本發(fā)明專利技術屬于激光干涉測速裝置領域，尤其是一種雙模式、超高速運動物體速度測量裝置及方法。現(xiàn)有的位移干涉儀在測量10km/s以上超高速度時，需要12GHz以上帶寬的示波器才能完整記錄干涉信號；現(xiàn)有的速度干涉儀在測量高加速度過程中會出現(xiàn)干涉條紋丟失的現(xiàn)象。本發(fā)明專利技術能夠高分辨率地測量10km/s以上超高速運動物體速度隨時間的變化歷史，采用了全光纖結構，系統(tǒng)緊湊、免調試，使用方便。本發(fā)明專利技術光發(fā)射與接收處理模塊分別與位移干涉模塊的光纖合束器輸入端、速度干涉模塊第三光纖分束器輸入端連接，位移干涉模塊的微波混頻器輸出端、速度干涉模塊的光電探測器輸出端分別對應與示波器輸入端連接，示波器輸出端與信號處理計算機連接。
【技術實現(xiàn)步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術屬于激光干涉測速裝置領域，尤其是一種雙模式、超高速運動物體速度測量裝置及方法。現(xiàn)有的位移干涉儀在測量10km/s以上超高速度時，需要12GHz以上帶寬的示波器才能完整記錄干涉信號；現(xiàn)有的速度干涉儀在測量高加速度過程中會出現(xiàn)干涉條紋丟失的現(xiàn)象。本專利技術能夠高分辨率地測量10km/s以上超高速運動物體速度隨時間的變化歷史，采用了全光纖結構，系統(tǒng)緊湊、免調試，使用方便。本專利技術光發(fā)射與接收處理模塊分別與位移干涉模塊的光纖合束器輸入端、速度干涉模塊第三光纖分束器輸入端連接，位移干涉模塊的微波混頻器輸出端、速度干涉模塊的光電探測器輸出端分別對應與示波器輸入端連接，示波器輸出端與信號處理計算機連接。【專利說明】
本專利技術屬于激光干涉測速裝置領域，尤其是一種雙模式、超高速度運動物體運動速度測量裝置及方法。
技術介紹
在沖擊波物理和爆轟物理實驗中，目前常采用基于位移干涉模式的全光纖激光位移干涉裝置(以下簡稱為位移干涉儀)和基于速度干涉模式的激光速度干涉裝置(以下簡稱為速度干涉儀)測量高速運動物體的運動速度隨時間的變化歷史(以下簡稱為速度剖面)。這兩類測速裝置存在以下不足: (一 )對于位移干涉儀，其工作機制如下:激光器的出射光波照射在運動物體表面，反射激光因多普勒(Doppler)效應而產生微小的頻率變化，將反射激光和激光器本征激光合束發(fā)生差拍干涉，通過光電探測器和示波器記錄差拍頻率變化過程，從而能夠連續(xù)測試運動物體表面(或者內部粒子)位移、速度和加速度的變化過程，根據位移干涉儀工作原理，對于工作波長為1550nm的位移干涉裝置，其輸出條紋信號頻率f(t)與被測速度u(t)在數學上滿足f(t) = 1.29u(t),其中f (t)的單位為GHz,u (t)的單位為km/s,被測速度越大，輸出信號頻率則越高，需要的記錄系統(tǒng)帶寬就越高，因此記錄系統(tǒng)帶寬就直接決定了被測速度的上限，即使采用國際上較高帶寬的數字存儲示波器(一般小于12GHz帶寬)作為信號記錄設備，位移干涉儀目前能達到的速度測量上限也只有9km/s。另外位移干涉儀是通過對干涉條紋進行積分首先得到位移測量結果S (t)，然后對位移測量結果進行微分而得到運動速度u(t)，即u(t) = dS(t)/dt，微分過程不免產生噪聲，影響了位移干涉儀的速度分辨力。 ( 二 )對于速度干涉儀，其工作機制如下:激光器的出射光波照射在運動物體表面，反射激光因多普勒效應而產生微小的頻率變化，將反射激光分成兩束分別經兩支不同延遲時間τ的光路后再合束形成干涉條紋，通過探測干涉條紋隨時間的變化過程就可以計算運動物體速度隨時間的變化過程。