CN102778256B - 一种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统，包括纳秒级分辨率的光纤激光多普勒干涉测速系统、纳秒级响应时间的PVDF瞬态压力测试系统、高速图像采集系统以及激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统。本发明通过多种高速、高分辨率的测试手段的协同与协调，对多个物理场（速度、压力、图像）进行实时测量，可对激光驱动爆炸与冲击试验过程进行较全面的表征。

Description

一种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统

技术领域

本发明涉及爆炸与冲击效应领域，特别是涉及一种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统。

背景技术

激光驱动爆炸与冲击是爆炸与冲击动力学研究的发展方向，是力学学科的前沿领域。通过激光驱动开展爆炸与冲击研究，在效率、安全性、精细测量技术的配备上具有明显的优势。特别是激光驱动爆炸与冲击可以获得常规的爆炸与冲击手段所不能达到的超高压力(GPa量级以上)、超短脉冲(ns量级)、高冲击速度(km/s量级)和超高应变率(10⁶/s量级以上)，是开展尖端科技研究不可或缺的手段。

激光驱动的爆炸与冲击产生的强动载荷具有高强度、短历时和小尺度的特点，对测量技术和测试装备提出了更高的要求。最近，高速摄影技术、X闪光照相技术、高速数字示波器以及相关的传感器、光源和快电子学设备已经开始应用于爆炸与冲击实验。诊断技术发展的主流是以激光和光电子学技术为基础的快响应、高分辨率、高灵敏度的非接触测量技术，例如各种激光干涉测量和光谱技术(速度和位移干涉仪、VISAR(任意反射面测速)、FPI等)、散斑技术、激光诱导荧光和拉曼光谱技术、光学窗口技术等。

迄今为止，激光驱动的冲击波压力的准确测量问题都没能得到很好的解决。激光诱导的冲击波压力高(GPa量级)，作用时间短(纳秒量级)，衰减快，普通的压电石英传感器、锰铜传感器等由于受到量程、频响和尺寸的限制，测量结果不能令人满意。近年来，PVDF(聚偏二氟乙烯)压电薄膜传感器的出现成为对波剖面测量的一次革命，其最大特点是响应快(为纳秒量级)，测压范围大(可达20GPa以上)。国内这方面的工作开展较晚，目前多是利用PVDF薄膜手工制作不同的传感器进行应用研究，尚未形成标准化、商业化的PVDF传感器。

自由表面速度测量是爆炸与冲击实验研究的另一重点与难点。在LSP(激光冲击强化)研究中,通常激光脉宽为几个纳秒,压力持续作用时间为十几个纳秒,弹性前驱波到达毫米量级厚度的靶材背表面所需的时间约为一两百个纳秒,在十几个纳秒内自由表面速度就由几米每秒上升至数百米每秒。因此，LSP自由表面测速对测试设备的灵敏度、时间分辨率和频率响应范围都提出了非常高的要求。Berther等人曾经尝试采用VISAR进行测量，但未能观察到数值计算能够模拟出的弹性前驱波。Arrigoni等人采用Fabry-Perot干涉仪初步观测到了LSP背表面弹性前驱波，但Fabry-Perot干涉仪价格过于昂贵。

综上所述，激光驱动的爆炸和冲击具有超短脉冲、超高压力、高冲击速度和超高应变率的特点，相关测试手段还远未发展成熟。目前，国内在纳秒级响应时间的压力传感器的研制还处于起步阶段，装备于实验室的高速摄影和VISAR系统也难以满足高速、高分辨率的需求。

发明内容

针对现有测试手段难以满足激光驱动的爆炸和冲击实验的缺陷，本发明提供一种高精度的多物理场同步实时测量系统，可对激光驱动爆炸与冲击试验过程进行较全面和较准确的表征。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统，包括光纤激光多普勒干涉测速系统、PVDF瞬态压力测试系统、高速图像采集系统以及激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统，其中，

