本发明专利技术涉及一种高速光学测速装置，包括供电模块、信号捕捉模块、噪声抑制模块、信号调理模块、信号采集存储模块以及电磁屏蔽模块；信号捕捉模块包括光学镜头和感光阵列，感光阵列与噪声抑制模块电性连接；信号调理模块实现弱电信号的放大，继而驱动后续的采集存储模块，实现波形的数字化和存储；供电模块包含小型变压器及稳压单元，用于向感光阵列单元、信号调理模块及信号采集存储模块提供稳定独立的低纹波电源；电磁屏蔽模块用于消除装置应用环境中的电磁噪声。本测量装置体积小、成本低、时间分辨率高（优于40ns），可广泛应用于闪电等瞬变光脉冲信号的时域测量和高速运动物体的速度测量。
【技术实现步骤摘要】
本测量装置体积小、成本低、时间分辨率高(优于40ns)，涉及雷电观测，并可广泛 应用于瞬变光脉冲信号的时域测量和高速运动物体(通过涂抹荧光粉等光反射材料）的速 度测量。
技术介绍
当前，雷电先导-回击过程的研究非常广泛，但由于其中的部分过程大都出现在 亚微秒尺度，采用常规的技术手段无法充分捕捉其细节特性，使得对地面目标附近局部放 电过程的深入探讨仍有缺失。虽然利用高速摄像机可以有效地捕捉此过程，但对于速度为 10 7m/s量级的直窜先导过程和108m/s量级的回击过程，高速摄像机的时间分辨率限制了 对地闪直窜先导过程和回击过程的细致观测以及更进一步的研究。与高速摄像相比，高灵 敏度的光电二极管阵列不仅可以对雷电的起始过程以及先导-回击过程进行捕捉，且具有 更高的时间分辨率，可以分析回击电流的上升时间等特征，进而可以对雷电物理机制进行 更为深刻的分析，成本也较低；更重要的是，优于s时间分辨率的高速摄像机是西方国 家对我国的禁运产品，因此研制高速光学测速装置的需求更为迫切。目前，集供电模块、信 号捕捉模块、噪声抑制模块、信号调理模块、信号采集存储模块以及电磁屏蔽模块于一体的 高速光学测速装置，未见报道。本专利技术涉及的高速光学测速装置时间分辨率优于40ns，观 测结果稳定可靠。此外，测量装置的数据存储能力可以适应野外观测的需求，对于雷电先 导-回击连接过程以及其它瞬变光脉冲信号细节特征的研究有积极意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高速光学测速装置，该测速装置可应用于闪电等瞬变光 脉冲信号的时域测量和高速运动物体的速度测量，并可将采集的光信号存储于本地；供电 模块、噪声抑制模块、信号调理模块以及电磁屏蔽模块等的应用确保了其稳定可靠的运行。 本专利技术的目的可通过如下措施来实现： 一种高速光学测速装置包括供电模块、信号捕捉模块、噪声抑制模块、信号调理模块、 信号采集存储模块以及电磁屏蔽模块； 供电模块包含双输出的小型变压器及双输出的稳压单兀用于向感光阵列单兀、信号调 理模块及信号采集存储模块提供稳定独立的低纹波电源； 信号捕捉模块包含光学镜头及感光阵列，光信号通过镜头被感光阵列分别捕捉，经由 噪声抑制模块去噪后引出短信号线电性接入信号调理模块； 信号调理模块主要包含一个由宽带运算放大器和电阻、电容构成的T型反馈网络互阻 抗放大电路，对输入的弱电信号进行放大，作为信号采集模块的驱动信号。运放同相输入端 接地，反向输入端连接噪声抑制模块。运放的同相输入端接地，为反向输入端提供了理想的 "虚地"，使得信号调理模块对感光阵列为零阻抗负载，提高了其响应速度。此外，运放的"虚 断"特性又使得输入信号通过T型反馈网络流向输出端，得到正比于T型网络等效反馈阻 抗和被测光信号乘积的电压输出。采用T型反馈网络的优点在于：远距离的被测光信号较 弱，致使信号捕捉模块的输出幅度很小，为了增加输出的幅度，通常需要增大感光器件的面 积和高阻值的转换电阻，然而这种组合却会降低感光器件的偏移、带宽以及稳定性。而且， 电流-电压转换器通常会由一个类似于并联L-C电路的输入电路引起双极反应，导致电路 输出不稳定，需进行相位补偿，而精确的相位补偿，需要精确地控制较小的反馈电容。一般 而言，高增益要求的反馈电阻会使最优的反馈电容取值微小，进而导致寄生电容可以明显 的改变相位补偿结果。即使电路电容的冗余可使反馈电容进行调谐，但同时会引入互寄生 电容，使小反馈电容值情况更为复杂。而利用较小阻值的T型网络替换电流-电压转换应 用中的髙阻值电阻可以减小偏移，并使补偿电容增大进而降低对寄生效应的敏感性； 信号采集存储模块用于数据的记录保存，可采用同轴电缆连接置于室内，也可将微处 理器集成于信号调理模块，更高的集成化程度使得后者更适于野外观测； 电磁屏蔽模块构建了信号捕捉模块、噪声抑制模块、信号调理模块以及信号采集存储 模块的小型屏蔽室，用以屏蔽空间中的电磁干扰，提高信号采集的可靠性及准确性。 