室内大面积激光测速光幕光能均匀性研究＊

高 芬，开百胜，倪晋平，李静文

（1.西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 710032；2.黑龙江北方工具有限公司，黑龙江 牡丹江 157100）

引 言

在武器装备的研制和生产中，弹丸飞行速度和射频是需要经常测试的关键参数，室内常用光幕靶［1－3］测试弹丸的速度或者射频。目前普遍使用的光幕靶多采用线阵列排布的LED作为光源，线阵列排布的光电二极管作为接收构成矩形测试光幕，如西安工业大学研制的XGK－2002型测速光幕靶［1－2］；奥地利HPI公司研制的B471光幕靶。该类型的光幕靶受LED光能及其自身光幕形成原理的制约，靶面无法做大，目前最大靶面只能做到1.5m×1.5m。为满足5m×5m甚至更大横截面室内靶道弹丸测速需求，现提出了一种采用一字线激光器作为光源，L形排布的光电二极管阵列作为接收的室内大面积矩形探测区域激光测速光幕构建方法。该方法采用一字线激光器作为光源，光源能量集中、光幕薄且厚度均匀，激光器功率及发散角可根据需要选择，易满足不同靶面的测速需求，为室内超大靶面光幕靶的实现开辟了新径。

考虑到测速靶面内光能分布的均匀性是影响测速靶灵敏度分布及最终测速精度的重要因素，是测速靶设计中需要考虑的重要环节［4－5］，文中重点对激光测速光幕靶面内光能分布均匀性进行了研究，其目的是为实用室内超大面积激光测速光幕的设计提供理论及数据参考。

1 大面积激光测速光幕实现

如图1所示，一字线激光器布置于左下方，由一字线激光器发出的光形成90°扇形视场的薄形激光光幕，L形接收装置固定于右上方，其接收视场与90°扇形发光视场相适应，构成矩形探测光幕。为满足光幕面内光能分布均匀性要求，覆盖90°扇形视场的激光光幕可由一个或多个具有一定发光角度的一字线激光器拼接而成，激光器功率可根据有效靶面及灵敏度需求进行选择；L形接收装置采用扁平封装的高速、高灵敏度PIN型光电二极管作为基本接收单元，多个光电二极管沿水平和竖直两个方向紧密排布构成L形状，整体接收装置采用无遮挡设计，使得由一字激光器入射的光束在整个靶面内完全被接收器件所接收，因而系统不存在测试漏区。由于所用光电二极管的光敏范围达±65°，故设计中无需将各光电二极管光敏面一一朝向激光器扇形视场中心［6］仍可获得所需矩形探测光幕。90°扇形视场的激光光幕的对称中心相对水平面45°放置，配合5m×5mL形接收装置，在空域即可形成5m×5m矩形的单个测速光幕。一字线激光器构成的光源装置和L形接收装置可按图1所示固定于靶框内，配合靶架构成可移动的测速装置，也可直接固定于靶道地面及墙壁内，以保证在高精度测量条件下无需特别防护，且节省了靶道空间。

如图2所示，两个具有90°扇形激光光幕的光源装置和两个L形接收装置，配合一台信号处理仪及供电电源即可组成一套基于区截原理的室内大面积测速系统。信号处理仪采集弹丸穿过两个靶面的信号，处理提取弹丸穿过两个靶面的时间t，根据设定的靶距S，即可由V＝S／t直接计算出弹丸在距离S内的平均速度V，并由信号处理仪中相应的电路模块将测试结果通过有线或无线传输的方式，将信号传输至远程控制计算机。

图1 大面积激光测速光幕构成示意图Fig.1 Schematic of large sensor area velocity laser screen

图2 测速系统构成示意图Fig.2 Schematic of the composition of the velocity measurement system

2 理论分析

系统采用一字线激光器作为光源，依据测速靶的工作原理可知，若弹丸通过测速光幕所遮挡的光能量Q引起光电转换器件光电流的变化量为ΔI，经过后续放大电路后输出电压V达到了比较器的阈值电压Vth则测速靶输出脉冲信号启动或停止计时，即有：

式（1）中，ΔI＝QS0，β为电路放大倍数，R为电流电压转换电阻，S0为光电探测器的光照灵敏度；Q＝E×S，E为探测器上的光照度变化，S为弹丸过幕时遮挡光幕的面积。

测速光幕设计时靶面内灵敏度是需考虑的重要因素，为考察整个靶面内的测速靶的灵敏度分布情况，常用相同大小及速度的弹丸在靶面的不同位置进行射击，通过查看不同位置处测速靶输出电压V的大小来判断灵敏度分布情况，因此可将弹丸过幕时遮挡光幕的面积S看作不变值，则由式（1）可知Q与E成正比、V与Q成正比，进而有弹丸穿过的信号幅值V与E成正比。由此可知靶面内光能分布直接决定着靶面内灵敏度分布，开展靶面光能分布均匀性的研究对于实用测速靶的设计具有重要意义。

目前市售一字线激光器多是在经准直过的圆斑激光光束前加柱面镜制成。柱面镜对子午面内的平行光无汇聚作用，而对弧矢面内的平行光具有汇聚作用，因此利用柱面镜可将扩束准直后的基模高斯光束在单方向上进行拉长，在远处形成具有一定视场的线状光斑［7］。

