一種雙模式、超高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于激光干涉測(cè)速裝置領(lǐng)域，尤其是一種雙模式、超高速運(yùn)動(dòng)物體速度測(cè)量裝置及方法?，F(xiàn)有的位移干涉儀在測(cè)量10km/s以上超高速度時(shí)，需要12GHz以上帶寬的示波器才能完整記錄干涉信號(hào)；現(xiàn)有的速度干涉儀在測(cè)量高加速度過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)干涉條紋丟失的現(xiàn)象。本發(fā)明能夠高分辨率地測(cè)量10km/s以上超高速運(yùn)動(dòng)物體速度隨時(shí)間的變化歷史，采用了全光纖結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)緊湊、免調(diào)試，使用方便。本發(fā)明光發(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(cè)器輸出端分別對(duì)應(yīng)與示波器輸入端連接，示波器輸出端與信號(hào)處理計(jì)算機(jī)連接。
【專利說(shuō)明】一種雙模式、超高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光干涉測(cè)速裝置領(lǐng)域，尤其是一種雙模式、超高速度運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在沖擊波物理和爆轟物理實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)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(jiǎn)稱為速度干涉儀)測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化歷史(以下簡(jiǎn)稱為速度剖面)。這兩類測(cè)速裝置存在以下不足:
[0003](一 )對(duì)于位移干涉儀，其工作機(jī)制如下:激光器的出射光波照射在運(yùn)動(dòng)物體表面，反射激光因多普勒(Doppler)效應(yīng)而產(chǎn)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(guò)光電探測(cè)器和示波器記錄差拍頻率變化過(guò)程，從而能夠連續(xù)測(cè)試運(yùn)動(dòng)物體表面(或者內(nèi)部粒子)位移、速度和加速度的變化過(guò)程，根據(jù)位移干涉儀工作原理，對(duì)于工作波長(zhǎng)為1550nm的位移干涉裝置，其輸出條紋信號(hào)頻率f(t)與被測(cè)速度u(t)在數(shù)學(xué)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(cè)速度越大，輸出信號(hào)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(cè)速度的上限，即使采用國(guó)際上較高帶寬的數(shù)字存儲(chǔ)示波器(一般小于12GHz帶寬)作為信號(hào)記錄設(shè)備，位移干涉儀目前能達(dá)到的速度測(cè)量上限也只有9km/s。另外位移干涉儀是通過(guò)對(duì)干涉條紋進(jìn)行積分首先得到位移測(cè)量結(jié)果S (t)，然后對(duì)位移測(cè)量結(jié)果進(jìn)行微分而得到運(yùn)動(dòng)速度u(t)，即u(t) = dS(t)/dt，微分過(guò)程不免產(chǎn)生噪聲，影響了位移干涉儀的速度分辨力。
[0004]( 二 )對(duì)于速度干涉儀，其工作機(jī)制如下:激光器的出射光波照射在運(yùn)動(dòng)物體表面，反射激光因多普勒效應(yīng)而產(chǎn)生微小的頻率變化，將反射激光分成兩束分別經(jīng)兩支不同延遲時(shí)間τ的光路后再合束形成干涉條紋，通過(guò)探測(cè)干涉條紋隨時(shí)間的變化過(guò)程就可以計(jì)算運(yùn)動(dòng)物體速度隨時(shí)間的變化過(guò)程。對(duì)于速度干涉儀，被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)速度U (t)與測(cè)速裝置輸出的干涉條紋總數(shù)N(t)在數(shù)學(xué)上滿足u(t) =N(t)Fv，其中Fv為速度干涉儀的條紋常數(shù)，在計(jì)算運(yùn)動(dòng)物體的速度剖面時(shí)，沒有微分計(jì)算過(guò)程，因此其速度測(cè)量精度高于位移干涉儀，并且對(duì)于同一速度值，條紋常數(shù)Fv越小，條紋數(shù)N (t)就越多，則速度測(cè)量精度就越高，這樣就可以精細(xì)分辨速度剖面的細(xì)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(biāo)準(zhǔn)具組成，條紋常數(shù)越小，光路延遲時(shí)間就越大，需要的光程差就越大，測(cè)速裝置的抗振動(dòng)性就越差；其次，速度干涉儀輸出條紋信號(hào)頻率與運(yùn)動(dòng)物體加速度成正比，由于在強(qiáng)沖擊加載下，運(yùn)動(dòng)物體的速度跳變前沿只有幾個(gè)皮秒，若速度干涉儀在速度跳變前沿只輸出一個(gè)干涉條紋，則對(duì)應(yīng)的條紋頻率將達(dá)到上百GHz，這意味著數(shù)字示波器的記錄帶寬需要達(dá)到上百GHz才能使測(cè)速裝置不發(fā)生干涉條紋丟失，目前沒有如此高帶寬的數(shù)字示波器，這是速度干涉儀經(jīng)常發(fā)生條紋丟失的重要原因，需要根據(jù)預(yù)估速度峰值在干涉信號(hào)計(jì)算結(jié)果中補(bǔ)加丟失的條紋數(shù)量。