所述光纤激光多普勒干涉测速系统用于对强激光驱动的运动靶面质点速度进行测量，其测速范围为10⁰～10⁴m/s量级，测量时间分辨率为纳秒量级；

所述PVDF瞬态压力测试系统用于强激光驱动的冲击波压力测量，测量量程为25GPa，时间分辨率为纳秒量级；

所述高速图像采集系统用于对试验过程中的靶体运动以及介质扰动时序过程进行图像采集；

所述激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统用于每一次试验的激光能量记录、脉宽波形记录与功率密度空间分布记录；以及，通过脉宽波形的上升前沿作为触发，实现多场同步实时测量。

优选地，上述系统具有以下特点：

所述光纤激光多普勒干涉测速系统包括：通讯激光器、光纤环形器、聚焦透镜、探测器、示波器和控制系统，其中，通讯激光器、光纤环形器、探测器和示波器依次相连，聚焦透镜与光纤环形器相连；

所述通讯激光器用于发射通讯激光至光纤环形器的第一端口；

所述光纤环形器用于将接收到的通讯激光从其第二端口发送至聚焦透镜，以及，将接收到的参考光和信号光从其第三端口发送至探测器；

所述聚焦透镜用于将接收到的通讯激光的一部分作为参考光从其端面反射回所述光纤环形器的第二端口，另一部分输出至运动靶面；并将从运动靶面反射回的信号光发送至光纤环形器的第二端口；

所述探测器用于探测所述参考光和信号光产生的差拍干涉信号，并发送至示波器；

所述示波器用于记录所述差拍干涉信号，并将所记录的差拍干涉信号发送至控制系统。

优选地，上述系统具有以下特点：

所述PVDF瞬态压力测试系统包括PVDF传感器、示波器和三个电阻，其中，PVDF传感器与第一电阻并联，所述第一电阻的一端连接第三电阻，另一端连接第二电阻；所述第二电阻的一端与第一电阻相连，另一端与第三电阻相连；所述第二电阻与所述示波器并联。

优选地，上述系统具有以下特点：

所述第一电阻、第二电阻和第三电阻如下条件：

R₁/(R₂+R₃)＜1， $\frac{R_2\&times;(R_1+R_3)}{R_2+R_1+R_3}<50\mathrm{\&Omega;}.$

优选地，上述系统具有以下特点：

所述激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统包括：光电探测器、示波器、能量计、光路系统和电荷耦合器件(CCD)；其中，

所述光电探测器，用于测量衰减后的激光脉宽波形；

所述示波器，其与光电探测器相连，用于记录衰减后的激光脉宽波形，并利用脉宽波形的上升前沿作为触发，控制多物理场实时测量的同步进行；

所述能量计，用于记录单脉冲激光能量；

所述光路系统，包含棱镜光学器件，用于对激光能量进行衰减；

所述CCD，与所述光路系统相连，用于记录激光功率密度的空间分布，进一步分析其光束质量。

本发明通过多种高速、高分辨率的测试手段的协同与协调，对多个物理场(速度、压力、图像)进行实时测量，可对激光驱动爆炸与冲击试验过程进行较全面的表征。其中自由表面速度和冲击波压力测量的时间分辨率为纳秒量级，自由表面速度测量的范围为10⁰～10⁴m/s量级，冲击波压力测量的量程为25GPa。

附图说明

图1为本发明实施例的强激光驱动的爆炸与冲击效应试验平台示意图；

图2为本发明实施例的多物理测量系统示意图；

图3为本发明实施例的光纤激光多普勒干涉测速系统示意图；

图4为本发明实施例的PVDF瞬态压力测试系统示意图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明可以对具有强瞬态特征的速度、压力、图像等多个物理场进行同步测量，实现对激光驱动爆炸与冲击实验过程的较全面表征。

在本发明中，采用如下技术：

以激光和光电子学技术为基础的快响应(纳秒)、高分辨率(微米)、高灵敏度的非接触测量在线技术，包括光纤激光多普勒干涉测速、纳秒级响应的PVDF压力测量、激光脉宽、能量及光束质量测量、高速图像测量、高带宽数据采集等技术。

如图1所示，本发明实施例的强激光驱动的爆炸与冲击效应试验平台，包括依次相连的驱动系统、试验环境和多物理测量系统，以及与所述驱动系统、试验环境和多物理测量系统分别相连的控制系统，其中，

