CN104697650B - 一种高速光学测速装置 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种高速光学测速装置

技术领域

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。

背景技术

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10⁷m/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5μs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。本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明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；

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。

本发明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是本发明的系统结构组成框图；

1—连接导线2—连接导线3—同轴电缆4—电磁屏蔽模块

图2是本发明的信号调理模块的一种设计原理图；

图3是本发明的供电模块的构成示意图；

5—小型变压器

图4是本发明的信号采集存储模块的实施方式示意图；

图5是本发明的信号捕捉模块示意图；

ΔH—光脉冲信号步进的空间高度差Δh—感光器件的高度差d—光脉冲信号所在垂直平面与镜头平面间的水平距离f—镜头焦距

图6是本发明的光信号上升时间及速度测量原理图。

t _r—上升时间S ₁—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S ₂—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t ₁—感光器件1捕捉的电信号上升到最大值所对应的时刻t ₂—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

下面结合附图对本发明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OP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R _FE可表示为

（1）

从式（1）可以看出，T型网络相当于将R _F的有效值乘以倍增因子(1+R ₁/R _F+R ₁/R ₂)，即较小阻值的R _F得到了与常规互阻抗电路中高阻值反馈电阻相同的电流-电压转换增益。此外，以相位补偿而言，对于等效的相位补偿结果，C _F的倍增因子也是(1+R ₁/R _F+R ₁/R ₂)，因此常规互阻抗电路的相位补偿结果在转换到T型网络后，其最优的C _F增加到了原值的(1+R ₁/R _F+R ₁/R ₂)倍。显然，T型网络中阻值较小的R _F所需旁路电容C _F的值较大，而C _F越大，对寄生电容就越不敏感，且更小的阻值使得跨过每个电阻的寄生电容产生的作用也更小。实际应用中，在输出端串接小阻值隔离电阻R用于隔离驱动同轴电缆和后续存储设备，防止产生自激。

所述的供电模块框图示于图3，电源线上的噪声同样可以耦合到运放的信号路径中，而运放有限的电源纹波抑制比会将部分此种噪声耦合到其输入端，并与一般输入噪声一样被电路放大。稳压单元对整流输出电压进行滤波处理后，产生低纹波电源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。

所述的采集存储模块的构成示于图4，通过微处理器控制高速AD芯片采集信号调理模块输出的电压波形，波形数字化后记录在存储设备。此外，高速AD芯片采集信号后也可直接接入PC进行保存。

所述的噪声抑制模块，包含感光阵列器件的反向偏置电压端滤波电容和利用闪电信号与背景光噪声信号在空间表现上的差异消除环境光对运放输入端影响的去耦电容等，电容间的组合设计对测量装置的响应速度有直接影响。

外部静电源和磁场源的寄生噪声耦合通常会对测量装置强加背景噪声，感光器件的噪声增益峰也会强化这些噪声源的影响，而所述的电磁屏蔽模块可消除此类影响。

所述的信号捕捉模块工作原理示于图5，假定光脉冲信号步进的空间高度差为ΔH，感光器件的高度差为Δh，光脉冲信号所在垂直平面与镜头平面间的水平距离为d，镜头焦距为f，则利用相似三角形原理可得

（2）

所述的光信号上升时间及速度测量原理示于图6，信号S ₁为信号采集存储模块记录的光脉冲在高度H ₁处产生的、由感光器件1捕捉并转化放大的电信号，信号S ₂为信号采集存储模块记录的光脉冲在高度H ₂处产生的、由感光器件2捕捉并转化放大的电信号。上升时间t _r定义为信号从10%的峰值光强上升到90%峰值光强所需的时间；光脉冲信号在不同感光器件的延时捕获反应了其步进速度，计算结果如下：

（3）

以上所述仅是本发明的一种实施方式，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形（如集成通信设备等），这些改进和变形也应视为本发明的保护内容。

Claims (3)

1.一种高速光学测速装置，其特征在于，时间分辨率优于40ns，可以同时测得瞬变光脉冲信号的速度和上升时间，包括：

信号捕捉模块，包含光学镜头和感光阵列，用以接收瞬变光脉冲信号并转化为电信号；

噪声抑制模块，包含所述感光阵列的反向偏置电压端滤波电容和利用瞬变光脉冲信号与背景光噪声信号在空间表现上的差异性消除环境光对运放输入端影响的去耦电容，所述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；

信号调理模块，包含一个由宽带运算放大器、电阻、电容构成的T型反馈网络互阻抗放大电路，利用运放的虚地原理使得信号调理模块对所述信号捕捉模块等效为零阻抗负载，可以改善所述感光阵列的响应时间，所述T型反馈网络互阻抗放大电路将所述感光阵列的输出的电流信号放大，并转换为正比于接收光强度的输出电压；

信号采集存储模块，通过高速AD数据采集卡实现对所述信号调理模块输出信号的采集和数字化存储；

上升时间t _r为所述信号采集存储模块记录的感光器件捕捉的并转化放大的电信号从10%的峰值光强上升到90%峰值光强所需的时间；

信号S₁为所述信号采集存储模块记录的瞬变光脉冲信号在高度H ₁处产生的、由所述感光阵列中的感光器件1捕捉并转化放大的电信号，信号S₂为所述信号采集存储模块记录的瞬变光脉冲信号在高度H ₂处产生的、由所述感光阵列中的感光器件2捕捉并转化放大的电信号，瞬变光脉冲信号在不同感光器件的延时捕获反应了其步进速度，计算公式如下，

(1)

其中，t ₁为感光器件1捕捉并转化放大的电信号S₁上升到最大值所对应的时刻，t ₂为感光器件2捕捉并转化放大的电信号S₂上升到最大值所对应的时刻，为瞬变光脉冲信号步进的空间高度差，其可以利用相似三角形原理得出，

(2)

其中，为感光器件的高度差，d为所述瞬变光脉冲信号所在垂直平面与所述光学镜头平面间的水平距离，f为所述光学镜头焦距；

电磁屏蔽模块，构建了所述信号捕捉模块、所述噪声抑制模块、所述信号调理模块以及所述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。

2.如权利要求1所述的信号捕捉模块，其特征在于，所述感光阵列为高速光电二极管阵列，可将捕捉的瞬变光脉冲信号转化为电信号。

3.如权利要求1所述的信号调理模块，其特征在于，用小阻值电阻、电容构建的T型负反馈网络在保证足够灵敏度的同时可以消除大电阻的寄生电容效应，减小信号失真，放宽对补偿电容的要求。