與此相比，位移干涉儀直接測(cè)量位移的變化，位移干涉儀的輸出條紋頻率僅與被測(cè)物體速度相關(guān)，而與運(yùn)動(dòng)物體加速度無(wú)關(guān)，只要運(yùn)動(dòng)物體速度峰值對(duì)應(yīng)的干涉條紋頻率小于數(shù)字示波器的測(cè)量帶寬，總可以通過(guò)位移干涉儀完整記錄下被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度歷史。
[0005]綜上所述，位移干涉儀不存在干涉條紋丟失，能夠測(cè)量運(yùn)動(dòng)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(shù)字示波器才能實(shí)現(xiàn)lOkm/s以上超高速度測(cè)量；對(duì)于速度干涉儀，速度分辨率高，但難以實(shí)現(xiàn)較小的條紋常數(shù)，儀器抗振動(dòng)性能差，需要根據(jù)預(yù)估速度峰值在干涉信號(hào)計(jì)算結(jié)果中補(bǔ)加丟失的條紋數(shù)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:由于在對(duì)傳統(tǒng)位移干涉信號(hào)進(jìn)行處理獲取速度信息時(shí)，需要對(duì)位移變化歷史對(duì)時(shí)間進(jìn)行微分而得到速度變化歷史，位移測(cè)量結(jié)果中的噪聲將在微分過(guò)程被進(jìn)一步放大，因此最終降低了速度計(jì)算結(jié)果的分辨率；而采用速度干涉儀時(shí)，由于速度干涉儀的輸出干涉信號(hào)頻率與被測(cè)物體加速度成正比，加速度越大，則干涉信號(hào)頻率越高，當(dāng)測(cè)量強(qiáng)沖擊波和爆轟波作用下的瞬態(tài)過(guò)程運(yùn)動(dòng)物體速度時(shí)，其加速度可達(dá)到1014m/s2，這時(shí)速度干涉儀的輸出干涉信號(hào)頻率可達(dá)到111Hz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前光電轉(zhuǎn)換記錄系統(tǒng)的測(cè)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(chǎn)生條紋丟失，需要根據(jù)預(yù)估的速度峰值計(jì)算出丟失的干涉條紋個(gè)數(shù)，然后在干涉信號(hào)中將丟失的條紋補(bǔ)上；針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種同時(shí)具有速度干涉模式和位移干涉模式、可超高速運(yùn)動(dòng)物體測(cè)量裝置及方法，能夠高分辨率地測(cè)量超高速運(yùn)動(dòng)物體速度隨時(shí)間的變化歷史，測(cè)速精度優(yōu)于I %，無(wú)需高帶寬數(shù)字示波器，也無(wú)需預(yù)估速度峰值。該裝置具有這些優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)樗俣雀缮鎯x的輸出干涉條紋頻率只與被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)加速度成正比，與速度大小沒有關(guān)系，只要加速度不大，都可以采用速度干涉儀測(cè)量超高速度，速度干涉儀是直接對(duì)干涉條紋個(gè)數(shù)進(jìn)行積分得到速度值，不存在微分過(guò)程，因此速度分辨率高，但在加速度較大的時(shí)候，速度干涉儀丟失干涉條紋，這時(shí)需采用位移干涉儀進(jìn)行測(cè)量；位移干涉儀的輸出干涉條紋頻率只與被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)速度成正比，與加速度沒有關(guān)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(jìn)行測(cè)量。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種雙模式超高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)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(hào)處理計(jì)算機(jī)；
[0009]光發(fā)射與接收處理模塊，用于提供測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體速度的參考光和探測(cè)光，并使得從運(yùn)動(dòng)物體表面反射回的信號(hào)光強(qiáng)度穩(wěn)定；然后再將探測(cè)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；
