当D=1mm、h=15mm时，β<1/15，即需要在P的强背景下检测不超过P/15的光功率变化[9]。
为方便起见，首先针对直径和高度均为1mm的圆柱形弹丸进行速度估算。
从弹丸右边缘开始进入光幕到深入至光幕0.4mm（光幕厚度），探测器接收到的光功率逐渐减小，减小速度由弹丸运动速度决定；从弹丸右边缘深入激光光幕0.4mm到弹丸左边缘进人光幕，弹丸遮挡光功率基本保持不变，探测器接收的光功率也基本保持不变；从弹丸左边缘进入光幕到左边缘完全出光幕，弹丸遮挡的光功率逐渐减少，探测器接收到的光功率逐渐增多；当弹丸左边缘完全出光幕时，探测器接收到的光功率恢复到弹丸未穿过光幕时的水平，此时弹丸右边缘行进的距离为弹丸直径与光幕厚度之和。
可以近似得到弹丸穿过光幕过程中光功率随时间变化的波形，如图3所示。
其中：
时间
～
表示弹丸进入光幕的过程，
～
表示弹丸稳定穿过光幕的过程，
～
表示弹丸离开光幕的过程。
图3弹丸穿过光幕的示意图
图4接收光功率的波形示意图
假设弹丸速度口=10km/s，光幕厚度d=0.4mm，弹丸直径D=1mm，则
波形前沿
（2.1）
顶部时间
（2.2）
波形后沿
（2.3）
波形底宽
（2.4）
波形半高宽
（2.5）
对于直径为1mm的球形弹丸，穿过光幕的时间较柱形弹丸的时间略长，而且在稳定穿越的过程中遮挡的光功率也并非不变，而是一个由少到多再由多到少的变化过程，在接收光信号上表现为：
顶部时间可能减小，信号的前后沿将延长，信号的最高频率将降低，对光电检测电路的高频性能要求也相应降低。
因此，为了准确测量直径D=1mm的弹丸速度（约10km/s），测量装置必须具有足够快的响应速度，从而可以准确捕获前沿为40ns的脉冲信号[10]。
2．3系统设计
本系统采用的研究手段是利用光电靶检测弹丸。
光电靶测速的基本原理是基于区截测速。
在弹道中的两个固定的点放置两个激光光幕靶，分别为启动光幕和结束光幕，如图5所示。
此激光光幕靶是由两个平行的光幕组成[11]。
激光光幕靶采用激光器与光敏器件构成，光源通过光学系统形成一定有效光幕区域，由光敏器件接收。
当运动物体（弹丸）在通过已知间距为S的两个光幕时，会挡住一部分或者全部激光,光敏器件将该光通量的变化转化成电信号，然后经过放大、整形，作为区截信号。
由单片机处理电路对两信号进行处理计算，得到运动物体（弹丸）通过这段距离所需时间T，然后根据公式V=S/T便可计算出弹丸计通过这段距离的平均速度，再通过显示器（LCD）将其值显示出来[12]。
图5系统原理图
总体设计包括光学系统和控制系统两大部分。
光学系统中选用半导体激光二极管作光源，具有体积小、效率高、成本低、无需高压电源、寿命长等优点；选用大面积PIN光敏二极管作为光电检测器件，以确保在实现大面积有效光幕区的同时会聚光斑的接收。
在电路设计及器件的选择上确保低噪声、高响应速度和高灵敏度[13]。
控制系统采用经典单片机AT89C51来代替数据采集卡和计算机组成的系统，性价比高、操作简单、且易于扩展功能。
控制系统主要由单片机AT89C51、比较电路、LCD显示及驱动电路组成，其系统框图如图6所示[14]。
两路输入信号经比较电路后成为方波信号，送入单片机AT89C51的外部中断端（
，
），控制定时器1的开关，即可获得弹丸穿过两激光光幕间的时间间隔t。
而已知靶距S，从而计算出弹丸过靶速度。
将数据写到P0口，将P2口进行控制输出，驱动LCD显示。
本系统中，采用LCD动态显示，可节省线路板空间、降低成本、更具实用性。
图6系统框架图
3硬件部分设计
3．1光幕单元
3.1.1反向屏反向原理（玻璃微珠原向反射膜及其剩余发散角）
微珠玻璃原向反射膜是由玻璃微珠涂敷在压敏胶膜上，再粘贴到平板上构成，其结构示意图如图7所示。
微珠玻璃反射膜的主要特性是原向反射。
从玻璃的冷加工工艺考虑，制作精度较高的玻璃球并非易事。
目前微珠玻璃的生产工艺常为将熔融的玻璃喷成雾状微粒，在液态玻璃的表面张力的作用下，通过喷咀气流速度控制微粒的大小，自行凝结成为微小圆球体。
而且，目前仍有许多科技人员从事着有关工艺研究，如美国专利6511739（2003.1.28），6461988（2002.10.8），6461718（2002.10.8）和6451408（2002.9.17）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0.2度时的反射亮度随入射角度的典型变化曲线，反射亮度的单位为
。
3M公司研制的新产品的反射亮度可以达到700
。
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
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8.87％。
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μm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
（3.1）
（3.1）式中
为辐射强度降落到其峰值
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
光强分布面的渐近圆锥面的锥顶角定义为剩余发散角
，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
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
[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=1750mm时，测得
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53.13mm（测量装置的比例因子为：
0.125mm／pixel），求得剩余发散角15.2mrad≈0.87。
3.1.2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
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
3.2.1光电转换放大电路
设计中采用德国SiliconSensor的series5快速响应型光电探测器型号为PS11.9-5，其相关参数如下：
有效光照响应区域：
3.45*3.45mm
光谱相应：
（800nm）0.52A/W,（632nm）0.4A/W
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
图13PS11.9-5光谱响应曲线
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p-n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:
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±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。
3.2.2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。
这样当子弹经过光幕时，从U12端口输出个低电平脉冲给单片机，使计数器开始计数。
当子弹通过第二个光幕时（结束光幕），同理U12端口也输出个低电平脉冲给单片机，使计数器停止计数。
根据U11输入端口进来的电压，调节滑动变阻器来改变U+的电压值。
本电路采用LM338运放器。
LM338是大电流可调集成稳压器，最大输出电流为5A，可调输出范围1.25V—25V。
它有二种封装，一种是TO-3金属壳，另一种是TO220塑料壳。
电压调整率：
0.003%。
3.2.3单片机及LCD显示电路
本系统采用经典单片机AT89C51来处理数据和计时。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[21]。
图16AT89C51单片机接口
单片机AT89C51管脚如图16所示，以下是本次系统要用到的管脚介绍:
VCC：
供电电压；
GND：
接地；
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地
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