激光測(cè)速光幕靶是一種非接觸式的速度測(cè)量裝置，主要用于測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)物體（如炮彈、彈丸、火箭彈、破片等）在飛行過(guò)程中的瞬時(shí)速度。它在兵器測(cè)試、彈道學(xué)研究、安全防護(hù)測(cè)試、材料沖擊試驗(yàn)、體育科研等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。

核心原理

其核心原理基于光遮擋計(jì)時(shí)和定距測(cè)速：

1. 構(gòu)建光幕： 系統(tǒng)由至少兩對(duì)（或更多對(duì)）平行設(shè)置的激光發(fā)射器和對(duì)應(yīng)的光電接收器組成。每一對(duì)激光發(fā)射器和接收器構(gòu)成一個(gè)光幕平面（或稱為“靶面”）。當(dāng)沒(méi)有物體穿過(guò)時(shí)，激光束持續(xù)照射在接收器上，接收器輸出穩(wěn)定的電信號(hào)（通常為高電平）。

2. 遮擋觸發(fā)： 當(dāng)被測(cè)物體（如彈丸）依次穿過(guò)這些光幕平面時(shí)，會(huì)暫時(shí)遮擋激光束，導(dǎo)致接收器接收到的光信號(hào)中斷。每次遮擋都會(huì)使接收器的輸出電信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)下降沿脈沖。

3. 計(jì)時(shí)： 系統(tǒng)內(nèi)部的精密計(jì)時(shí)器（通?；诟咚儆?jì)數(shù)器或時(shí)間間隔測(cè)量芯片）會(huì)精確記錄下第一個(gè)光幕（起始靶）被遮擋的時(shí)刻 T1 和第二個(gè)光幕（停止靶）被遮擋的時(shí)刻 T2。

4. 測(cè)速計(jì)算： 已知兩個(gè)平行光幕平面之間的固定距離 S。物體的飛行速度 V 即可通過(guò)最基本的物理公式計(jì)算：
   V = S / (T2 - T1)
   其中 (T2 - T1) 就是物體飛越兩個(gè)光幕之間距離 S 所花費(fèi)的時(shí)間。

關(guān)鍵組件

1. 激光發(fā)射器陣列： 通常使用可見(jiàn)光（紅光）或不可見(jiàn)光（紅外）半導(dǎo)體激光器。多個(gè)激光器緊密排列，形成一道密集、均勻、平行的“光墻”（光幕）。高功率、窄發(fā)散角的激光器能保證光幕的均勻性和強(qiáng)度。

2. 光電接收器陣列： 與激光發(fā)射器一一對(duì)應(yīng)，通常是高速光電二極管或光電晶體管。它們負(fù)責(zé)接收激光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。接收器前通常裝有窄帶濾光片，以抑制環(huán)境雜散光的干擾。

3. 信號(hào)處理電路： 負(fù)責(zé)放大、整形接收器輸出的微弱電信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成干凈、陡峭的脈沖信號(hào)，便于后續(xù)的計(jì)時(shí)電路識(shí)別觸發(fā)邊沿。

4. 高精度計(jì)時(shí)單元： 這是系統(tǒng)的核心。需要很高的時(shí)間分辨率（通常達(dá)到納秒級(jí)）來(lái)精確測(cè)量極短的時(shí)間間隔（對(duì)于高速?gòu)椡?，這個(gè)間隔可能只有幾微秒甚至更短）。

5. 數(shù)據(jù)處理與控制單元： 通常是微處理器（MCU）或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）。它負(fù)責(zé)：

• 控制激光器開關(guān)（如果需要）。

• 接收來(lái)自計(jì)時(shí)單元的時(shí)間數(shù)據(jù) T1 和 T2。

• 根據(jù)預(yù)設(shè)的光幕間距 S 計(jì)算速度 V。

• 處理數(shù)據(jù)（如多次測(cè)量求平均、剔除異常值）。

• 與上位機(jī)（PC）或其他設(shè)備通信（通過(guò)RS232, RS485, USB, 以太網(wǎng)等），輸出測(cè)量結(jié)果（速度值、過(guò)靶時(shí)刻等）。

• 提供人機(jī)交互界面（如顯示、按鍵）。

6. 機(jī)械結(jié)構(gòu)： 用于精確固定和校準(zhǔn)激光發(fā)射器陣列與接收器陣列，確保它們嚴(yán)格平行，并且間距 S 精確已知、穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)需要堅(jiān)固，能抵抗輕度沖擊和振動(dòng)。光幕的尺寸（高度和寬度）根據(jù)被測(cè)物體的大小和預(yù)計(jì)飛行區(qū)域確定。