[0010]速度干涉模塊，通過(guò)光纖延遲線對(duì)光發(fā)射與接收處理模塊輸出的另一路分束光進(jìn)行時(shí)間延遲，使得在不同時(shí)刻被運(yùn)動(dòng)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(hào)；并將4路干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào);
[0011]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(yùn)動(dòng)物體反射回的一路分束光進(jìn)行干涉，并將與干涉信號(hào)對(duì)應(yīng)的電信號(hào)與來(lái)自于微波源的信號(hào)進(jìn)行混頻，混頻信號(hào)由示波器記錄。
[0012]示波器，用于記錄與速度干涉模塊輸出的4路干涉信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，同時(shí)記錄位移干涉模塊輸出的混頻信號(hào)；
[0013]信號(hào)處理計(jì)算機(jī)，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(hào)，獲得運(yùn)動(dòng)物體速度隨時(shí)間的變化歷史。
[0014]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(dòng)態(tài)飽和光纖放大器；激光器輸出的激光經(jīng)過(guò)光纖隔離器后，在經(jīng)由第一光纖分束器進(jìn)行分束，產(chǎn)生一路參考光與一路探測(cè)光；所述探測(cè)光通過(guò)雙光纖探頭的一個(gè)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(yùn)動(dòng)物體的表面上，從運(yùn)動(dòng)物體表面反射的信號(hào)光被雙光纖探頭接收，并通過(guò)雙光纖探頭另一尾纖將反射回的信號(hào)光輸入至動(dòng)態(tài)飽和光纖放大器進(jìn)行放大處理并獲得穩(wěn)定的光強(qiáng)輸出，從動(dòng)態(tài)飽和光纖放大器輸出的信號(hào)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(hào)光分成兩路分束光分別輸出；其中一路分束光經(jīng)光纖合束器的一個(gè)端口輸入到位移干涉模塊中，另一路分束光經(jīng)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(gè)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。
[0015]進(jìn)一步的，所述位移干涉模塊包括光纖合束器、微波信號(hào)源、第一光電探測(cè)器、微波混頻器；光發(fā)射與接收處理模塊第一端口輸出的參考光、光發(fā)射與接收處理模塊第二端口輸出的一路分束光分別輸入至光纖合束器進(jìn)行干涉，其輸出的干涉信號(hào)經(jīng)第一光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后輸入至微波混頻器的一個(gè)輸入端口 ；微波信號(hào)源輸出的參考信號(hào)輸入微波混頻器的另一輸入端口，微波混頻器的輸出信號(hào)由示波器記錄；所述速度干涉模塊包括第三光纖分束器、光纖延遲線、正交相位光纖耦合器、光電探測(cè)器組，所述光電探測(cè)器組包括4個(gè)光電探測(cè)器；所述光發(fā)射與接收處理模塊第三端口輸出的另一路分束光通過(guò)第三光纖分束器分為兩路光，其中一路光輸入至正交相位光纖稱合器的一輸入端口，另一路光通過(guò)光纖延遲線后輸入至正交相位光纖耦合器的另一輸入端口 ；正交相位光纖耦合器的4路輸出干涉光信號(hào)分別經(jīng)過(guò)4個(gè)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，由示波器記錄。
[0016]一種雙模式超高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量方法包括:
[0017]步驟1:通過(guò)光發(fā)射與接收處理模塊輸出用于干涉的參考光以及用于探測(cè)運(yùn)動(dòng)物體速度的信號(hào)光，并使得從運(yùn)動(dòng)物體表面反射回的信號(hào)光強(qiáng)度穩(wěn)定；并將反射回的信號(hào)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；
[0018]步驟2:位移干涉模塊,將光發(fā)射與接收處理模塊輸出的參考光以及一路分束光進(jìn)行干涉并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，同時(shí)將微波信號(hào)源輸入的參考信號(hào)與第一光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)通過(guò)微波混頻器進(jìn)行混頻，并由示波器記錄混頻信號(hào)；速度干涉模塊將光發(fā)射與接收處理模塊輸出端輸出的從不同時(shí)刻被運(yùn)動(dòng)物體表面反射回的另一路分束光通過(guò)第三光纖分束器分為兩路光，其中一路光輸入至正交相位光纖稱合器的一輸入端口，另一路光通過(guò)光纖延遲線后輸入至正交相位光纖耦合器的另一輸入端口，這兩路光通過(guò)正交相位光纖耦合器進(jìn)行干涉，并通過(guò)正交相位光纖耦合器在每一路輸出干涉信號(hào)中依次引入η/2的相位差，4路干涉信號(hào)由光電轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，并由示波器記錄；
