【文章內容簡介】 ()， 6461988()， 6461718（ ） 和 6451408()等報道所述 [15]。 圖 8為一種玻璃微珠原向反射薄膜在觀察角度為 ，反射亮度的單位為 2(cd/x )/lm 。 3M公司研制的新產品的反射亮 度 可以達到 700 2(cd/x )/lm 。 1一 支柱； 2一 明表層膜； 3一玻璃珠； 4一空氣層 5一護紙； 6一背膠； 7一塑膠樹脂 圖 7 玻璃微珠原向反射膜結構示意圖 清華 大學 2020 屆 畢業(yè) 設計說明書 第 13 頁 共 36 頁 圖 8 原向反射薄膜反射亮度隨入射角度的典型變化曲線 在光測領域，玻璃微珠不失為一種價廉物美的定向反射器件，它小巧質輕，一般微珠的直徑在微米級，粘附在待測目標上既可獲得定向反射功能，又不增加過多的負載，具有價廉質輕、便于安裝的優(yōu)點 。 工程中，常對玻璃微珠反射膜反射光功率與入射光功率的比值感興趣，在此將其稱為等效反射率 。 采用測試照度的方法對3M公司 8710型原向反射膜 的等效反射率進行 r測試，結果僅為 ％ 。 由此可見，與以往使用的玻璃圓弧柱面反射鏡相比，其反射效率是比較低的 [16]。 因此在設 計 激光光幕測速系統(tǒng)時，一方面需選用較大功率的半導體激光器，另 一 方面應通過提高光電放大器的增益來提高系統(tǒng)靈敏度，并應同時兼顧增益、 響 應速度及信噪比 。 微珠玻璃的直徑一般為 μ m量級，實際光束投射到原向反射微珠玻璃上時，覆蓋了許多微珠玻璃 。 由于各個微珠玻璃折射率和球形的差異，造成了實際反射光并不是從原向返回 。 假設投射到原向反射屏的光束為高斯光束，位于該處的等相面為平面，則距光束中心為 r處 的輻射強度 I(r)可表示為 2 2 2 20 22P( ) e x p ( 2 r / ) e x p ( 2 r / )I r I ?????? () ()式中 ? 為輻射強度降落到其峰值 21/e 擴的光束半徑； P為總輻射功率 。 因為微珠玻璃的折射率及球形的差異是由大量相互獨立的隨機因素的影響所組成的，而每一個別的因素在總的影響中所起的作用可以看作是均勻的了，因此這類隨機變量是服從正態(tài)分布的，而引起 的反射后發(fā)散角也是近似服從正態(tài)分布的 。 所以，光束經原向反射屏反射后，在距離 z處光斑的光強分布也為高斯分布 。 為了表征原向反射屏的反射特性，可將其反射光束的 21/e 光強分布面的漸近圓錐面的錐頂角定義為剩余發(fā)散角 2? ，如圖 9所示 。 剩余發(fā)散角可通過對實際反射光束輻射強度分布的測試清華 大學 2020 屆 畢業(yè) 設計說明書 第 14 頁 共 36 頁 得到 。 圖 10為用數字 CMOS相機測量剩余發(fā)散角裝置的示意圖 。 光束通過半透射半反射分光鏡投射到原向反射屏，反射光束由分光鏡反射投向半透明的投射屏， 用 CMOS相機獲取激光斑輻射強度分布圖，根據相機所帶軟件可以得到對應 21/e 峰值輻射強度處像素的坐標，由此得出光斑直徑，再根據由原向反射屏到投射屏的光程，計算出剩余發(fā)散角 2? [17]。 圖 9 剩余 發(fā)散角的 概念 圖 10 剩余發(fā)散角的測量 采用 3M公司 8710玻璃微珠原向反射屏，當 z=1750 mm時，測得 21/e 峰值輻射強度處的光斑直徑上的像素數為 425，即光斑 直徑為 (測量裝置的比例因子為： mm／ pixel)，求得剩余發(fā)散角 mrad≈ 。 清華 大學 2020 屆 畢業(yè) 設計說明書 第 15 頁 共 36 頁 光幕 設計 本系統(tǒng)采用激光作為光源 。 激光作為一種新型光源 ， 與其他光源相比有方向性強 ， 光亮度極高 ， 性能穩(wěn)定的優(yōu)點 ， 同時解決了以往同類儀器復雜的光源驅動電路設計 ?，F(xiàn)在的半導體激光器型號之多，安裝調試很方便，很多廠家你只要給參數，它就能你滿足你要求的激光器。 之外還有 成本低廉 ， 便于日后維修的優(yōu)點 。 如圖 11,激光測速靶采用半導體激光器作光源經準直擴束后 ， 在一個方向上以一定的發(fā)散角展成扇形光幕 ， 再用一 原向反射屏 （ 橫截面為圓弧 ） 作光幕反射鏡 ，若 中心 點處放置半導體激光器 ， 半導體激光光幕平面垂直于圓弧柱面母線入射 ， 合理設計光學系統(tǒng) ， 能保證從 中心 點發(fā)射的光線經 原向反射屏 反射后會聚到 中心 點 附近。 