CN108775998A - 一种测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统，包括：靶室，用于模拟太空环境；靶面，布置在所述靶室内，弹丸碰撞该靶面后产生碎片云；测速仪，用于测量弹丸的运动速度并计算弹丸到靶面的运动时间；脉冲激光器，朝向所述碎片云发出激光；扩束器，对所述脉冲激光器的出射光进行扩束和准直；第一透镜模块，实现对通过所述碎片云的光束进行缩小；CCD相机，记录所述碎片云的全息图；数字延时发生器；滤光片模块，安装在所述CCD相机前减弱激光，提高信噪比；示波器，记录所述测速仪，所述CCD相机曝光和激光出光电压信号的时序；计算模块，采集CCD相机记录的碎片云全息图并用全息图重建软件重建，得到碎片云的三维结构和碎片大小。

Description

一种测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统及方法
技术领域
本发明涉及超高速数字全息三维测量技术领域，特别涉及一种测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统及方法。
背景技术
随着人类对外太空的不断探索和开发以及航空航天技术的迅猛发展，造成末级火箭、卫星爆炸、火箭发动机的燃烧剩余物以及剥落下来的漆片、涂层等构成的空间碎片数量急剧增加，且大多位于近地轨道上。这些空间碎片的速度范围一般在几千米每秒至几十千米每秒之间，对在轨航天器的安全构成了极大的威胁。
高速撞击过程中弹靶材料会发生大变形、碎裂以及应力波作用导致的层裂破坏现象，形成碎片云。当碰撞速度很高时，弹靶材料的压力和温度极高，碎片云会发生熔化、汽化甚至变成离子体等物理现象。研究超高速碰撞产生的碎片云三维结构特征，深入分析碎片对航天器可能造成的危害，可以为航天器的防护设计提供设计思路和依据，以满足航天科技不断发展所带来的安全需求。
现有技术在超高速碰撞碎片云的研究工作中，主要基于实验所得的碎片云图像对碎片云的结构做细致的分析。一般超高速碰撞碎片云的运动速度达到几千米每秒，整个试验观察过程仅有几十微秒，为了对超高速运动碎片云的图像进行记录，要确保图像的曝光时间足够短，以减少超高速运动引起的图像模糊失真。纳秒级光电快门能够实现很短的曝光时间，但设备昂贵，且对我国实行禁运和技术封锁。关于超高速碰撞碎片云三维结构的测量试验，国内外尚未查到相关资料。
因此，如何实现有效的超高速碰撞碎片云三维结构的测量试验的同时，降低测量成本具有十分重大的意义。
发明内容
本发明提供了一种测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统，实现超高速碰撞碎片云图像的记录，能够获得碎片云的三维结构及碎片的大小和形状。
一种测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统，包括：
靶室，用于模拟太空环境，内部抽真空；
靶面，布置在所述靶室内，弹丸碰撞该靶面后产生碎片云，材质主要是不同厚度的铝板；
测速仪，用于测量弹丸的运动速度并计算弹丸到靶面的运动时间；
脉冲激光器，朝向所述碎片云发出激光；
扩束器，对所述脉冲激光器的出射光进行扩束和准直；
第一透镜模块，实现对通过所述碎片云的光束进行缩小；
CCD相机，记录所述碎片云的全息图；
数字延时发生器，用来接收所述测速仪的电压信号，控制所述CCD相机开始曝光以及所述脉冲激光器出光电压信号的发出；
滤光片模块，安装在所述CCD相机前；可以减弱激光，提高信噪比。
示波器，记录所述测速仪，所述CCD相机曝光和激光出光电压信号的时序；一般的，通道数大于等于4；
计算模块，采集CCD相机记录的碎片云全息图并用全息图重建软件重建，得到碎片云的三维结构和碎片大小。计算模块可以采用计算机。