所述驱动系统以短脉冲(脉宽为纳秒量级)、高能量激光器为主体，用于将强激光(单脉冲能量为几焦耳到百焦耳，功率密度为10⁹W/cm²及以上)光束传输至所述试验环境；该驱动系统可以产生试验环境中各试验装置所需要的强激光，并灵活地传输至相应的试验装置。该驱动系统包括相连的激光器和光学平台，所述激光器用于产生短脉冲强激光光束；所述光学平台用于将所述激光器所产生的强激光光束通过光路调节与柔性传输发送至所述各类试验环境。

所述试验环境，主体是开展微爆炸试验的环境箱、高速冲击的试验靶箱和试样高温加热环境，用于实现多种激光驱动的爆炸与冲击效应试验，包括激光冲击强化试验、激光驱动的水下爆炸及推进试验和激光驱动的飞片试验；该试验环境具体包括：激光冲击强化试验装置、激光驱动的水下爆炸及推进试验装置和激光驱动的飞片试验装置；其中，所述激光冲击强化试验装置用于进行金属材料的激光冲击强化处理试验；所述激光驱动的水下爆炸及推进试验装置用于开展水下冲击波与结构响应的相互作用机理、爆炸产物气泡脉动规律等研究；所述激光驱动的飞片试验装置用于开展材料在超高应变率下的本构关系、状态方程及冲击波传播过程研究。

所述多物理测量系统用于对上述几种试验进行实时的质点速度、冲击波压力、运动图像等多物理场同步测量，以及激光的能量、脉宽和光束质量等试验条件同步监测；

所述控制系统为基于现场总线和网络通讯协议的数据采集与传输的同步控制与软件系统，用于对所述驱动系统、试验环境和多物理测量系统进行同步控制以及数据采集。该控制系统采用PXI或PROFIBUS现场总线和网络传输技术实现多个驱动系统、试验环境和多物理测量系统的同步与协调控制；采用LABVIEW系统编制激光驱动的爆炸与冲击试验全自动控制软件；并能够实现多物理场数据采集与数据传输的同步控制。

本发明的试验平台工作过程是：将强激光光束引入到试验环境中；试验环境的主体是可开展微爆炸实验的环境箱和可开展高速冲击实验的环境箱，它们都配有耐高温、高压的光学观察窗口，并配套以试样高温加热装置以满足某些特殊需求；通过光纤激光多普勒干涉测速系统、ns级响应时间、大量程的PVDF薄膜压力传感器、高速图像采集系统等，实现对速度、压力、图像等多个物理场进行测量；通过软件系统的研制，基于现场总线和网络通讯协议实现多个子系统的协同与协调控制，数据采集与数据传输的同步控制。

下面对多物理测量系统进行详细描述：

如图2所示，多物理测量系统包括纳秒级分辨率的光纤激光多普勒干涉测速系统、纳秒级响应时间的PVDF瞬态压力测试系统、高速图像采集系统以及激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统，其中，

所述光纤激光多普勒干涉测速系统用于对强激光驱动的运动靶面质点速度进行测量，其测速范围为10⁰～10⁴m/s量级，测量时间分辨率为纳秒量级；

所述PVDF瞬态压力测试系统用于强激光驱动的冲击波压力测量，最大压力测量为25GPa，测量的时间分辨率为纳秒量级；

所述高速图像采集系统通常为高速CCD或ICCD(相增强型)图像采集装置，具有亚微米量级的时间分辨率和微米量级的空间分辨率，可用于对试验过程中的靶体运动以及介质扰动时序过程进行图像采集。

所述激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统用于每一次试验的激光能量记录、脉宽波形记录与功率密度空间分布记录，其中该系统还利用脉宽波形的上升前沿作为触发，控制多物理场实时测量的同步进行。

如图3所示，光纤激光多普勒干涉测速系统包括：通讯激光器、光纤环形器、聚焦透镜、探测器和示波器，其中，通讯激光器、光纤环形器、探测器和示波器依次相连，聚焦透镜与光纤环形器相连；其中，

