一种双模式、超高速运动物体运动速度测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于激光干涉测速装置领域，尤其是一种双模式、超高速运动物体速度测量装置及方法。现有的位移干涉仪在测量10km/s以上超高速度时，需要12GHz以上带宽的示波器才能完整记录干涉信号；现有的速度干涉仪在测量高加速度过程中会出现干涉条纹丢失的现象。本发明专利技术能够高分辨率地测量10km/s以上超高速运动物体速度随时间的变化历史，采用了全光纤结构，系统紧凑、免调试，使用方便。本发明专利技术光发射与接收处理模块分别与位移干涉模块的光纤合束器输入端、速度干涉模块第三光纤分束器输入端连接，位移干涉模块的微波混频器输出端、速度干涉模块的光电探测器输出端分别对应与示波器输入端连接，示波器输出端与信号处理计算机连接。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于激光干涉测速装置领域，尤其是一种双模式、超高速运动物体速度测量装置及方法。现有的位移干涉仪在测量10km/s以上超高速度时，需要12GHz以上带宽的示波器才能完整记录干涉信号；现有的速度干涉仪在测量高加速度过程中会出现干涉条纹丢失的现象。本专利技术能够高分辨率地测量10km/s以上超高速运动物体速度随时间的变化历史，采用了全光纤结构，系统紧凑、免调试，使用方便。本专利技术光发射与接收处理模块分别与位移干涉模块的光纤合束器输入端、速度干涉模块第三光纤分束器输入端连接，位移干涉模块的微波混频器输出端、速度干涉模块的光电探测器输出端分别对应与示波器输入端连接，示波器输出端与信号处理计算机连接。【专利说明】
本专利技术属于激光干涉测速装置领域，尤其是一种双模式、超高速度运动物体运动速度测量装置及方法。
技术介绍
在冲击波物理和爆轰物理实验中，目前常采用基于位移干涉模式的全光纤激光位移干涉装置(以下简称为位移干涉仪)和基于速度干涉模式的激光速度干涉装置(以下简称为速度干涉仪)测量高速运动物体的运动速度随时间的变化历史(以下简称为速度剖面)。这两类测速装置存在以下不足: (一 )对于位移干涉仪，其工作机制如下:激光器的出射光波照射在运动物体表面，反射激光因多普勒(Doppler)效应而产生微小的频率变化，将反射激光和激光器本征激光合束发生差拍干涉，通过光电探测器和示波器记录差拍频率变化过程，从而能够连续测试运动物体表面(或者内部粒子)位移、速度和加速度的变化过程，根据位移干涉仪工作原理，对于工作波长为1550nm的位移干涉装置，其输出条纹信号频率f(t)与被测速度u(t)在数学上满足f(t) = 1.29u(t),其中f (t)的单位为GHz,u (t)的单位为km/s,被测速度越大，输出信号频率则越高，需要的记录系统带宽就越高，因此记录系统带宽就直接决定了被测速度的上限，即使采用国际上较高带宽的数字存储示波器(一般小于12GHz带宽)作为信号记录设备，位移干涉仪目前能达到的速度测量上限也只有9km/s。另外位移干涉仪是通过对干涉条纹进行积分首先得到位移测量结果S (t)，然后对位移测量结果进行微分而得到运动速度u(t)，即u(t) = dS(t)/dt，微分过程不免产生噪声，影响了位移干涉仪的速度分辨力。 ( 二 )对于速度干涉仪，其工作机制如下:激光器的出射光波照射在运动物体表面，反射激光因多普勒效应而产生微小的频率变化，将反射激光分成两束分别经两支不同延迟时间τ的光路后再合束形成干涉条纹，通过探测干涉条纹随时间的变化过程就可以计算运动物体速度随时间的变化过程。对于速度干涉仪，被测物体运动速度U (t)与测速装置输出的干涉条纹总数N(t)在数学上满足u(t) =N(t)Fv，其中Fv为速度干涉仪的条纹常数，在计算运动物体的速度剖面时，没有微分计算过程，因此其速度测量精度高于位移干涉仪，并且对于同一速度值，条纹常数Fv越小，条纹数N (t)就越多，则速度测量精度就越高，这样就可以精细分辨速度剖面的细节。但速度干涉仪存在以下不足，首先，传统的速度干涉仪是由反射镜、透镜、标准具组成，条纹常数越小，光路延迟时间就越大，需要的光程差就越大，测速装置的抗振动性就越差；其次，速度干涉仪输出条纹信号频率与运动物体加速度成正比，由于在强冲击加载下，运动物体的速度跳变前沿只有几个皮秒，若速度干涉仪在速度跳变前沿只输出一个干涉条纹，则对应的条纹频率将达到上百GHz，这意味着数字示波器的记录带宽需要达到上百GHz才能使测速装置不发生干涉条纹丢失，目前没有如此高带宽的数字示波器，这是速度干涉仪经常发生条纹丢失的重要原因，需要根据预估速度峰值在干涉信号计算结果中补加丢失的条纹数量。与此相比，位移干涉仪直接测量位移的变化，位移干涉仪的输出条纹频率仅与被测物体速度相关，而与运动物体加速度无关，只要运动物体速度峰值对应的干涉条纹频率小于数字示波器的测量带宽，总可以通过位移干涉仪完整记录下被测物体的运动速度历史。 综上所述，位移干涉仪不存在干涉条纹丢失，能够测量运动物体在冲击波或爆轰波作用下的速度跳变前沿，但需要13GHz以上超高带宽数字示波器才能实现lOkm/s以上超高速度测量；对于速度干涉仪，速度分辨率高，但难以实现较小的条纹常数，仪器抗振动性能差，需要根据预估速度峰值在干涉信号计算结果中补加丢失的条纹数量。