本专利技术相比现有技术具有如下优点： 1、 设计了可用于闪电等瞬变光脉冲信号的时域测量以及高速运动物体速度测量的装 置； 2、 T型反馈网络的应用确保了该装置信号调理模块的高效运行，为信号采集存储模块 提供可靠的驱动信号； 3、 噪声抑制模块、电磁屏蔽模块确保了该装置的抗干扰性； 4、 该装置时间分辨率高，利于研究被测光脉冲信号的细节特征，且设备结构简单、紧 凑，易于进行野外观测。【附图说明】 图1是本专利技术的系统结构组成框图； 1 一连接导线2-连接导线3-同轴电缆4一电磁屏蔽模块 图2是本专利技术的信号调理模块的一种设计原理图； 图3是本专利技术的供电模块的构成示意图； 5-小型变压器 图4是本专利技术的信号采集存储模块的实施方式示意图； 图5是本专利技术的信号捕捉模块示意图； A 光脉冲"[目号步进的空间_度差匕h一感光器件的_度差d-光脉冲/[目号所在 垂直平面与镜头平面间的水平距离/ 一镜头焦距 图6是本专利技术的光信号上升时间及速度测量原理图。 4-上升时间5；-信号采集存储模块记录的感光器件1捕捉的正比于光强度的 电信号$-信号采集存储模块记录的感光器件2捕捉的正比于光强度的电信号 ^一感 光器件1捕捉的电信号上升到最大值所对应的时刻-感光器件2捕捉的电信号上升到 最大值所对应的时刻【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术提出的高速光学测速装置进行说明： 高速光学测速装置构成框图参见图1，光信号经镜头被感光阵列捕捉，通过导线1连接 至噪声抑制模块，去除背景噪声后经导线2连接至信号调理模块，T型互阻抗放大电路将该 感光阵列的输出信号放大，转换为正比于接收光强度的输出电压并通过同轴电缆3进入信 号采集存储模块。由供电单元经稳压输出对测量装置的信号捕捉模块、信号调理模块和信 号采集存储模块统一供电；同时信号捕捉模块、噪声抑制模块、信号调理模块以及稳压单元 置于电磁屏蔽模块构建的屏蔽室内。 所述的信号调理模块的原理图参见图2。图2中的0P运放同相输入端接地，反向 输入端连接导线2。由图2中可知，T型网络的等效反馈电阻7^可表示为【主权项】1. 一种高速光学测速装置，其特征在于，包括：供电模块、信号捕捉模块、噪声抑制模 块、信号调理模块、信号采集存储模块以及电磁屏蔽模块；信号捕捉模块用于接收光信号并 转化为电信号，电信号经噪声抑制模块去除背景噪声后电性连接至信号调理模块产生采集 存储模块的驱动信号；供电模块用于向信号捕捉模块、信号调理模块和信号采集存储模块 提供稳定独立的低纹波电源；电磁屏蔽模块用于消除装置应用环境中的电磁噪声。2. 如权利要求1所述的一种高速光学测速装置，特征在于，其供电模块包含双输出的 稳压单元用于向信号捕捉模块、信号调理模块及信号采集存储模块提供稳定独立的低纹波 电源。3. 如权利要求1所述的一种高速光学测速装置，特征在于，其信号捕捉模块包含光学 镜头及高速光电二极管阵列，可将捕捉的光信号转换为电信号，便于后续处理。4. 如权利要求1所述的一种高速光学测速装置，特征在于，其噪声抑制模块用于消除 电源线、环境光等对所测信号的影响，屏蔽背景噪声，为信号调理模块提供稳定可靠的输入 信号。5. 如权利要求1所述的一种高速光学测速装置，特征在于，其信号本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高速光学测速装置，其特征在于，包括：供电模块、信号捕捉模块、噪声抑制模块、信号调理模块、信号采集存储模块以及电磁屏蔽模块；信号捕捉模块用于接收光信号并转化为电信号，电信号经噪声抑制模块去除背景噪声后电性连接至信号调理模块产生采集存储模块的驱动信号；供电模块用于向信号捕捉模块、信号调理模块和信号采集存储模块提供稳定独立的低纹波电源；电磁屏蔽模块用于消除装置应用环境中的电磁噪声。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张琪，邱实，李炎新，石立华，江志东，黄正宇，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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