高速物体速度测量反射式光幕光电性能研究

　　0　引　言

　　弹丸初速度是衡量火炮系统对目标射击效果的主要特征参数,而用区截装置配测时仪测定弹丸速度,是目前各类弹丸初速测定的主要方法。基于光电转换原理做成的非接触式区截装置——光幕靶,以其精度较高、使用方便、成本低廉、工作时间不受自然条件限制等优势,在弹丸测速市场占据较大份额。

　　光幕靶的区截装置目前大致分为2种,一种是激光器阵列和接收光电器件阵列分列两边,激光器发出的光在未有物体通过时,直接照在接收器上。当物体通过时,由于遮挡而引起接收器光能量的变化而产生触发信号。受激光器和接收器数量与系统成本的制约,光幕面都不是很大,有效靶面在600mm×600mm~900mm×900mm之间。另一种是采用反射式光幕,激光器发出的光准直扩束后通过柱面透镜形成一个扇形光幕,在光幕面上安装反射装置接收反射光束,当物体通过时,由于遮挡而引起接收器光能量的变化而产生触发信号。在反射面的选取方面,主要有3种:一是采用圆柱面镜反射^[1],二是采用椭圆柱面镜反射,三是采用微珠玻璃反射平面^[2]。对于前两种反射工作方式,由于采用弧形反射面,需要进行复杂的光路计算,并且还要对光路进行优化^[3]。

　　本文设计的反射式光幕靶在光幕面上不采用反射装置,机械结构设计简洁,易于调节,大大缩小了体积,减轻了质量,同时降低了成本,更加方便于野外实际应用。

　　1　基本原理

　　在反射式光幕的基础上,不采用反射装置,而利用由目标物体表面反射回来的光能量作为触发信号。激光器发射的激光光束整形后形成一个垂直于弹丸飞行方向的扇面,其示意图如图1所示。

　　当弹丸经过这一扇面时,激光在物体表面反射或散射,激光测速靶接收端的光电探测器所接收到的光通量将发生变化,由光电探测器将光信号转换为电信号的变化,该信号的变化经过后续电路的整形成为具有一定脉冲宽度的触发计时信号,送到后续电路进行数据处理,得到弹丸的速度值和相关实验数据。

　　2　系统探测距离的影响因素

　　由于探测目标尺寸小(Φ40mm),飞行速度高(v≈300~1500m /s),在天空背景下,目标反射光能量少,目标信号弱,使系统不容易满足对这类暗弱高速弹丸目标的捕获[4]。因此,探测距离是该系统中一项非常重要的性能指标。系统的作用距离首先与目标辐射到探测器上的辐射功率有关,也与探测器的响应特性有关,还和背景辐射有关。

　　又由于本系统是主动探测系统,由激光器发射扇形光幕做为光源。因此,当高速飞行物体通过时,其反射辐射功率与光源的辐射功率、以及物体的反射特性有密切关系。设激光器的出口功率为P1,照射到物体上的激光功率为P2