[0019]步驟3:通過(guò)示波器記錄位移干涉模塊輸出的混頻信號(hào)和速度干涉模塊輸出的與4路干涉信號(hào)對(duì)應(yīng)的電信號(hào)；
[0020]步驟4:通過(guò)信號(hào)處理計(jì)算機(jī)處理示波器記錄的位移干涉模塊輸出的混頻信號(hào)和速度干涉模塊輸出的與4路干涉信號(hào)對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，獲取運(yùn)動(dòng)物體速度隨時(shí)間的變化歷史；
[0021]進(jìn)一步的，所述步驟2具體包括:
[0022]步驟21:假設(shè)激光器的頻率為&，則光發(fā)射與接收處理模塊第一端口輸出的參考光其光場(chǎng)表達(dá)式為光發(fā)射與接收處理模塊第二端口輸出的信號(hào)光由于帶有多普勒頻移，其光場(chǎng)表達(dá)式為其中fD(t) = 2u(t)/A為入射激光的多普勒頻移，t表示時(shí)間，u(t)即為需要測(cè)量的運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)速度，λ為入射激光的頻率，λ與&的關(guān)系為& = c/λ，C為真空中的光速；則經(jīng)過(guò)光纖合束器后輸出的干涉信號(hào)寫為:
[0023]

【權(quán)利要求】
1.一種雙模式超高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)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(hào)處理計(jì)算機(jī)； 光發(fā)射與接收處理模塊，用于提供測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體速度的參考光和探測(cè)光，并使得從運(yùn)動(dòng)物體表面反射回的信號(hào)光強(qiáng)度穩(wěn)定；然后再將反射回的信號(hào)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(guò)光纖延遲線對(duì)光發(fā)射與接收處理模塊輸出的另一路分束光進(jìn)行時(shí)間延遲，使得在不同時(shí)刻被運(yùn)動(dòng)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(hào)；并將4路干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)；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(yùn)動(dòng)物體反射回的一路分束光進(jìn)行干涉，并將與干涉信號(hào)對(duì)應(yīng)的電信號(hào)與來(lái)自于微波源的信號(hào)進(jìn)行混頻，混頻信號(hào)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(hào)相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，同時(shí)記錄位移干涉模塊輸出的混頻信號(hào)； 信號(hào)處理計(jì)算機(jī)，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(hào)，獲得運(yùn)動(dòng)物體速度隨時(shí)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(dòng)態(tài)飽和光纖放大器；激光器輸出的激光經(jīng)過(guò)光纖隔離器后，由第一光纖分束器進(jìn)行分束，產(chǎn)生一路參考光與一路探測(cè)光；所述探測(cè)光通過(guò)雙光纖探頭的一個(gè)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(yùn)動(dòng)物體的表面上，從運(yùn)動(dòng)物體表面反射回的信號(hào)光被雙光纖探頭接收，并通過(guò)雙光纖探頭另一尾纖將反射回的信號(hào)光輸入至動(dòng)態(tài)飽和光纖放大器進(jìn)行放大處理并獲得穩(wěn)定的光強(qiáng)輸出，從動(dòng)態(tài)飽和光纖放大器輸出的信號(hào)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(hào)光分成兩路分束光分別輸出；其中一路分束光經(jīng)光纖合束器的一個(gè)端口輸入到位移干涉模塊中，另一路分束光經(jīng)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(gè)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□。