为了精确的控制CCD相机曝光，激光出光，用数字延时发生器接收测速仪的电压信号，然后按照预先设定的时间序列分别发出电压信号控制CCD相机开始曝光，激光器出光。
为了直观反映测速仪，CCD相机曝光，激光出光电压信号的时序，提高测试效率，采用示波器记录测速仪，CCD相机曝光，激光出光电压信号。
一般脉冲激光器的能量较高，即使经过扩束，也会对CCD相机芯片造成不可逆的损伤，为了减弱激光强度，防止激光打坏CCD相机，采用中性滤光片减弱激光强度，优选的，所述滤光片模块包括中性滤光片。
为了提高信噪比，减弱超高速碰撞产生等离子体自发光对全息图质量的影响，优选的，所述中性滤光片安装在碎片云颗粒场后，CCD相机前。有效减弱激光强度。
为了提高信噪比，上述中性滤光片的安装位置有利于调整激光强度，使光束照射碎片云颗粒场形成的信号光强于等离子体自发光。
等离子体的温度非常高，其自发光的光谱范围也很宽，基本包括了CCD相机的光谱响应范围，即使调高激光强度，也较难保证足够的信噪比。进一步优选的，所述滤光片模块还包括532nm带通滤光片。在CCD相机前安装532nm带通滤光片，带宽10～20nm，这样只允许信号光和极少部分的自发光通过，大大提高记录全息图的信噪比。
优选的，所述第一透镜模块包括两块凸透镜，两块凸透镜的大小分别为8～12cm和3～7cm，焦距分别为18～22cm和8～12cm，两块透镜的间距为25～35cm。设计第一透镜模块一方面扩大了测量视场，另一方面减小了全息图的记录距离，提高了碎片云z轴方向测量精度。
为了提高扩束效果，优选的，所述扩束器前面安装用于增大光斑直径的第二透镜模块。
超高速碰撞弹丸的运动速度高达3～8km/s，碰撞薄板产生碎片云的运动速度也达到几千米每秒，高速CCD相机最短的曝光时间为1μs，假设碎片云的运动速度为5km/s，则曝光时间内碎片运动距离5mm，这样CCD相机记录到的基本都是相互重叠的拖影。为了减少超高速运动引起的图像模糊失真，采用脉冲激光器作为光源，CCD相机在激光器出光前开始曝光，CCD相机接收信号光的时间等于激光器的脉宽，这样CCD相机的有效曝光时间就取决于激光器的脉宽。优选的，所述脉冲激光器为纳秒级脉冲激光器。采用纳秒级脉冲激光器使得超高速运动碎片云的全息图被记录而没有产生拖影。进一步优选的，纳秒级脉冲激光器的脉宽小于20ns，且出射激光的相干长度大于3cm。
一种测量超高速碰撞碎片云三维结构的方法，使用上述的测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统，包括以下步骤：
(1)测速仪获得弹丸的速度，计算弹丸到靶面的运动时间，发出电压信号；
(2)数字延时发生器收到测速仪的电压信号，然后按照预先设定的时间序列分别发出电压信号控制CCD相机开始曝光，激光器出光；
(3)弹丸碰撞靶面形成碎片云，激光经准直扩束后照射碎片云；
(4)参考光与碎片散射光干涉形成碎片云全息图，全息图经过第一透镜模块和滤光片模块后被CCD相机记录；
(5)示波器记录测速仪，CCD相机曝光，激光出光电压信号的时序；
(6)计算模块用数字全息重建软件对碎片云全息图进行重建，得到超高速弹丸碰撞薄板产生碎片云的三维结构及碎片的大小和形状。
超高速碰撞弹丸的运动速度高达3～8km/s，碰撞薄板产生碎片云的运动速度也达到几千米每秒，高速CCD相机最短的曝光时间为1μs，假设碎片云的运动速度为5km/s，则曝光时间内碎片运动距离5mm，这样CCD相机记录到的基本都是相互重叠的拖影。为了减少超高速运动引起的图像模糊失真，优选的，步骤(2)中，预先设定的时间序列为：CCD相机先开始曝光，激光器后出光，CCD相机有效曝光时间等于激光器的脉宽。
靶面距离观察板10～12cm，碎片云径向最大直径6～8cm，为了得到整个碎片云全息图，优选的，步骤(3)中，扩束后的光束直径大于8cm。当前工业级CCD相机芯片的最大尺寸小于5cm，步骤(4)中采用第一透镜模块对碎片云全息图进行缩小再被CCD相机记录。
