基于空间分辨的飞片速度场测量系统及姿态动态表征方法技术方案

本发明专利技术公开了基于空间分辨的飞片速度场测量系统及姿态动态表征方法，显微PDV测速探头将多点PDV测速主机出射的激光按预设测点分布穿过透明窗口后投射到飞片表面；显微PDV测速探头收集飞片表面不同测点位置的返回光；多点PDV测速主机产生与飞片运动导致的多普勒频移相对应的光学干涉信号，将光学干涉信号转换成相对应的高频电信号；高宽带数字示波器用于记录多点PDV测速主机输出的高频电信号；数据处理装置用于对电信号进行解析处理，得到不同测点的飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口的界面粒子速度历程。本发明专利技术能够同时实现飞片自由面速度及界面粒子速度历程精确测量，实现飞片姿态的连续时间分辨表征。片姿态的连续时间分辨表征。片姿态的连续时间分辨表征。

【技术实现步骤摘要】
基于空间分辨的飞片速度场测量系统及姿态动态表征方法


[0001]本专利技术属于火工品性能测试
，具体涉及一种基于空间分辨的飞片速度场测量系统及姿态动态表征方法。

技术介绍

[0002]冲击片雷管最早由美国劳伦斯
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利弗摩尔国家实验室的科研人员Stroud在1976年提出，用桥箔电爆炸驱动飞片起爆低感度炸药，具有对电磁干扰不敏感、可以提供精确时序以及输出稳定压力的优点，因此在军事领域、航空航天、石油、采矿等行业有着非常广泛应用。冲击片雷管能量传递及作用过程主要包含三个紧密联系的阶段：金属桥箔电爆炸、电爆炸等离子体驱动飞片加速和飞片冲击起爆始发药。飞片撞击始发药的姿态（完整性、平面性）、动能（速度场、厚度场分布）是最关键的物理量，它受之前放电回路、桥箔、飞片和炮膛等诸多因素的耦合影响，又决定着是否能够可靠激发始发药，进而引爆后续爆轰序列。为了实现对冲击片雷管的性能表征和优化设计，必须对动作全过程中的飞片姿态进行诊断。由于冲击片雷管尺寸较小（炮膛直径约400
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1000 μm，炮膛长度约200
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1000 μm），动作时间极短（约200
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500 ns），且电爆炸驱动过程复杂，如何表征飞片姿态一直以来都是个难题。
[0003]早在1989年，美国LLNL国家实验室的Boberg.R.E就采用扫描相机记录冲击片雷管飞片撞击有机玻璃表面发光时刻来评估飞片的形状。2017年英国AWE实验室的科研人员采用可见光高速摄影技术从迎着飞片运动方向和垂直于飞片运动方向的两个方向进行拍摄飞片形貌及姿态，受限于高速相机5 ns曝光时间导致的动态模糊，以及可见光有限的穿透能力不能区分桥箔电爆炸的等离子和飞片，未能给出定量的飞片速度及姿态定量数据。基于同步辐射源的X光照相技术的进步，使得更好的研究冲击片雷管的飞行过程成为可能。2016年在美国Argonne国家实验室的先进光子源（APS）装置上，科研人员采用具有相对较强穿透能力的X光相衬计算机层析成像技术，首次获得了4个时刻的冲击片雷管飞行过程的飞片弯曲、破裂与拉伸的2D和3D动态图像。X光成像技术是目前在冲击片雷管飞片姿态诊断领域较为成功的技术，其优点是图像直观，以投影成像的方式在一定程度上获得多个时刻的飞片的姿态信息，缺点是这种技术是线积分投影的，在单方向诊断虽然空间分辨较高，但是沿着投影方向信息是重叠在一起的，而如果采用多角度投影并结合计算机层析技术进行三维重建，则对X光源、X光分幅相机等硬件要求极高，否则难以获得高分辨的位置Z(x，y，t)和厚度h(x，y，t)三维数据，另外成像技术只能得到多个时刻飞片的平均速度，无法实现飞片速度历程的连续高精度的测量，对于后续评估飞片撞击始发药的性能是极其不利的。
[0004]因此迫切需要发展一种飞片姿态性能动态表征技术，即能够实现飞片姿态定量表征，又具有较高的经济性，服务于冲击片雷管动作过程性能表征，进而满足冲击片雷管动作机理研究、裕度评估及优化设计的需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于空间分辨的飞片速度场测量系统，能够同时实现飞片自由
面速度及界面粒子速度历程精确测量，进而实现飞片完整性、平面性、以及厚度等姿态的连续时间分辨表征。
[0006]本专利技术通过下述技术方案实现：基于空间分辨的飞片速度场测量系统，包括透明窗口、显微PDV测速探头、多点PDV测速主机、高宽带数字示波器和数据处理装置；所述透明窗口安装于冲击片雷管组件的炮膛出口处；所述显微PDV测速探头将所述多点PDV测速主机出射的激光按预设测点分布穿过所述透明窗口后投射到炮膛内的飞片表面；所述显微PDV测速探头收集飞片表面不同测点位置的返回光并传输给所述多点PDV测速主机；所述多点PDV测速主机产生与飞片运动导致的多普勒频移相对应的光学干涉信号，将光学干涉信号转换成相对应的高频电信号并将其传输给所述高宽带数字示波器；所述多点PDV测速主机具有匹配所述显微PDV测速探头测点数的测量通道；所述高宽带数字示波器用于记录所述多点PDV测速主机输出的高频电信号；所述数据处理装置用于对所述高宽带数字示波器记录的高频电信号进行解析处理，得到不同测点的飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口的界面粒子速度历程以进行飞片姿态表征。