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙模式超高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量裝置，其特征在于所述位移干涉模塊包括光纖合束器、微波信號(hào)源、第一光電探測(cè)器、微波混頻器；光發(fā)射與接收處理模塊第一端口輸出的參考光、光發(fā)射與接收處理模塊第二端口輸出的一路分束光分別輸入至光纖合束器進(jìn)行干涉，其輸出的干涉信號(hào)經(jīng)第一光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后輸入至微波混頻器的一個(gè)輸入端口；微波信號(hào)源輸出的參考信號(hào)輸入微波混頻器的另一輸入端口，微波混頻器的輸出信號(hào)由示波器記錄；所述速度干涉模塊包括第三光纖分束器、光纖延遲線、正交相位光纖耦合器、光電探測(cè)器組，所述光電探測(cè)器組包括4個(gè)光電探測(cè)器；所述光發(fā)射與接收處理模塊第三端口輸出的另一路分束光通過(guò)第三光纖分束器分為兩路光，其中一路光輸入至正交相位光纖耦合器的一輸入端口，另一路光通過(guò)光纖延遲線后輸入至正交相位光纖耦合器的另一輸入端口 ；正交相位光纖耦合器的4路輸出干涉光信號(hào)分別經(jīng)過(guò)4個(gè)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，由示波器記錄。
3.一種雙模式超高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量方法，其特征在于包括: 步驟1:通過(guò)光發(fā)射與接收處理模塊輸出用于干涉的參考光以及用于探測(cè)運(yùn)動(dòng)物體速度的信號(hào)光，并使得從運(yùn)動(dòng)物體表面反射回的信號(hào)光強(qiáng)度穩(wěn)定；并將反射回的信號(hào)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； 步驟2:位移干涉模塊，將光發(fā)射與接收處理模塊輸出的參考光以及一路分束光進(jìn)行干涉并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，同時(shí)將微波信號(hào)源輸入的參考信號(hào)與第一光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)通過(guò)微波混頻器進(jìn)行混頻，并由示波器記錄混頻信號(hào)；速度干涉模塊將光發(fā)射與接收處理模塊輸出端輸出的從不同時(shí)刻被運(yùn)動(dòng)物體表面反射回的另一路分束光通過(guò)第三光纖分束器分為兩路光，其中一路光輸入至正交相位光纖耦合器的一輸入端口，另一路光通過(guò)光纖延遲線后輸入至正交相位光纖耦合器的另一輸入端口，這兩路光通過(guò)正交相位光纖耦合器進(jìn)行干涉，并通過(guò)正交相位光纖耦合器在每一路輸出干涉信號(hào)中依次引入η/2的相位差，4路干涉信號(hào)由光電轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，并由示波器記錄； 步驟3:通過(guò)示波器記錄位移干涉模塊輸出的混頻信號(hào)和速度干涉模塊輸出的與4路干涉信號(hào)對(duì)應(yīng)的電信號(hào)； 步驟4:通過(guò)信號(hào)處理計(jì)算機(jī)處理示波器記錄的位移干涉模塊輸出的混頻信號(hào)和速度干涉模塊輸出的與4路干涉信號(hào)對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，獲取運(yùn)動(dòng)物體速度隨時(shí)間的變化歷史。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種雙模式超高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量方法，其特征在于所述步驟2具體包括: 步驟21:假設(shè)激光器的頻率為，則光發(fā)射與接收處理模塊第一端口輸出的參考光其光場(chǎng)表達(dá)式為帥t光發(fā)射與接收處理模塊第二端口輸出的信號(hào)光由于帶有多普勒頻移，其光場(chǎng)表達(dá)式為En,其中fD(t) = 2u(t)/X為入射激光的多普勒頻移，t表示時(shí)間，u(t)即為需要測(cè)量的運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)速度，λ為入射激光的頻率，λ與&的關(guān)系為& = c/λ，C為真空中的光速；則經(jīng)過(guò)光纖合束器后輸出的干涉信號(hào)寫為:
令叫⑴=E11 (t) |2+|E12(t) I2, b^t) = 2En(t)E12(t),則⑴式可以寫為:
I1,= H1 (t) +b! (t) cos [2 τι fD (t) t] (2) 步驟22:由于參考光是直接來(lái)源于激光器，因此參考光振幅E11 (t)為一個(gè)常數(shù)，隨時(shí)間不發(fā)生變化；加入動(dòng)態(tài)飽和光纖放大器之后，信號(hào)光振幅E12 (t)也將變?yōu)槌?shù)，大小不隨時(shí)間發(fā)生變化，通過(guò)選擇第一光纖分束器和第二光纖分束器的分束比，使得E11 (t)與E12(t)大小相等，因此⑵式可以進(jìn)一步寫為:
I1,=[1+cos (2 n fD (t) t) ] (3)
其中 I1" = Ie1J2= Ie12I2 = E11E12; 步驟23:光纖合束器輸出的干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)第一光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，該信號(hào)為一個(gè)頻率為fD(t)的標(biāo)準(zhǔn)余弦信號(hào)，與來(lái)自于微波信號(hào)源頻率為的參考信號(hào)在微波混頻器中進(jìn)行混頻，微波混頻器的輸出信號(hào)可以寫為:
11= 21! " +I1 " [cos(4ji fD(t)t)+cos(4Ji f1t)+cos(2Ji (f ! + f D (t))t)+cos(2 31 (f !-fD (t)) t) ](3) 此微波混頻器的輸出信號(hào)由示波器記錄； 步驟24:假設(shè)在任意時(shí)刻t，來(lái)自于運(yùn)動(dòng)物體的反射信號(hào)光的頻率為f (t)，光纖延遲線的延遲時(shí)間為τ，則速度干涉模塊中參與干涉的兩束信號(hào)光分別是t時(shí)刻和t-τ時(shí)刻從運(yùn)動(dòng)物體反射回的信號(hào)光，其頻率分別為f (t)和f (t_ τ );光發(fā)射與接收處理模塊第三輸出端輸出的另一路分束光經(jīng)第三光纖分束器分為兩路光，其中一路光直接輸入正交相位光纖耦合器，其光場(chǎng)表達(dá)式為E2(t)e_i2nf(t)t ;另一路光經(jīng)光纖延遲線后再進(jìn)入正交相位光纖耦合器，其光場(chǎng)表達(dá)式為E2這兩束光直接干涉的輸出可以寫為:
令 a2(t) = E2 (t) 2+1 E2(t- τ ) I2, b2 (t) = 2E2(t)E2(t_ τ )，則⑷式可以寫為:
12= a2 (t) +b2 (t) cos [2 Ji (f (t) -f (t_ τ )) t] (5) 根據(jù)多普勒頻移的基本原理知道:
將(6)式代入(5)式中有:
從(7)式可以看出，只有當(dāng)速度有變化時(shí)，即u(t) ^u(t-x)時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的干涉信號(hào)，否則輸出一個(gè)直流信號(hào)；輸出干涉信號(hào)的頻率表達(dá)式為: fr(t) = ^u(i)-u(1-T)](8)
Λ 在t = O~T時(shí)間內(nèi)，對(duì)⑶兩邊進(jìn)行積分，左邊對(duì)應(yīng)輸出條紋的總數(shù)F{T): J0'./； {t)dt，而右邊可以進(jìn)行如下處理:
即有:
(10) 即通過(guò)數(shù)條紋的方法即可獲得運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的速度變化歷史u(t)，條紋數(shù)目直接對(duì)應(yīng)速度，因此這種工作模式稱之為速度干涉模式；當(dāng)出現(xiàn)非整數(shù)個(gè)條紋時(shí)，需要對(duì)條紋進(jìn)行細(xì)分，而這種細(xì)分方法帶來(lái)的速度測(cè)量精度通常不能滿足速度高精度測(cè)量的要求；因此: 將⑶代入⑵式，(7)式可以寫為:
I2 = a2 (t) +b2 (t) cos [2 τι fv (t) t] (11) 其中fv(t)t即為條紋數(shù)，即有:
F(t) = fv (t) t (12) 將(10)、(12)式代入(11)式有:
其中Fv= λ/2τ為速度干涉模塊的條紋常數(shù)，其意義是示波器上記錄一個(gè)完整條紋時(shí)對(duì)應(yīng)速度的變化量； 步驟25:通過(guò)引入正交相位光纖耦合器后，輸出的四路干涉信號(hào)中將會(huì)依次有0，π /2，π,3π/2的相位差，即從正交相位光纖耦合器四個(gè)輸出端口輸出的干涉信號(hào)分別為:
其中-考慮了 t時(shí)刻和t-τ時(shí)刻從運(yùn)動(dòng)物體反射回的信號(hào)光因經(jīng)歷不同光程時(shí)引入的相位差，a2(t)、b2(t)稱之為光強(qiáng)因子；將(14)進(jìn)一步寫為:
步驟26:正交相位光纖耦合器四個(gè)端口輸出的干涉信號(hào)經(jīng)4個(gè)光電探測(cè)器分別轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并由示波器記錄。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種雙模式超高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量方法，其特征在于所述步驟4具體過(guò)程是: 步驟41:信號(hào)處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體過(guò)程為:通過(guò)(3)式知道，混頻器輸?shù)妮敵鲂盘?hào)包含四個(gè)頻率，分別為和If1-La) |，前三個(gè)頻率均為頻率較高的高頻部分，14-4(0 1為一個(gè)低頻部分；數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)微波混頻器輸出的信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，得到24(0、24、和|f「fD(t) I四個(gè)頻率隨時(shí)間的變化歷史，提取出低頻分量If1^a) I隨時(shí)間的變化關(guān)系，結(jié)合微波信號(hào)源的輸出頻率4，從而得到fDa)，根據(jù)多普勒頻移原理知道，fD(t) = 2u(t) / λ ,因此運(yùn)動(dòng)物體的速度為u(t) = fD(t) λ /2 ； 步驟42:將(15)式的Ip1與12_3相減，12_2與12_4相減，可以消除干涉信號(hào)中的光強(qiáng)因子a2(t)而得到只包含正弦形式和余弦形式的函數(shù)，然后將正弦函數(shù)和余弦函數(shù)相除得到正切函數(shù)，并消除了光強(qiáng)因子b2 (t)，即有:
其中I2YlmI2I與12_4為示波器記錄的信號(hào)，為已知量，f為常數(shù)，通過(guò)(16)得到運(yùn)動(dòng)物體的速度歷史，即:
6.一種超高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)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、示波器、信號(hào)處理計(jì)算機(jī)； 光發(fā)射與接收模塊，用于提供測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體速度的探測(cè)光，并使得從運(yùn)動(dòng)物體表面反射回的信號(hào)光強(qiáng)度穩(wěn)定； 速度干涉模塊，通過(guò)光纖延遲線對(duì)光發(fā)射與接收模塊輸出的信號(hào)光進(jìn)行時(shí)間延遲，使得在不同時(shí)刻被運(yùn)動(dòng)物體反射回的信號(hào)光在正交相位光纖耦合器中進(jìn)行干涉，并獲得依次具有η /2相位差的4路干涉信號(hào)；并將4路干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)； 示波器，用于記錄與速度干涉模塊輸出的4路干涉信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)； 信號(hào)處理計(jì)算機(jī)，用于處理示波器記錄的與速度干涉模塊輸出的4路干涉信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，獲得運(yùn)動(dòng)物體速度隨時(shí)間的變化歷史；其中所述光發(fā)射與接收模塊包括激光器、光纖隔離器、雙光纖探頭、動(dòng)態(tài)飽和光纖放大器；激光器輸出的激光經(jīng)過(guò)光纖隔離器后，通過(guò)雙光纖探頭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(yùn)動(dòng)物體的表面上；從運(yùn)動(dòng)物體表面反射回的信號(hào)光被雙光纖探頭接收，并通過(guò)雙光纖探頭另一尾纖將反射的信號(hào)光輸入至動(dòng)態(tài)飽和光纖放大器進(jìn)行放大處理并獲得穩(wěn)定的光強(qiáng)輸出，所述動(dòng)態(tài)飽和光纖放大器作為光發(fā)射與接收模塊的輸出端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種超高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量裝置，其特征在于所述速度干涉模塊包第三光纖分束器、光纖延遲線、正交相位光纖耦合器、光電探測(cè)器組，光電探測(cè)器組包括4個(gè)光電探測(cè)器，所述光發(fā)射與接收模塊輸出端輸出的信號(hào)光通過(guò)第三光纖分束器分為兩束信號(hào)光，其中一束信號(hào)光直接輸入至正交相位光纖稱合器一輸入端，另一束信號(hào)光通過(guò)光纖延遲線后輸入至正交相位光纖耦合器的另一輸入端；正交相位光纖耦合器4路輸出端分別對(duì)應(yīng)與4個(gè)光電探測(cè)器輸入端連接，4個(gè)光電探測(cè)器輸出端分別與示波器4路輸入端連接。
8.一種超高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量方法，其特征在于包括: 步驟1:通過(guò)光發(fā)射與接收模塊提供測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體速度的探測(cè)光，并使得從運(yùn)動(dòng)物體表面反射回的信號(hào)光強(qiáng)度穩(wěn)定； 步驟2:通過(guò)光纖延遲線對(duì)光發(fā)射與接收模塊輸出的信號(hào)光進(jìn)行時(shí)間延遲，使得在不同時(shí)刻被運(yùn)動(dòng)物體反射回的信號(hào)光在正交相位光纖耦合器中進(jìn)行干涉，并獲得依次具有η /2相位差的4路干涉信號(hào)；并將4路干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)； 步驟3:通過(guò)示波器記錄與速度干涉模塊輸出的4路干涉信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)； 步驟4:通過(guò)信號(hào)處理計(jì)算機(jī)處理示波器記錄的與速度干涉模塊輸出的4路干涉信號(hào)對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，獲得運(yùn)動(dòng)物體速度隨時(shí)間的變化歷史； 其中所述光發(fā)射與接收模塊包括激光器、光纖隔離器、雙光纖探頭、動(dòng)態(tài)飽和光纖放大器；激光器輸出的激光經(jīng)過(guò)光纖隔離器后，通過(guò)雙光纖探頭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(yùn)動(dòng)物體的表面上；從運(yùn)動(dòng)物體表面反射的信號(hào)光被雙光纖探頭接收，并通過(guò)雙光纖探頭另一尾纖將反射的信號(hào)光輸入至動(dòng)態(tài)飽和光纖放大器進(jìn)行放大處理并獲得穩(wěn)定的光強(qiáng)輸出，所述動(dòng)態(tài)飽和光纖放大器作為光發(fā)射與接收模塊的輸出端。