基于激光探测技术的小型化弹丸测速系统(编辑修改稿)

基于激光探测技术的小型化弹丸测速系统(编辑修改稿)内容摘要：

()， 6461988()， 6461718（ ） 和 6451408()等报道所述 [15]。 图 8为一种玻璃微珠原向反射薄膜在观察角度为 ，反射亮度的单位为 2(cd/x )/lm。 3M公司研制的新产品的反射亮 度 可以达到 700 2(cd/x )/lm。 1一 支柱； 2一 明表层膜； 3一玻璃珠； 4一空气层 5一护纸； 6一背胶； 7一塑胶树脂 图 7 玻璃微珠原向反射膜结构示意图 清华 大学 2020 届 毕业 设计说明书 第 13 页 共 36 页 图 8 原向反射薄膜反射亮度随入射角度的典型变化曲线 在光测领域，玻璃微珠不失为一种价廉物美的定向反射器件，它小巧质轻，一般微珠的直径在微米级，粘附在待测目标上既可获得定向反射功能，又不增加过多的负载，具有价廉质轻、便于安装的优点。 工程中，常对玻璃微珠反射膜反射光功率与入射光功率的比值感兴趣，在此将其称为等效反射率。 采用测试照度的方法对3M公司 8710型原向反射膜 的等效反射率进行 r测试，结果仅为 ％。 由此可见，与以往使用的玻璃圆弧柱面反射镜相比，其反射效率是比较低的 [16]。 因此在设 计 激光光幕测速系统时，一方面需选用较大功率的半导体激光器，另 一 方面应通过提高光电放大器的增益来提高系统灵敏度，并应同时兼顾增益、 响 应速度及信噪比。 微珠玻璃的直径一般为 μ m量级，实际光束投射到原向反射微珠玻璃上时，覆盖了许多微珠玻璃。 由于各个微珠玻璃折射率和球形的差异，造成了实际反射光并不是从原向返回。 假设投射到原向反射屏的光束为高斯光束，位于该处的等相面为平面，则距光束中心为 r处 的辐射强度 I(r)可表示为 2 2 2 20 22P( ) e x p ( 2 r / ) e x p ( 2 r / )I r I  () ()式中  为辐射强度降落到其峰值 21/e 扩的光束半径； P为总辐射功率。 因为微珠玻璃的折射率及球形的差异是由大量相互独立的随机因素的影响所组成的，而每一个别的因素在总的影响中所起的作用可以看作是均匀的了，因此这类随机变量是服从正态分布的，而引起 的反射后发散角也是近似服从正态分布的。 所以，光束经原向反射屏反射后，在距离 z处光斑的光强分布也为高斯分布。 为了表征原向反射屏的反射特性，可将其反射光束的 21/e 光强分布面的渐近圆锥面的锥顶角定义为剩余发散角 2 ，如图 9所示。 剩余发散角可通过对实际反射光束辐射强度分布的测试清华 大学 2020 届 毕业 设计说明书 第 14 页 共 36 页 得到。 图 10为用数字 CMOS相机测量剩余发散角装置的示意图。 光束通过半透射半反射分光镜投射到原向反射屏，反射光束由分光镜反射投向半透明的投射屏， 用 CMOS相机获取激光斑辐射强度分布图，根据相机所带软件可以得到对应 21/e 峰值辐射强度处像素的坐标，由此得出光斑直径，再根据由原向反射屏到投射屏的光程，计算出剩余发散角 2 [17]。 图 9 剩余 发散角的 概念 图 10 剩余发散角的测量 采用 3M公司 8710玻璃微珠原向反射屏，当 z=1750 mm时，测得 21/e 峰值辐射强度处的光斑直径上的像素数为 425，即光斑 直径为 (测量装置的比例因子为： mm／ pixel)，求得剩余发散角 mrad≈。 清华 大学 2020 届 毕业 设计说明书 第 15 页 共 36 页 光幕 设计 本系统采用激光作为光源。 激光作为一种新型光源 ， 与其他光源相比有方向性强 ， 光亮度极高 ， 性能稳定的优点 ， 同时解决了以往同类仪器复杂的光源驱动电路设计。 现在的半导体激光器型号之多，安装调试很方便，很多厂家你只要给参数，它就能你满足你要求的激光器。 之外还有 成本低廉 ， 便于日后维修的优点。 如图 11,激光测速靶采用半导体激光器作光源经准直扩束后 ， 在一个方向上以一定的发散角展成扇形光幕 ， 再用一 原向反射屏 （ 横截面为圆弧 ） 作光幕反射镜 ，若 中心 点处放置半导体激光器 ， 半导体激光光幕平面垂直于圆弧柱面母线入射 ， 合理设计光学系统 ， 能保证从 中心 点发射的光线经 原向反射屏 反射后会聚到 中心 点 附近。 