激光器发射通讯激光(其初始频率为f₀)至光纤环形器的第一端口；

所述光纤环形器将接收到的通讯激光从其第二端口发送至聚焦透镜；

所述聚焦透镜将接收到的通讯激光的一部分作为参考光(其频率仍为f₀)从其端面反射回所述光纤环形器的第二端口，另一部分输出至运动靶面；并将从运动靶面反射回的信号光(因多普勒频移效应而具有频率f_b)发送至光纤环形器的第二端口；

所述光纤环形器将接收到的参考光和信号光从其第三端口发送至探测器；

所述探测器探测到所述参考光和信号光产生的差拍干涉信号，并发送至示波器；

所述示波器记录所述差拍干涉信号，并将所记录的差拍干涉信号发送至控制系统。

参考光和信号光产生差拍干涉信号,被探测器探测和示波器记录,其瞬时光强为

其中,I₀(t)和I_b(t)分别为参考光和信号光光强幅值,u(t)为运动靶面瞬时质点速度,λ为激光波长,为初始相位差。运动靶面的质点速度为

$u\left(t\right)=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2}[f_b\left(t\right)-f_0]=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2}\mathrm{\&Delta;}{f}_b\left(t\right)---\left(2\right)$

Δf_b(t)为拍频,由瞬时干涉条纹的疏密决定,可取相邻两个波峰或波谷时间间隔的倒数。可见,速度历程隐藏在干涉信号的频域内,而与光强变化无关,因此光纤激光多普勒干涉测速系统的抗干扰能力较强。主要的系统误差来源于通讯激光器波长的不稳定性和基频噪声。

在一优选实例中，该光纤激光多普勒干涉测速系统采用美国JDSU公司CQF938/400型窄线宽通讯激光器,输出光的波长为1550nm,线宽为200kHz,最大输出功率100mW。探测器采用New Focus公司1544-A型InGaAs PIN产品,带宽为12GHz；示波器采用Lecoy公司WaveMaster 808Zi型产品,带宽为8GHz,单通道最大写入速度40Gs/s。

如图4所示，PVDF瞬态压力测试系统包括PVDF传感器、示波器和三个电阻，其中，PVDF传感器与第一电阻R1并联，所述第一电阻R1的一端连接第三电阻R3，另一端连接第二电阻R2；所述第二电阻R2的一端与第一电阻R1相连，另一端与第三电阻R3相连；所述第二电阻R2与所述示波器并联。其中，第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3满足如下条件：

R₁/(R₂+R₃)＜1， $\frac{R_2\&times;(R_1+R_3)}{R_2+R_1+R_3}<50\mathrm{\&Omega;}.$

PVDF瞬态压力测试系统通过在PVDF传感器与采集设备(即示波器)之间搭建等效测量电路。对PVDF电路而言，第二电阻R2和第三电阻R3串联后与第一电阻R1并联；对采集设备而言，第一电阻R1和第三电阻R3串联后与第二电阻R2并联。

这样，PVDF两极放电形成的电流经过第二电阻R2和第三电阻R3分流，减小了采集设备测量的电压。设示波器测量的电压为U_m，PVDF两端的电压为U。则

U_m/U＝R₂/(R₂+R₃),

可以通过设置较大的第三电阻R3，来减小U_m，保证示波器测量的电压值不限幅，从而得到完整的电压波形。另外，等效测量电路为电桥模式，频响高，保证了测量的精度，测量的精度能够达到传统的电流电路测量模式。

在LSP具体测量的过程中，采用上述PVDF测量系统进行直接测量。将PVDF传感器分别置于厚度为h1和h2的铝膜的底端，然后通过激光对铝膜进行辐照，产生等离子体压力。通过对两种不同厚度的铝膜进行测量，来得到激光诱导的压力特征。铝膜厚度要足够小，设两次实验中的铝膜厚度分别为h1和h2。厚度为h1时测量得到的峰值压力为σ₁，半峰宽时间为τ₁；厚度为h2时测量得到的峰值压力为σ₂，半峰宽时间为τ₂。通过线性插值，则激光诱导的压力峰值σ_m和半峰宽时间τ_m为