7. 電源： 為所有電子部件和激光器供電。

主要特點(diǎn)

• 非接觸測(cè)量： 不影響被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，測(cè)量結(jié)果真實(shí)可靠。

• 高精度： 時(shí)間測(cè)量精度可達(dá)納秒級(jí)，配合精確的固定間距 S，速度測(cè)量精度很高（通常優(yōu)于 0.1% 或更高）。

• 高速度： 能夠測(cè)量從亞音速到超高速（數(shù)千米/秒）物體的速度。

• 實(shí)時(shí)性好： 測(cè)量速度快，結(jié)果可實(shí)時(shí)輸出。

• 結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單可靠： 核心原理清晰，關(guān)鍵部件成熟。

• 可擴(kuò)展性： 可以設(shè)置多個(gè)光幕（大于2個(gè)），不僅可以測(cè)量速度，還可以測(cè)量速度變化率（加速度）、章動(dòng)角，甚至結(jié)合其他傳感器測(cè)量位置、姿態(tài)等。

• 抗干擾能力： 通過(guò)使用調(diào)制激光、窄帶濾光片和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，可以有效抑制環(huán)境光干擾。

應(yīng)用場(chǎng)景

• 兵器測(cè)試： 炮彈、火箭彈、戰(zhàn)斗部破片等的初速、炮口速度、存速、著速測(cè)量；彈道性能評(píng)估。

• 安全防護(hù)： 玻璃、裝甲車輛等的抗彈性能測(cè)試，測(cè)量破片或彈丸的撞擊速度。

• 材料與結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)： 測(cè)量沖擊物（如飛片、彈丸）撞擊目標(biāo)前的速度。

• 航空航天： 模型火箭、無(wú)人機(jī)等的速度測(cè)量。

• 體育科研： 測(cè)量球類（棒球、高爾夫球、網(wǎng)球等）的發(fā)射速度、出射速度（雖然雷達(dá)測(cè)速儀更常見(jiàn)，但光幕靶在特定場(chǎng)景下仍有應(yīng)用）。

• 工業(yè)自動(dòng)化： 測(cè)量生產(chǎn)線上高速運(yùn)動(dòng)的小物體速度（如瓶蓋、零件）。

重要參數(shù)

• 光幕間距 (S)： 決定測(cè)速范圍和精度。

• 光幕尺寸 (寬 x 高)： 決定有效測(cè)量區(qū)域。

• 測(cè)速范圍： 能測(cè)量的最小和最大速度。

• 測(cè)速精度： 測(cè)量結(jié)果的誤差范圍（通常以百分比或絕對(duì)誤差表示）。

• 時(shí)間分辨率： 計(jì)時(shí)單元能分辨的最小時(shí)間間隔（納秒級(jí)）。

• 激光波長(zhǎng)： 通常為可見(jiàn)紅光（650nm）或紅外光（如808nm, 905nm）。

• 輸出接口： 如 RS232, RS485, USB, Ethernet, 模擬輸出等。

• 供電要求： 電壓、電流、功耗。

• 環(huán)境適應(yīng)性： 工作溫度范圍、防護(hù)等級(jí)（IP 等級(jí)）。

與其他測(cè)速方法的比較

• 雷達(dá)測(cè)速（多普勒雷達(dá)）： 適用于遠(yuǎn)距離、連續(xù)測(cè)速，但對(duì)小尺寸目標(biāo)精度有限，對(duì)金屬目標(biāo)更敏感。光幕靶近距離精度高，對(duì)目標(biāo)材質(zhì)不敏感，但測(cè)量區(qū)域有限。

• 高速攝影/攝像： 能提供豐富的運(yùn)動(dòng)信息（軌跡、姿態(tài)），但數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，速度計(jì)算精度相對(duì)光幕靶可能稍低，成本較高。

• 線圈靶： 利用彈丸穿過(guò)線圈時(shí)引起的電感變化計(jì)時(shí)。需要目標(biāo)具有磁性或?qū)щ娦?，且線圈易被破壞。光幕靶對(duì)目標(biāo)材質(zhì)無(wú)特殊要求，不易損壞。

總結(jié)

激光測(cè)速光幕靶是一種基于精密時(shí)間間隔測(cè)量和固定間距原理的高精度、高可靠性的非接觸式速度測(cè)量工具。它在需要精確測(cè)量高速飛行物體瞬時(shí)速度的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在兵器測(cè)試、安全防護(hù)和沖擊試驗(yàn)中，扮演著不可替代的角色。其核心優(yōu)勢(shì)在于高精度、非接觸、高速度測(cè)量能力以及對(duì)目標(biāo)材質(zhì)不敏感。