高 芬，開百勝，倪晉平，李靜文

（1.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710032；2.黑龍江北方工具有限公司，黑龍江 牡丹江 157100）

引 言

在武器裝備的研制和生產(chǎn)中，彈丸飛行速度和射頻是需要經(jīng)常測(cè)試的關(guān)鍵參數(shù)，室內(nèi)常用光幕靶［1－3］測(cè)試彈丸的速度或者射頻。目前普遍使用的光幕靶多采用線陣列排布的LED作為光源，線陣列排布的光電二極管作為接收構(gòu)成矩形測(cè)試光幕，如西安工業(yè)大學(xué)研制的XGK－2002型測(cè)速光幕靶［1－2］；奧地利HPI公司研制的B471光幕靶。該類型的光幕靶受LED光能及其自身光幕形成原理的制約，靶面無法做大，目前最大靶面只能做到1.5m×1.5m。為滿足5m×5m甚至更大橫截面室內(nèi)靶道彈丸測(cè)速需求，現(xiàn)提出了一種采用一字線激光器作為光源，L形排布的光電二極管陣列作為接收的室內(nèi)大面積矩形探測(cè)區(qū)域激光測(cè)速光幕構(gòu)建方法。該方法采用一字線激光器作為光源，光源能量集中、光幕薄且厚度均勻，激光器功率及發(fā)散角可根據(jù)需要選擇，易滿足不同靶面的測(cè)速需求，為室內(nèi)超大靶面光幕靶的實(shí)現(xiàn)開辟了新徑。

考慮到測(cè)速靶面內(nèi)光能分布的均勻性是影響測(cè)速靶靈敏度分布及最終測(cè)速精度的重要因素，是測(cè)速靶設(shè)計(jì)中需要考慮的重要環(huán)節(jié)［4－5］，文中重點(diǎn)對(duì)激光測(cè)速光幕靶面內(nèi)光能分布均勻性進(jìn)行了研究，其目的是為實(shí)用室內(nèi)超大面積激光測(cè)速光幕的設(shè)計(jì)提供理論及數(shù)據(jù)參考。

1 大面積激光測(cè)速光幕實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，一字線激光器布置于左下方，由一字線激光器發(fā)出的光形成90°扇形視場(chǎng)的薄形激光光幕，L形接收裝置固定于右上方，其接收視場(chǎng)與90°扇形發(fā)光視場(chǎng)相適應(yīng)，構(gòu)成矩形探測(cè)光幕。為滿足光幕面內(nèi)光能分布均勻性要求，覆蓋90°扇形視場(chǎng)的激光光幕可由一個(gè)或多個(gè)具有一定發(fā)光角度的一字線激光器拼接而成，激光器功率可根據(jù)有效靶面及靈敏度需求進(jìn)行選擇；L形接收裝置采用扁平封裝的高速、高靈敏度PIN型光電二極管作為基本接收單元，多個(gè)光電二極管沿水平和豎直兩個(gè)方向緊密排布構(gòu)成L形狀，整體接收裝置采用無遮擋設(shè)計(jì)，使得由一字激光器入射的光束在整個(gè)靶面內(nèi)完全被接收器件所接收，因而系統(tǒng)不存在測(cè)試漏區(qū)。由于所用光電二極管的光敏范圍達(dá)±65°，故設(shè)計(jì)中無需將各光電二極管光敏面一一朝向激光器扇形視場(chǎng)中心［6］仍可獲得所需矩形探測(cè)光幕。90°扇形視場(chǎng)的激光光幕的對(duì)稱中心相對(duì)水平面45°放置，配合5m×5mL形接收裝置，在空域即可形成5m×5m矩形的單個(gè)測(cè)速光幕。一字線激光器構(gòu)成的光源裝置和L形接收裝置可按圖1所示固定于靶框內(nèi)，配合靶架構(gòu)成可移動(dòng)的測(cè)速裝置，也可直接固定于靶道地面及墻壁內(nèi)，以保證在高精度測(cè)量條件下無需特別防護(hù)，且節(jié)省了靶道空間。

如圖2所示，兩個(gè)具有90°扇形激光光幕的光源裝置和兩個(gè)L形接收裝置，配合一臺(tái)信號(hào)處理儀及供電電源即可組成一套基于區(qū)截原理的室內(nèi)大面積測(cè)速系統(tǒng)。信號(hào)處理儀采集彈丸穿過兩個(gè)靶面的信號(hào)，處理提取彈丸穿過兩個(gè)靶面的時(shí)間t，根據(jù)設(shè)定的靶距S，即可由V＝S／t直接計(jì)算出彈丸在距離S內(nèi)的平均速度V，并由信號(hào)處理儀中相應(yīng)的電路模塊將測(cè)試結(jié)果通過有線或無線傳輸?shù)姆绞?，將信?hào)傳輸至遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)。