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是:由于在对传统位移干涉信号进行处理获取速度信息时，需要对位移变化历史对时间进行微分而得到速度变化历史，位移测量结果中的噪声将在微分过程被进一步放大，因此最终降低了速度计算结果的分辨率；而采用速度干涉仪时，由于速度干涉仪的输出干涉信号频率与被测物体加速度成正比，加速度越大，则干涉信号频率越高，当测量强冲击波和爆轰波作用下的瞬态过程运动物体速度时，其加速度可达到1014m/s2，这时速度干涉仪的输出干涉信号频率可达到111Hz,远远超出了目前光电转换记录系统的测量带宽，这种情况下速度干涉仪的输出干涉条纹将不能被记录，即产生条纹丢失，需要根据预估的速度峰值计算出丢失的干涉条纹个数，然后在干涉信号中将丢失的条纹补上；针对现有技术的不足，本专利技术提供一种同时具有速度干涉模式和位移干涉模式、可超高速运动物体测量装置及方法，能够高分辨率地测量超高速运动物体速度随时间的变化历史，测速精度优于I %，无需高带宽数字示波器，也无需预估速度峰值。该装置具有这些优点是因为速度干涉仪的输出干涉条纹频率只与被测物体运动加速度成正比，与速度大小没有关系，只要加速度不大，都可以采用速度干涉仪测量超高速度，速度干涉仪是直接对干涉条纹个数进行积分得到速度值，不存在微分过程，因此速度分辨率高，但在加速度较大的时候，速度干涉仪丢失干涉条纹，这时需采用位移干涉仪进行测量；位移干涉仪的输出干涉条纹频率只与被测物体运动速度成正比，与加速度没有关系，因此只要速度不大，不管加速度多高，都可以用位移干涉仪进行测量。 本专利技术采用的技术方案如下: 一种双模式超高速运动物体运动速度测量装置包括:光发射与接收模块、速度干涉模块、位移干涉模块、示波器、信号处理计算机； 光发射与接收处理模块，用于提供测量运动物体速度的参考光和探测光，并使得从运动物体表面反射回的信号光强度稳定；然后再将探测光分成两路分束光输出，其中一路分束光输入到位移干涉模块、另一路分束光输入到速度干涉模块； 速度干涉模块，通过光纤延迟线对光发射与接收处理模块输出的另一路分束光进行时间延迟，使得在不同时刻被运动物体反射回的另一路分束光在正交相位光纤耦合器中干涉，并获得依次具有H /2相位差的4路干涉信号；并将4路干涉信号转换为对应的电信号; 位移干涉模块，用于将光发射与接收处理模块输出的参考光以及从运动物体反射回的一路分束光进行干涉，并将与干涉信号对应的电信号与来自于微波源的信号进行混频，混频信号由示波器记录。 示波器，用于记录与速度干涉模块输出的4路干涉信号相对应的电信号，同时记录位移干涉模块输出的混频信号； 信号处理计算机，用于处理示波器记录的速度干涉模块和位移干涉模块输出的信号，获得运动物体速度随时间的变化历史。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双模式超高速运动物体运动速度测量装置，其特征在于包括：光发射与接收模块、速度干涉模块、位移干涉模块、示波器、信号处理计算机；光发射与接收处理模块，用于提供测量运动物体速度的参考光和探测光，并使得从运动物体表面反射回的信号光强度稳定；然后再将反射回的信号光分成两路分束光输出，其中一路分束光输入到位移干涉模块、另一路分束光输入到速度干涉模块；速度干涉模块，通过光纤延迟线对光发射与接收处理模块输出的另一路分束光进行时间延迟，使得在不同时刻被运动物体反射回的另一路分束光在正交相位光纤耦合器中干涉，并获得依次具有π/2相位差的4路干涉信号；并将4路干涉信号转换为对应的电信号；位移干涉模块，用于将光发射与接收处理模块输出的参考光以及从运动物体反射回的一路分束光进行干涉，并将与干涉信号对应的电信号与来自于微波源的信号进行混频，混频信号由示波器记录；示波器，用于记录与速度干涉模块输出的4路干涉信号相对应的电信号，同时记录位移干涉模块输出的混频信号；信号处理计算机，用于处理示波器记录的速度干涉模块和位移干涉模块输出的信号，获得运动物体速度随时间的变化历史；其中所述光发射与接收处理模块包括光发射与接收模块、第一光纤分束器、第二光纤分束器，所述光发射与接收模块包括激光器、光纤隔离器、双光纤探头、动态饱和光纤放大器；激光器输出的激光经过光纤隔离器后，由第一光纤分束器进行分束，产生一路参考光与一路探测光；所述探测光通过双光纤探头的一个尾纤输入双光纤探头，从双光纤探头出射的激光直接照射到运动物体的表面上，从运动物体表面反射回的信号光被双光纤探头接收，并通过双光纤探头另一尾纤将反射回的信号光输入至动态饱和光纤放大器进行放大处理并获得稳定的光强输出，从动态饱和光纤放大器输出的信号光传输出至第二光纤分束器的输入端，第二光纤分束器将反射回的信号光分成两路分束光分别输出；其中一路分束光经光纤合束器的一个端口输入到位移干涉模块中，另一路分束光经光纤分束器的输入端输入到速度干涉模块中；其中光纤分束器的一个输出端口作为光发射与接收处理模块的第一输出端口，第二光纤分束器的一路分束光输出端口作为光发射与接收处理模块的第二输出端口，第二光纤分束器的另一路分束光输出端口作为光发射与接收处理模块的第三输出端口。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：翁继东，王翔，陶天炯，王为，马鹤立，刘盛刚，陈宏，戴诚达，刘仓理，吴强，谭华，李剑峰，蔡灵仓，叶素华，汪小松，贾路峰，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51