${\mathrm{\&sigma;}}_m=\frac{h_1{\mathrm{\&sigma;}}_2-h_2{\mathrm{\&sigma;}}_1}{h_1-h_2}$

${\mathrm{\&tau;}}_m=\frac{h_1{\mathrm{\&tau;}}_2-h_2{\mathrm{\&tau;}}_1}{h_1-h_2}$

通过这种方法，由两次的测量结果就可以直接得到激光诱导的压力特征，为LSP过程中的压力测量提供了实验方法。

激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统包括：

光电探测器，用于测量衰减后的激光脉宽波形；

示波器，其与光电探测器相连，用于记录衰减后的激光脉宽波形，并利用脉宽波形的上升前沿作为触发，控制多物理场实时测量的同步进行；

能量计，用于记录单脉冲激光能量；

光路系统，包含棱镜等光学器件，用于对激光能量进行衰减；

CCD(电荷耦合器件)，与所述光路系统相连，用于记录激光功率密度的空间分布，进一步分析其光束质量。

综上所述，本发明基于光纤激光多普勒干涉测速系统、PVDF瞬态压力测试系统、高速图像采集系统和激光脉宽、能量及光束质量实时多物理测量系统，可以对具有强瞬态特征的速度、压力、图像等多个物理场进行同步测量，实现对激光驱动爆炸与冲击实验过程的较全面表征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统，其特征在于，包括光纤激光多普勒干涉测速系统、PVDF瞬态压力测试系统、高速图像采集系统以及激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统，其中，

所述光纤激光多普勒干涉测速系统用于对强激光驱动的运动靶面质点速度进行测量，其测速范围为10⁰～10⁴m/s量级，测量时间分辨率为纳秒量级；

所述PVDF瞬态压力测试系统用于强激光驱动的冲击波压力测量，测量量程为25GPa，时间分辨率为纳秒量级；

所述高速图像采集系统用于对试验过程中的靶体运动以及介质扰动时序过程进行图像采集；

所述激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统用于每一次试验的激光能量记录、脉宽波形记录与功率密度空间分布记录；以及，通过脉宽波形的上升前沿作为触发，实现多场同步实时测量。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤激光多普勒干涉测速系统包括：通讯激光器、光纤环形器、聚焦透镜、探测器、示波器和控制系统，其中，通讯激光器、光纤环形器、探测器和示波器依次相连，聚焦透镜与光纤环形器相连；

所述通讯激光器用于发射通讯激光至光纤环形器的第一端口；

所述光纤环形器用于将接收到的通讯激光从其第二端口发送至聚焦透镜，以及，将接收到的参考光和信号光从其第三端口发送至探测器；

所述聚焦透镜用于将接收到的通讯激光的一部分作为参考光从其端面反射回所述光纤环形器的第二端口，另一部分输出至运动靶面；并将从运动靶面反射回的信号光发送至光纤环形器的第二端口；

所述探测器用于探测所述参考光和信号光产生的差拍干涉信号，并发送至示波器；

所述示波器用于记录所述差拍干涉信号，并将所记录的差拍干涉信号发送至控制系统。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PVDF瞬态压力测试系统包括PVDF传感器、示波器和三个电阻，其中，PVDF传感器与第一电阻并联，所述第一电阻的一端连接第三电阻，另一端连接第二电阻；所述第二电阻的一端与第一电阻相连，另一端与第三电阻相连；所述第二电阻与所述示波器并联。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述第一电阻、第二电阻和第三电阻如下条件：

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统包括：光电探测器、示波器、能量计、光路系统和电荷耦合器件CCD；其中，

所述光电探测器，用于测量衰减后的激光脉宽波形；

所述示波器，其与光电探测器相连，用于记录衰减后的激光脉宽波形，并利用脉宽波形的上升前沿作为触发，控制多物理场实时测量的同步进行；

所述能量计，用于记录单脉冲激光能量；

所述光路系统，包含棱镜光学器件，用于对激光能量进行衰减；

所述CCD，与所述光路系统相连，用于记录激光功率密度的空间分布，进一步分析其光束质量。