圖1 大面積激光測(cè)速光幕構(gòu)成示意圖Fig.1 Schematic of large sensor area velocity laser screen

圖2 測(cè)速系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.2 Schematic of the composition of the velocity measurement system

2 理論分析

系統(tǒng)采用一字線激光器作為光源，依據(jù)測(cè)速靶的工作原理可知，若彈丸通過測(cè)速光幕所遮擋的光能量Q引起光電轉(zhuǎn)換器件光電流的變化量為ΔI，經(jīng)過后續(xù)放大電路后輸出電壓V達(dá)到了比較器的閾值電壓Vth則測(cè)速靶輸出脈沖信號(hào)啟動(dòng)或停止計(jì)時(shí)，即有：

式（1）中，ΔI＝QS0，β為電路放大倍數(shù)，R為電流電壓轉(zhuǎn)換電阻，S0為光電探測(cè)器的光照靈敏度；Q＝E×S，E為探測(cè)器上的光照度變化，S為彈丸過幕時(shí)遮擋光幕的面積。

測(cè)速光幕設(shè)計(jì)時(shí)靶面內(nèi)靈敏度是需考慮的重要因素，為考察整個(gè)靶面內(nèi)的測(cè)速靶的靈敏度分布情況，常用相同大小及速度的彈丸在靶面的不同位置進(jìn)行射擊，通過查看不同位置處測(cè)速靶輸出電壓V的大小來判斷靈敏度分布情況，因此可將彈丸過幕時(shí)遮擋光幕的面積S看作不變值，則由式（1）可知Q與E成正比、V與Q成正比，進(jìn)而有彈丸穿過的信號(hào)幅值V與E成正比。由此可知靶面內(nèi)光能分布直接決定著靶面內(nèi)靈敏度分布，開展靶面光能分布均勻性的研究對(duì)于實(shí)用測(cè)速靶的設(shè)計(jì)具有重要意義。

目前市售一字線激光器多是在經(jīng)準(zhǔn)直過的圓斑激光光束前加柱面鏡制成。柱面鏡對(duì)子午面內(nèi)的平行光無匯聚作用，而對(duì)弧矢面內(nèi)的平行光具有匯聚作用，因此利用柱面鏡可將擴(kuò)束準(zhǔn)直后的基模高斯光束在單方向上進(jìn)行拉長，在遠(yuǎn)處形成具有一定視場(chǎng)的線狀光斑［7］。

如圖3所示，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直的基模高斯光束經(jīng)柱面鏡后，只在y方向被拉伸成一條線斑，若入射準(zhǔn)直高斯光束的束腰為ω0，柱面鏡焦距為f，則一字線激光器的出光張角θ＝2·act（ω0／f），入射平面內(nèi)基模高斯光束在y向上光強(qiáng)Iy服從高斯分布：

式（2）中，Iy0為入射平面中心的光強(qiáng)。

圖3 一字線激光器能量分布圖Fig.3 Energy distribution of line laser module

由高斯光束的光束傳輸特性［8］可知，進(jìn)入透鏡的基模高斯光束出射后仍將是一基模高斯光束，而高斯模通過透鏡后仍保持為相同階次的模，但是透鏡將改變光束參數(shù)R（z）和ω（z），這里R（z）為出射光束在某個(gè)位置z處波面的曲率半徑，ω（z）為該位置光束的光斑半徑。而依據(jù)柱面鏡的光學(xué)特性，柱面鏡的軸向可看作平板，徑向可看作透鏡，因此基模高斯光束經(jīng)柱面鏡后仍是基模高斯光束，出射平面Y向光強(qiáng)IY同樣服從高斯分布：

由上述分析可知：經(jīng)柱面鏡后在z＝常數(shù)的平面內(nèi)，激光器光強(qiáng)同樣以高斯函數(shù)的形式從中心向外平滑地減?。浑S著z的增加，激光器的線長2Ymax增大，一字線激光器中心光強(qiáng)IY0隨距離z的增加而成一定函數(shù)關(guān)系衰減。

利用光照度計(jì)對(duì)一波長為650nm，出瞳功率為2mW，出光張角為110°的一字線激光器的光能分布進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試中選取一字激光器的出光口近似為圖3中的F點(diǎn)，z向?yàn)榧す馄鞴廨S方向，y向?yàn)榫€狀光斑拉伸方向。在z＝1 100mm處間隔50mm測(cè)得一字激光器在y方向的光能分布，進(jìn)行高斯擬合，得到光照度E隨激光器出光角度θ的變化曲線如圖4所示；沿光軸方向z＝300mm，600mm，900mm，1 100mm處，測(cè)得激光器中心光照度E隨距離z衰減曲線如圖5所示，為方便比較，對(duì)光照度E均進(jìn)行了歸一化處理。