當彈丸飛過有效靶區(qū)時 ， 進入光電檢測器件的光通量將發(fā)生變化 ， 光電檢測器件將該光通量的變化轉化為電信號 ， 經信號處理電路獲得觸發(fā)計時脈沖 。 用兩套上述相同的激光光幕就可構成一套區(qū)截裝置 ， 可獲取彈丸通過兩個光幕的時間間隔 ，通過接口電路 ， 根據 兩個激光光幕靶的距離 由 單片機 機進行數據處理 ， 得到 彈丸的飛行速度 [18]。 圖 11 激光光幕 示意 圖 清華 大學 2020 屆 畢業(yè) 設計說明書 第 16 頁 共 36 頁 圖 12 光學系統(tǒng)發(fā)射和接收端示意 圖 接 收 端 如圖 12所示 ，激光在經過原向反向屏后原向返回，但不是原路返回，與原路光線是有一個水平的位移，這樣在接收端，在激光出射口的周圍形成光斑。被激光出射口周圍的光敏器件接收到 ， 形成穩(wěn)定的光電流 。 當子彈飛過光幕時，子彈擋住部分激光，導致返回的激光光功率變小，在接收端的光斑變弱 ,產生的光電流變小，形成了一個脈沖式的電信號。 3． 2 電路 單元 光電轉換放大電路 設計中采用德國 Silicon Sensor 的 series5 快速響應型光電探測器型號為，其相關參數如下： 有效光照響應區(qū)域： * 光譜相應：（ 800nm） ,(632nm)暗電流：（ 20V） 1nA 上升時間：（ 850nm,20V,50?） 3ns 擊穿電壓： 50V（ 2uA） 節(jié)電容：（ 0V） 180pF，（ 20V） 40pF 清華 大學 2020 屆 畢業(yè) 設計說明書 第 17 頁 共 36 頁 圖 13 光電二極管有兩個電極 —— 陽極和陰極。光電二極管工作時需施加逆向偏壓，即陽極加上較陰極負的電壓。光電二極管未受入射光線照射時，由于反偏的作用 使空間電荷區(qū)變寬，勢壘增大，流過 pn 結的電流很小，它是由少數載流子的漂移運動形成的，稱為暗電流，由于流過光電二極管的暗電流極小，光電二極管相當于是一只阻值極大的電阻；當光電二極管受到入射光線照射時， 產生光電導效應，由于對光子的吸收引起載流子濃度的增大， 產生光生電流，光電流比無光照時大的多，且光照越強，在同樣條件下產生的載流子越多，光電流越大。這時逆向電流 (亮電流 )將明顯增大，光電二極管可等同于一只阻值極小的電阻。光電二極管的逆向電流又稱光電流。光電流的大小與入射光線的強度有關；入射光線越強，光電流越大 。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把 變化的 光信號轉換成 變化的 電信號[19]。 本設計中的 光電 轉換 放大 電路如圖 14 所示 : 清華 大學 2020 屆 畢業(yè) 設計說明書 第 18 頁 共 36 頁 圖 14 光電轉換 放大 電路 由光電二極管產生的電信號比較弱，經過要進過放大電路放大。 本電路采用電壓放大型 IC 變換電路， 光電二極管的正端接在運算放大器的正端，運算放大器的漏電流比光電流小得多，具有很高的輸入阻抗。當負載電阻 RL 取 1MΩ 以上， 光電二極管 處于接近開路狀態(tài)，可以得到與開路電壓成比例的輸出信號。 最后產生的 電信號 由 U11 端口輸出 ， 送到比較電路 模塊 [20]。 簡單的說，當有子彈通 過光幕時，U11 端口輸出個高電平脈沖。 本電路運放器采用 OP07。 OP07 的功能介紹： OP07 芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于 OP07 具有非常低的輸入失調電壓（對于OP07A 最大為 25μV ），所以 OP07 在很多應用場合不需要額外的調零措施。 OP07 同時具有輸入偏置電流低（ OP07A 為 177。2nA ）和開環(huán)增益高（對于 OP07A 為 300V/mV）的特點，這種低失調、高開環(huán)增益的特性使得 OP07 特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。 清華 大學 2020 屆 畢業(yè) 設計說明書 第 19 頁 共 36 頁 比較電路 圖 15 比較電路 U11 進來 電 信號，跟 U+做比較，如果 U1 比 U+高 (子彈通過光幕時 )， U12 端口輸出低 電壓；相反，如果 U11 進來 的 電信號 比 U+低 (沒有子彈通過光幕 )， U12端口就輸出個 高 電壓。 這樣當