[0007]优选的，本专利技术的透明窗口采用氟化锂、有机玻璃或蓝宝石加工而成。
[0008]优选的，本专利技术的显微PDV测速探头在0.45 mm
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0.60 mm炮膛直径内布置7
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81个测点，且测点分布要求在炮膛高度范围内不重叠。
[0009]优选的，本专利技术的显微PDV测速探头采用基于透镜阵列的非成像方式或基于单个镜头或者镜头组的成像方式。
[0010]优选的，本专利技术的透明窗口采用氟化锂窗口，窗口厚度为毫米量级，双面镀增透膜。
[0011]优选的，本专利技术的显微PDV测速探头采用紧凑型光纤阵列探头，共分布19个测点，该19个测点能够覆盖桥箔的特征区域。
[0012]优选的，本专利技术的高宽带数字示波器满足所述PDV测速主机测量飞片撞击前速度的带宽和采样率要求。
[0013]第二方面，本专利技术提出了一种飞片姿态动态表征方法，包括：采用本专利技术所述的飞片速度场测量系统同时测量得到不同空间位置的飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口界面粒子速度历程；对不同空间位置的飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口界面粒子速度历程进行时间、空间关联解析，即可得到飞片的姿态信息。
[0014]优选的，本专利技术的对不同空间位置的飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口界面粒子速度历程进行时间、空间关联解析具体包括：根据飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口界面粒子速度历程得到自由面速度、界面粒子速度、撞击时刻、撞击脉冲宽度；根据不同空间位置处测点信号的有无来表征飞片的完整性；根据不同空间位置处飞片撞击透明窗口的时间差来表征飞片的平面性；
根据每个空间位置处的脉冲宽度计算得到此空间位置处的飞片厚度；根据多个不同空间位置处飞片撞击透明窗口的脉冲宽度来表征不同空间位置处飞片厚度的相对差异。
[0015]优选的，本专利技术的方法还包括：根据飞片的完整性、平面性、飞片厚度、飞片厚度的相对差异重构飞片撞击透明窗口时的三维姿态。
[0016]本专利技术具有如下的优点和有益效果：相较于X光成像技术相对直观但不够定量的诊断方式，本专利技术采用显微PDV测速探头进行空间分辨的速度场测量，采用透明窗口作为目标，可同时实现飞片自由面速度及界面粒子速度历程精确测量，进而得到界面粒子速度起跳时间、界面粒子速度大小及撞击脉冲宽度，从而表征飞片撞击时刻、飞片撞击压力、飞片撞击脉冲宽度等关键物理量信息。
[0017]相较于X光成像技术，本专利技术的实验成本低、周期短。
[0018]本专利技术基于空间分辨的自由面速度和界面粒子速度历程测量结果的分析解读，实现飞片完整性、平面性、以及厚度的连续时间分辨表征，进而实现冲击片雷管飞片姿态真正意义上的三维的、定量的表征。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于空间分辨的飞片速度场测量系统，其特征在于，包括透明窗口、显微PDV测速探头、多点PDV测速主机、高宽带数字示波器和数据处理装置；所述透明窗口安装于冲击片雷管组件的炮膛出口处；所述显微PDV测速探头将所述多点PDV测速主机出射的激光按预设测点分布穿过所述透明窗口后投射到炮膛内的飞片表面；所述显微PDV测速探头收集飞片表面不同测点位置的返回光并传输给所述多点PDV测速主机；所述多点PDV测速主机产生与飞片运动导致的多普勒频移相对应的光学干涉信号，将光学干涉信号转换成相对应的高频电信号并将其传输给所述高宽带数字示波器；所述多点PDV测速主机具有匹配所述显微PDV测速探头测点数的测量通道；所述高宽带数字示波器用于记录所述多点PDV测速主机输出的高频电信号；所述数据处理装置用于对所述高宽带数字示波器记录的高频电信号进行解析处理，得到不同测点的飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口的界面粒子速度历程以进行飞片姿态表征。2.根据权利要求1所述的基于空间分辨的飞片速度场测量系统，其特征在于，所述透明窗口采用氟化锂、有机玻璃或蓝宝石加工而成。3.根据权利要求1所述的基于空间分辨的飞片速度场测量系统，其特征在于，所述显微PDV测速探头在0.45 mm
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0.60 mm炮膛直径内布置7
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81个测点，且测点分布要求在炮膛高度范围内不重叠。4.根据权利要求1所述的基于空间分辨的飞片速度场测量系统，其特征在于，所述显微PDV测速探头采用基于透镜阵列的非成像方式或基于单个镜头或者镜头组的成像方式。5.根据权利要求1所述的基于空间分辨的飞片速度场测量系统，其特征在于，所述透明窗口...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘寿先，李建中，赵新才，叶雁，雷江波，刘俊，袁树云，王荣波，朱礼国，
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：