圖4 z＝1 100mm處一字線激光器光能分布曲線Fig.4 Energy distribution curve of line laser module in z＝1 100mm

圖5 一字線激光器中心光照度隨距離衰減曲線Fig.5 The attenuation curve of central light energy with distance change

由圖4、圖5可知：一字線激光器線狀光斑中心亮，兩端暗，在z＝常數(shù)的平面內(nèi)，激光器光強(qiáng)以高斯函數(shù)的形式從中心向外衰減，與理論分析結(jié)果吻合；在θ＝30°時(shí)的光強(qiáng)已衰減至中心光強(qiáng)的20%左右；一字線激光器中心光強(qiáng)IY0隨距離z的增加而減小，但比理想光源按距離的平方衰減要緩慢得多。

通過上述分析可知，利用單個(gè)具有90°扇形視場(chǎng)的一字線激光器作為光源構(gòu)成圖1所示大面積激光測(cè)速光幕將導(dǎo)致測(cè)速靶面內(nèi)光能分布嚴(yán)重不均，從而影響探測(cè)光幕的靈敏度及測(cè)速精度。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)中可考慮采用兩個(gè)或多個(gè)激光器進(jìn)行拼接以達(dá)到光能均勻分布的目的。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

圖6為兩個(gè)一字線激光器拼接作為光源構(gòu)成的1m×1m靶面的激光測(cè)速光幕，構(gòu)成光源裝置的兩個(gè)一字線激光器參數(shù)相同，通過機(jī)械裝置固定在同一光源支架上，兩激光器的光軸與豎直和水平方向分別成32°夾角，L形接收裝置采用扁平封裝的高速、高靈敏度PIN型光電二極管作為基本接收單元，光敏面為5mm×5mm。為了驗(yàn)證理論分析及利用拼接獲得的均勻化效果，對(duì)該激光測(cè)速光幕靶面內(nèi)光能分布作了一系列實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選在晚上、暗室條件下進(jìn)行，以減少外界光的干擾，探測(cè)儀器采用照度計(jì)，為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更貼近實(shí)際接收裝置測(cè)試效果，在照度計(jì)光敏面前增加了一5mm×5mm矩形光闌，測(cè)試時(shí)保持照度計(jì)敏感面與接收器件敏感面平行。實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)選取如圖6所示，圖7為實(shí)際靶面內(nèi)光能分布測(cè)試結(jié)果。

圖6 1m×1m靶面測(cè)速光幕實(shí)驗(yàn)裝置Fig.6 Experimental apparatus of laser screen with 1m×1msensor area

由圖7可看出，在45°±30°范圍內(nèi)，光能基本均勻，利用兩個(gè)一字線激光器拼接構(gòu)成的測(cè)速光幕的光能均勻性較采用單個(gè)一字線激光器的測(cè)速光幕有明顯改善。通過兩個(gè)一字激光器拼接的方法可在一定程度上改善一字線激光器光能分布不均的問題，獲得光能分布較均勻的測(cè)速光幕。而有上面的理論分析可知，靶面內(nèi)光能分布直接決定著靶面內(nèi)的靈敏度分布，因此通過理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果即可為后續(xù)可靠電路設(shè)計(jì)提供參考。

系統(tǒng)采用市售一字線激光器拼接的方法可在一定程度上改善靶面光能分布的均勻性，當(dāng)然也可用衍射光學(xué)元件、二元光學(xué)元件、復(fù)雜棱鏡或透鏡系統(tǒng)等線激光束均勻化整形方法［7，9－10］來獲得較好的均勻線激光束，代替上述拼接法。

圖7 1m×1m靶面內(nèi)照度分布Fig.7 Illumination distribution in 1m×1m sensor area

4 結(jié) 論

文中采用一字線激光器作為光源，L形排布的光電二極管陣列作為接收，構(gòu)建了具有90°視場(chǎng)的室內(nèi)大面積矩形測(cè)速光幕。在單個(gè)一字線激光器光能分布理論的基礎(chǔ)上，對(duì)靶面內(nèi)光能分布均勻性進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。研究結(jié)果表明：激光器光強(qiáng)以高斯函數(shù)的形式從中心向外衰減，通過多個(gè)一字線激光器拼接的方法可在一定程度上改善靶面內(nèi)光能分布的均勻性；由于靶面內(nèi)光能分布直接決定著靶面內(nèi)的靈敏度分布，其理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為后續(xù)電路的設(shè)計(jì)及室內(nèi)超大面積激光測(cè)速光幕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

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