圆柱形靶室的直径大于1m，加上光学窗口的距离，如果用CCD相机直接记录碎片云的全息图，全息图的记录距离(碎片云距离CCD相机芯片的长度)将大于60cm，碎片云的z轴方向测量精度会降低，步骤(4)中采用第一透镜模块保证记录距离小于40cm。
本发明的有益效果：
本发明的测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统及方法，能够克服碰撞产生等离子体自发光的干扰，实现超高速碰撞碎片云全尺寸图像的记录，得到碎片云的三维结构及碎片的大小和形状，为超高速碰撞研究提供有力的技术手段和数据支撑。
附图说明
图1为本发明的测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统的结构示意图。
图2为本发明中的第一透镜模块的光路示意图。
图3为本发明方法在安装第一透镜模块后记录距离的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法易于了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统包括靶室1、靶面2、观察板3、碎片云4、测速仪5、数字延时发生器6、CCD相机7、纳秒级脉冲激光器8、透镜9、扩束器10、平行光束11、透镜12、透镜13、532nm带通滤光片14、中性滤光片15、电脑16和示波器17。透镜12和透镜13组成第一透镜模块，透镜9为第二透镜模块。
其中，超高速碰撞试验弹丸的运动速度高达3～8km/s，碰撞靶面2产生碎片云4的运动速度也达到几千米每秒，为了减少超高速运动引起的图像模糊失真，采用脉冲激光器8作为光源，CCD相机7在激光器出光前开始曝光，CCD相机接收信号光的时间等于激光器的脉宽，脉冲激光器8为纳秒级脉冲激光器，脉宽小于20ns，且出射激光的相干长度大于3cm。
为了提高扩束效果，在扩束器10的前面安装透镜9，增大光斑直径。脉冲激光器的能量较高，即使经过扩束，也会对CCD相机芯片造成不可逆的损伤，为了减弱激光强度，防止激光打坏CCD相机，采用中性滤光片15减弱激光强度。
超高速弹丸碰撞靶面2形成碎片云4的同时也产生高温等离子体，高亮的自发光会引起CCD相机7过曝光，所以在记录碎片云全息图的CCD相机7前安装532nm带通滤光片14，带宽10nm，只允许信号光和极少部分的自发光通过，大大提高记录全息图的信噪比。
为了提高信噪比，减弱自发光对全息图质量的影响，将中性滤光片安装在碎片云4颗粒场后，CCD相机7前。如果安装在碎片云4颗粒场前，碎片云全息图的信号光减弱，而未被532nm带通滤光片过滤的高温等离子体自发光会增加背景噪声。
超高速碰撞试验靶面2距离观察板3为10～12cm，碎片云4径向最大直径6～8cm，为了得到整个碎片云4全息图，光束11直径要大于8cm。当前工业级CCD相机芯片的最大尺寸小于5cm，如图2所示的透镜模块的光路，对碎片云4的全息图进行缩小再被CCD相机7记录。
超高速碰撞试验圆柱形靶室1的直径大于1m，加上光学窗口的距离，如果用CCD相机7直接记录碎片云4的全息图，全息图的记录距离(碎片云距离CCD相机芯片的长度)，将大于60cm，这样碎片云4的z轴方向测量精度会降低。记录距离越大，干涉条纹间距δ越大，CCD相机7记录的条纹数越少，z轴方向的定位精度会降低。
为了提高碎片云三维结构的测量精度，图2所示的透镜模块使记录距离Z小于40cm，如图3所示，透镜模块由两块凸透镜组成，透镜12和透镜13的大小分别为10cm和5cm，焦距分别为f1＝20cm和f2＝10cm，两块透镜的间距为30cm。
为了精确的控制CCD相机曝光，激光出光，采用数字延时发生器6接收测速仪5的电压信号，然后按照预先设定的时间序列分别发出电压信号控制CCD相机开始曝光，激光器8出光。