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種超高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量方法，其特征在于所述步驟2具體包括: 步驟21:假設(shè)激光器的頻率為，則光發(fā)射與接收模塊輸出端輸出的信號(hào)光通過(guò)第三光纖分束器分為兩束光信號(hào)，其中一路信號(hào)光直接輸入至正交相位光纖稱合器一輸入端，其光場(chǎng)表達(dá)式為E2(t)e_i2"f(t)t，另一束信號(hào)光通過(guò)光纖延遲線延遲時(shí)間τ后，輸入至正交相位光纖耦合器另一輸入端，其光場(chǎng)表達(dá)式為&(卜0^2〃“_~洱(0^2〃％與E2 (t_ τ)θ-?2π?(?-τ)?直接干涉的輸出光強(qiáng)為:
令 a2(t) = |E2(t) |2+|E2(t_ τ ) |2，b2 (t) = 2E2(t)E2(t_ τ )，則⑷式可以寫為:I2 = a2 (t) +b2 (t) cos [2 Ji (f (t) -f (t_ τ )) t] (5) 根據(jù)多普勒頻移的基本原理知道:
將(6)式代入(5)式中有:
從⑵式可以看出，只有當(dāng)速度有變化時(shí)，即u(t)古U(t-T)，才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的干涉信號(hào)，否則輸出一個(gè)直流信號(hào)；輸出干涉信號(hào)的頻率表達(dá)式可以寫為:
在t = O~T時(shí)間內(nèi)，對(duì)⑶兩邊進(jìn)行積分，左邊對(duì)應(yīng)輸出條紋的總數(shù)F(r)=f 乂,⑷冶，而右邊可以進(jìn)行如下處理:
即有:F(Tt) =?—般寫為: u(t) ---P^(10) 即通過(guò)數(shù)條紋的方法即可獲得運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的速度變化歷史u(t)，條紋數(shù)目直接對(duì)應(yīng)速度，因此這種工作模式稱之為速度干涉模式；當(dāng)出現(xiàn)非整數(shù)個(gè)條紋時(shí)，需要對(duì)條紋進(jìn)行細(xì)分，而這種細(xì)分方法帶來(lái)的速度測(cè)量精度通常不能滿足速度高精度測(cè)量的要求；因此: 將⑶代入⑵式，(7)式可以寫為:
I2 = a2 (t) +b2 (t) cos [2 Ti fv (t) t] (11) 其中fv(t)t即為條紋數(shù)，即有:
F(t) = fv (t) t (12) 將(10)、(12)式代入(11)式有: I2=a2(t) + hy(t)cos 2π—^-(13) " — I K )其中Fv= λ/2τ為速度干涉模塊的條紋常數(shù)，其意義是示波器上記錄一個(gè)完整條紋時(shí)對(duì)應(yīng)速度的變化量； 步驟22:通過(guò)引入正交相位光纖耦合器后，輸出的四路干涉信號(hào)中將會(huì)依次有O，π /2，^,3π/2的相位差，即從正交相位光纖耦合器四個(gè)輸出端口輸出的干涉信號(hào)分別為:
其中f考慮了 t時(shí)刻和t_ τ時(shí)刻從運(yùn)動(dòng)物體反射回的信號(hào)光因經(jīng)歷不同光程時(shí)引入的相位差，a2(t)、b2(t)稱之為光強(qiáng)因子；將(14)進(jìn)一步寫為:
步驟23:正交相位光纖耦合器四個(gè)端口輸出的干涉信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并由示波器記錄。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種超高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量方法，其特征在于所述步驟4具體過(guò)程是:通過(guò)信號(hào)處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體過(guò)程為:將(15)式中的I”與12-3相減，12_2與12_4相減，可以消除干涉信號(hào)中的光強(qiáng)因子a2(t)而得到只包含正弦形式和余弦形式的函數(shù)，然后將正弦函數(shù)和余弦函數(shù)相除得到正切函數(shù)，并消除了光強(qiáng)因子b2(t)，即有:
其中與為示波器記錄的信號(hào)，為已知量，f為常數(shù)，通過(guò)(16)得到運(yùn)動(dòng)物體的速度歷史，即:
【文檔編號(hào)】G01S17/58GK104199044SQ201410478178
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】翁繼東, 王翔, 陶天炯, 王為, 馬鶴立, 劉盛剛, 陳宏 , 戴誠(chéng)達(dá), 劉倉(cāng)理, 吳強(qiáng), 譚華, 李劍峰, 蔡靈倉(cāng), 葉素華, 汪小松, 賈路峰 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所