如图3所示，经扩束准直的基模高斯光束经柱面镜后，只在y方向被拉伸成一条线斑，若入射准直高斯光束的束腰为ω0，柱面镜焦距为f，则一字线激光器的出光张角θ＝2·act（ω0／f），入射平面内基模高斯光束在y向上光强Iy服从高斯分布：

式（2）中，Iy0为入射平面中心的光强。

图3 一字线激光器能量分布图Fig.3 Energy distribution of line laser module

由高斯光束的光束传输特性［8］可知，进入透镜的基模高斯光束出射后仍将是一基模高斯光束，而高斯模通过透镜后仍保持为相同阶次的模，但是透镜将改变光束参数R（z）和ω（z），这里R（z）为出射光束在某个位置z处波面的曲率半径，ω（z）为该位置光束的光斑半径。而依据柱面镜的光学特性，柱面镜的轴向可看作平板，径向可看作透镜，因此基模高斯光束经柱面镜后仍是基模高斯光束，出射平面Y向光强IY同样服从高斯分布：

由上述分析可知：经柱面镜后在z＝常数的平面内，激光器光强同样以高斯函数的形式从中心向外平滑地减小；随着z的增加，激光器的线长2Ymax增大，一字线激光器中心光强IY0随距离z的增加而成一定函数关系衰减。

利用光照度计对一波长为650nm，出瞳功率为2mW，出光张角为110°的一字线激光器的光能分布进行测试实验，测试中选取一字激光器的出光口近似为图3中的F点，z向为激光器光轴方向，y向为线状光斑拉伸方向。在z＝1 100mm处间隔50mm测得一字激光器在y方向的光能分布，进行高斯拟合，得到光照度E随激光器出光角度θ的变化曲线如图4所示；沿光轴方向z＝300mm，600mm，900mm，1 100mm处，测得激光器中心光照度E随距离z衰减曲线如图5所示，为方便比较，对光照度E均进行了归一化处理。

图4 z＝1 100mm处一字线激光器光能分布曲线Fig.4 Energy distribution curve of line laser module in z＝1 100mm

图5 一字线激光器中心光照度随距离衰减曲线Fig.5 The attenuation curve of central light energy with distance change

由图4、图5可知：一字线激光器线状光斑中心亮，两端暗，在z＝常数的平面内，激光器光强以高斯函数的形式从中心向外衰减，与理论分析结果吻合；在θ＝30°时的光强已衰减至中心光强的20%左右；一字线激光器中心光强IY0随距离z的增加而减小，但比理想光源按距离的平方衰减要缓慢得多。

通过上述分析可知，利用单个具有90°扇形视场的一字线激光器作为光源构成图1所示大面积激光测速光幕将导致测速靶面内光能分布严重不均，从而影响探测光幕的灵敏度及测速精度。因此，实际设计中可考虑采用两个或多个激光器进行拼接以达到光能均匀分布的目的。

3 实验及结果分析

图6为两个一字线激光器拼接作为光源构成的1m×1m靶面的激光测速光幕，构成光源装置的两个一字线激光器参数相同，通过机械装置固定在同一光源支架上，两激光器的光轴与竖直和水平方向分别成32°夹角，L形接收装置采用扁平封装的高速、高灵敏度PIN型光电二极管作为基本接收单元，光敏面为5mm×5mm。为了验证理论分析及利用拼接获得的均匀化效果，对该激光测速光幕靶面内光能分布作了一系列实测实验。实验选在晚上、暗室条件下进行，以减少外界光的干扰，探测仪器采用照度计，为使实验结果更贴近实际接收装置测试效果，在照度计光敏面前增加了一5mm×5mm矩形光阑，测试时保持照度计敏感面与接收器件敏感面平行。实验坐标选取如图6所示，图7为实际靶面内光能分布测试结果。

图6 1m×1m靶面测速光幕实验装置Fig.6 Experimental apparatus of laser screen with 1m×1msensor area

由图7可看出，在45°±30°范围内，光能基本均匀，利用两个一字线激光器拼接构成的测速光幕的光能均匀性较采用单个一字线激光器的测速光幕有明显改善。通过两个一字激光器拼接的方法可在一定程度上改善一字线激光器光能分布不均的问题，获得光能分布较均匀的测速光幕。而有上面的理论分析可知，靶面内光能分布直接决定着靶面内的灵敏度分布，因此通过理论分析及实验结果即可为后续可靠电路设计提供参考。

系统采用市售一字线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匀性，当然也可用衍射光学元件、二元光学元件、复杂棱镜或透镜系统等线激光束均匀化整形方法［7，9－10］来获得较好的均匀线激光束，代替上述拼接法。

图7 1m×1m靶面内照度分布Fig.7 Illumination distribution in 1m×1m sensor area

4 结 论

文中采用一字线激光器作为光源，L形排布的光电二极管阵列作为接收，构建了具有90°视场的室内大面积矩形测速光幕。在单个一字线激光器光能分布理论的基础上，对靶面内光能分布均匀性进行了分析和实验研究，通过实验验证了理论分析的正确性。研究结果表明：激光器光强以高斯函数的形式从中心向外衰减，通过多个一字线激光器拼接的方法可在一定程度上改善靶面内光能分布的均匀性；由于靶面内光能分布直接决定着靶面内的灵敏度分布，其理论分析及实验结果可为后续电路的设计及室内超大面积激光测速光幕结构的设计提供参考。

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