靠性、数据的捕捉与高效传输四个方面,从爆炸闪光特性和设备的环境情况出发,在各个细节上研究提高设备性能的可靠措施。  为了降低低频环境光和APD暗电流噪声对闪光信号的干扰,利用升压开关电源和带温度补偿线性电源组合结构稳定雪崩二极管的倍增因子和暗电流噪声,同时将电源纹波控制在100mV以内,比传统的单可调升压电源具备更高的稳定性;调理电路中引入积分伺服电路,对频率小于1Hz的背景光和暗电流进行滤除,比传统的RC高通滤波器具备更高的可配置性和自由度。通过两种改进方式共同提高APD探测器的信噪比。  在电压信号采集方面,本文对一种R-2R结构的数模转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)应用电路进行重新设计,实现了255档增益调节,相比传统的模拟开关放大电路,结构简单可靠。配合高精度20位分辨率模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC),在光强较低条件下也有不错的分辨率。爆炸瞬间火光强度大,后续残留火焰强度小,通过对255档调节可以使采集分辨率由20位提高至最大28位。  本文利用Nand flash对采集数据进行存储,并基于FPGA原理将单缓存改进为双缓存,利用乒乓机制,同时匹配Nand flash页数据量,以页为最小读写单位操作Nand flash,使得最大数据传输速率可达40MByte/s。  针对Nand flash可能存在坏块的现象,在坏块检测和剔除的基础上,本文额外使用一个Nand flash用于数据的备份。利用FPGA设计并行CRC校验编码方式,既具备串行CRC的可靠性又拥有比串行计算快2倍以上的编码速度。通过对原始数据和备份数据加CRC校验字节的联合分析,确定采集的真实数据,进一步提高系统的可靠性。  为了准确高效提取有用数据,提出了基于BD/GPS的爆炸时刻同步捕捉方式,利用ARM微处理器实现wifi数据传输网络,数据传输速率达5MByte/s,使得系统的数据传输与控制简单方便。
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