對于速度干涉儀，被測物體運動速度U (t)與測速裝置輸出的干涉條紋總數N(t)在數學上滿足u(t) =N(t)Fv，其中Fv為速度干涉儀的條紋常數，在計算運動物體的速度剖面時，沒有微分計算過程，因此其速度測量精度高于位移干涉儀，并且對于同一速度值，條紋常數Fv越小，條紋數N (t)就越多，則速度測量精度就越高，這樣就可以精細分辨速度剖面的細節(jié)。但速度干涉儀存在以下不足，首先，傳統(tǒng)的速度干涉儀是由反射鏡、透鏡、標準具組成，條紋常數越小，光路延遲時間就越大，需要的光程差就越大，測速裝置的抗振動性就越差；其次，速度干涉儀輸出條紋信號頻率與運動物體加速度成正比，由于在強沖擊加載下，運動物體的速度跳變前沿只有幾個皮秒，若速度干涉儀在速度跳變前沿只輸出一個干涉條紋，則對應的條紋頻率將達到上百GHz，這意味著數字示波器的記錄帶寬需要達到上百GHz才能使測速裝置不發(fā)生干涉條紋丟失，目前沒有如此高帶寬的數字示波器，這是速度干涉儀經常發(fā)生條紋丟失的重要原因，需要根據預估速度峰值在干涉信號計算結果中補加丟失的條紋數量。與此相比，位移干涉儀直接測量位移的變化，位移干涉儀的輸出條紋頻率僅與被測物體速度相關，而與運動物體加速度無關，只要運動物體速度峰值對應的干涉條紋頻率小于數字示波器的測量帶寬，總可以通過位移干涉儀完整記錄下被測物體的運動速度歷史。 綜上所述，位移干涉儀不存在干涉條紋丟失，能夠測量運動物體在沖擊波或爆轟波作用下的速度跳變前沿，但需要13GHz以上超高帶寬數字示波器才能實現(xiàn)lOkm/s以上超高速度測量；對于速度干涉儀，速度分辨率高，但難以實現(xiàn)較小的條紋常數，儀器抗振動性能差，需要根據預估速度峰值在干涉信號計算結果中補加丟失的條紋數量。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術所要解決的技術問題是:由于在對傳統(tǒng)位移干涉信號進行處理獲取速度信息時，需要對位移變化歷史對時間進行微分而得到速度變化歷史，位移測量結果中的噪聲將在微分過程被進一步放大，因此最終降低了速度計算結果的分辨率；而采用速度干涉儀時，由于速度干涉儀的輸出干涉信號頻率與被測物體加速度成正比，加速度越大，則干涉信號頻率越高，當測量強沖擊波和爆轟波作用下的瞬態(tài)過程運動物體速度時，其加速度可達到1014m/s2，這時速度干涉儀的輸出干涉信號頻率可達到111Hz,遠遠超出了目前光電轉換記錄系統(tǒng)的測量帶寬，這種情況下速度干涉儀的輸出干涉條紋將不能被記錄，即產生條紋丟失，需要根據預估的速度峰值計算出丟失的干涉條紋個數，然后在干涉信號中將丟失的條紋補上；針對現(xiàn)有技術的不足，本專利技術提供一種同時具有速度干涉模式和位移干涉模式、可超高速運動物體測量裝置及方法，能夠高分辨率地測量超高速運動物體速度隨時間的變化歷史，測速精度優(yōu)于I %，無需高帶寬數字示波器，也無需預估速度峰值。該裝置具有這些優(yōu)點是因為速度干涉儀的輸出干涉條紋頻率只與被測物體運動加速度成正比，與速度大小沒有關系，只要加速度不大，都可以采用速度干涉儀測量超高速度，速度干涉儀是直接對干涉條紋個數進行積分得到速度值，不存在微分過程，因此速度分辨率高，但在加速度較大的時候，速度干涉儀丟失干涉條紋，這時需采用位移干涉儀進行測量；位移干涉儀的輸出干涉條紋頻率只與被測物體運動速度成正比，與加速度沒有關系，因此只要速度不大，不管加速度多高，都可以用位移干涉儀進行測量。 