当弹丸飞过有效靶区时 ， 进入光电检测器件的光通量将发生变化 ， 光电检测器件将该光通量的变化转化为电信号 ， 经信号处理电路获得触发计时脉冲。 用两套上述相同的激光光幕就可构成一套区截装置 ， 可获取弹丸通过两个光幕的时间间隔 ，通过接口电路 ， 根据 两个激光光幕靶的距离 由 单片机 机进行数据处理 ， 得到 弹丸的飞行速度 [18]。 图 11 激光光幕 示意 图 清华 大学 2020 届 毕业 设计说明书 第 16 页 共 36 页 图 12 光学系统发射和接收端示意 图 接 收 端 如图 12所示 ，激光在经过原向反向屏后原向返回，但不是原路返回，与原路光线是有一个水平的位移，这样在接收端，在激光出射口的周围形成光斑。 被激光出射口周围的光敏器件接收到 ， 形成稳定的光电流。 当子弹飞过光幕时，子弹挡住部分激光，导致返回的激光光功率变小，在接收端的光斑变弱 ,产生的光电流变小，形成了一个脉冲式的电信号。 3． 2 电路 单元 光电转换放大电路 设计中采用德国 Silicon Sensor 的 series5 快速响应型光电探测器型号为，其相关参数如下： 有效光照响应区域： * 光谱相应：（ 800nm） ,(632nm)暗电流：（ 20V） 1nA 上升时间：（ 850nm,20V,50Ω） 3ns 击穿电压： 50V（ 2uA） 节电容：（ 0V） 180pF，（ 20V） 40pF 清华 大学 2020 届 毕业 设计说明书 第 17 页 共 36 页 图 13 光电二极管有两个电极 —— 阳极和阴极。 光电二极管工作时需施加逆向偏压，即阳极加上较阴极负的电压。 光电二极管未受入射光线照射时，由于反偏的作用 使空间电荷区变宽，势垒增大，流过 pn 结的电流很小，它是由少数载流子的漂移运动形成的，称为暗电流，由于流过光电二极管的暗电流极小，光电二极管相当于是一只阻值极大的电阻；当光电二极管受到入射光线照射时， 产生光电导效应，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大， 产生光生电流，光电流比无光照时大的多，且光照越强，在同样条件下产生的载流子越多，光电流越大。 这时逆向电流 (亮电流 )将明显增大，光电二极管可等同于一只阻值极小的电阻。 光电二极管的逆向电流又称光电流。 光电流的大小与入射光线的强度有关；入射光线越强，光电流越大。 光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把 变化的 光信号转换成 变化的 电信号[19]。 本设计中的 光电 转换 放大 电路如图 14 所示 : 清华 大学 2020 届 毕业 设计说明书 第 18 页 共 36 页 图 14 光电转换 放大 电路 由光电二极管产生的电信号比较弱，经过要进过放大电路放大。 本电路采用电压放大型 IC 变换电路， 光电二极管的正端接在运算放大器的正端，运算放大器的漏电流比光电流小得多，具有很高的输入阻抗。 当负载电阻 RL 取 1MΩ 以上， 光电二极管 处于接近开路状态，可以得到与开路电压成比例的输出信号。 最后产生的 电信号 由 U11 端口输出 ， 送到比较电路 模块 [20]。 简单的说，当有子弹通 过光幕时，U11 端口输出个高电平脉冲。 本电路运放器采用 OP07。 OP07 的功能介绍： OP07 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。 由于 OP07 具有非常低的输入失调电压（对于OP07A 最大为 25μV ），所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。 OP07 同时具有输入偏置电流低（ OP07A 为 177。 2nA ）和开环增益高（对于 OP07A 为 300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 清华 大学 2020 届 毕业 设计说明书 第 19 页 共 36 页 比较电路 图 15 比较电路 U11 进来 电 信号，跟 U+做比较，如果 U1 比 U+高 (子弹通过光幕时 )， U12 端口输出低 电压；相反，如果 U11 进来 的 电信号 比 U+低 (没有子弹通过光幕 )， U12端口就输出个 高 电压。 这样当。