本專利技術采用的技術方案如下: 一種雙模式超高速運動物體運動速度測量裝置包括:光發(fā)射與接收模塊、速度干涉模塊、位移干涉模塊、示波器、信號處理計算機； 光發(fā)射與接收處理模塊，用于提供測量運動物體速度的參考光和探測光，并使得從運動物體表面反射回的信號光強度穩(wěn)定；然后再將探測光分成兩路分束光輸出，其中一路分束光輸入到位移干涉模塊、另一路分束光輸入到速度干涉模塊； 速度干涉模塊，通過光纖延遲線對光發(fā)射與接收處理模塊輸出的另一路分束光進行時間延遲，使得在不同時刻被運動物體反射回的另一路分束光在正交相位光纖耦合器中干涉，并獲得依次具有H /2相位差的4路干涉信號；并將4路干涉信號轉換為對應的電信號; 位移干涉模塊，用于將光發(fā)射與接收處理模塊輸出的參考光以及從運動物體反射回的一路分束光進行干涉，并將與干涉信號對應的電信號與來自于微波源的信號進行混頻，混頻信號由示波器記錄。 示波器，用于記錄與速度干涉模塊輸出的4路干涉信號相對應的電信號，同時記錄位移干涉模塊輸出的混頻信號； 信號處理計算機，用于處理示波器記錄的速度干涉模塊和位移干涉模塊輸出的信號，獲得運動物體速度隨時間的變化歷史。本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種雙模式超高速運動物體運動速度測量裝置，其特征在于包括：光發(fā)射與接收模塊、速度干涉模塊、位移干涉模塊、示波器、信號處理計算機；光發(fā)射與接收處理模塊，用于提供測量運動物體速度的參考光和探測光，并使得從運動物體表面反射回的信號光強度穩(wěn)定；然后再將反射回的信號光分成兩路分束光輸出，其中一路分束光輸入到位移干涉模塊、另一路分束光輸入到速度干涉模塊；速度干涉模塊，通過光纖延遲線對光發(fā)射與接收處理模塊輸出的另一路分束光進行時間延遲，使得在不同時刻被運動物體反射回的另一路分束光在正交相位光纖耦合器中干涉，并獲得依次具有π/2相位差的4路干涉信號；并將4路干涉信號轉換為對應的電信號；位移干涉模塊，用于將光發(fā)射與接收處理模塊輸出的參考光以及從運動物體反射回的一路分束光進行干涉，并將與干涉信號對應的電信號與來自于微波源的信號進行混頻，混頻信號由示波器記錄；示波器，用于記錄與速度干涉模塊輸出的4路干涉信號相對應的電信號，同時記錄位移干涉模塊輸出的混頻信號；信號處理計算機，用于處理示波器記錄的速度干涉模塊和位移干涉模塊輸出的信號，獲得運動物體速度隨時間的變化歷史；其中所述光發(fā)射與接收處理模塊包括光發(fā)射與接收模塊、第一光纖分束器、第二光纖分束器，所述光發(fā)射與接收模塊包括激光器、光纖隔離器、雙光纖探頭、動態(tài)飽和光纖放大器；激光器輸出的激光經過光纖隔離器后，由第一光纖分束器進行分束，產生一路參考光與一路探測光；所述探測光通過雙光纖探頭的一個尾纖輸入雙光纖探頭，從雙光纖探頭出射的激光直接照射到運動物體的表面上，從運動物體表面反射回的信號光被雙光纖探頭接收，并通過雙光纖探頭另一尾纖將反射回的信號光輸入至動態(tài)飽和光纖放大器進行放大處理并獲得穩(wěn)定的光強輸出，從動態(tài)飽和光纖放大器輸出的信號光傳輸出至第二光纖分束器的輸入端，第二光纖分束器將反射回的信號光分成兩路分束光分別輸出；其中一路分束光經光纖合束器的一個端口輸入到位移干涉模塊中，另一路分束光經光纖分束器的輸入端輸入到速度干涉模塊中；其中光纖分束器的一個輸出端口作為光發(fā)射與接收處理模塊的第一輸出端口，第二光纖分束器的一路分束光輸出端口作為光發(fā)射與接收處理模塊的第二輸出端口，第二光纖分束器的另一路分束光輸出端口作為光發(fā)射與接收處理模塊的第三輸出端口。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：翁繼東，王翔，陶天炯，王為，馬鶴立，劉盛剛，陳宏，戴誠達，劉倉理，吳強，譚華，李劍峰，蔡靈倉，葉素華，汪小松，賈路峰，
申請(專利權)人：中國工程物理研究院流體物理研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：四川;51
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