为了直观反映测速仪5，CCD相机曝光，激光出光电压信号的时序，提高测试效率，采用示波器17记录测速仪5，CCD相机曝光，激光出光电压信号。
本实施例的测量超高速碰撞碎片云三维结构的方法实施步骤如下：
(1)测速仪5获得弹丸的速度，计算弹丸到靶面2的运动时间，发出电压信号；
(2)数字延时发生器6收到测速仪的电压信号，然后按照预先设定的时间序列分别发出电压信号控制CCD相机开始曝光，激光器8出光；
(3)弹丸碰撞靶面2形成碎片云4，激光经准直扩束后照射碎片云2；
(4)参考光与碎片散射光干涉形成碎片云全息图，全息图经过透镜组和滤光片组后被CCD相机7记录；
(5)示波器17记录测速仪5，CCD相机曝光，激光出光电压信号的时序；
(6)电脑16通过数字全息重建软件对碎片云全息图进行重建，得到超高速弹丸碰撞薄板产生碎片云的三维结构及碎片的大小和形状。
综上所述，本实施例的测量超高速碰撞碎片云三维结构的方法及系统，能够实现超高速碰撞碎片云图像的记录，获得碎片云的三维结构及碎片的大小和形状，为超高速碰撞研究提供有力的技术手段和数据支撑。

Claims (9)

1.一种测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统，其特征在于，包括：
靶室，用于模拟太空环境；
靶面，布置在所述靶室内，弹丸碰撞该靶面后产生碎片云；
测速仪，用于测量弹丸的运动速度并计算弹丸到靶面的运动时间；
脉冲激光器，朝向所述碎片云发出激光；
扩束器，对所述脉冲激光器的出射光进行扩束和准直；
第一透镜模块，实现对通过所述碎片云的光束进行缩小；
CCD相机，记录所述碎片云的全息图；
数字延时发生器，用来接收所述测速仪的电压信号，控制所述CCD相机开始曝光以及所述脉冲激光器出光电压信号的发出；
滤光片模块，安装在所述CCD相机前；
示波器，记录所述测速仪，所述CCD相机曝光和激光出光电压信号的时序；
计算模块，采集CCD相机记录的碎片云全息图并用全息图重建软件重建，得到碎片云的三维结构和碎片大小。
2.如权利要求1所述的测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统，其特征在于，所述滤光片模块包括中性滤光片。
3.如权利要求2所述的测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统，其特征在于，所述中性滤光片安装在碎片云颗粒场后，CCD相机前。
4.如权利要求2所述的测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统，其特征在于，所述滤光片模块还包括532nm带通滤光片。
5.如权利要求1所述的测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统，其特征在于，所述第一透镜模块包括两块凸透镜，两块凸透镜的大小分别为8～12cm和3～7cm，焦距分别为18～22cm和8～12cm，两块透镜的间距为25～35cm。
6.如权利要求1所述的测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统，其特征在于，所述扩束器前面安装用于增大光斑直径的第二透镜模块。
7.如权利要求1所述的测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统，其特征在于，所述脉冲激光器为纳秒级脉冲激光器。
8.一种测量超高速碰撞碎片云三维结构的方法，其特征在于，使用如权利要求1～7任一权利要求所述的测量超高速碰撞碎片云三维结构的系统，包括以下步骤：
(1)测速仪获得弹丸的速度，计算弹丸到靶面的运动时间，发出电压信号；
(2)数字延时发生器收到测速仪的电压信号，然后按照预先设定的时间序列分别发出电压信号控制CCD相机开始曝光，激光器出光；
(3)弹丸碰撞靶面形成碎片云，激光经准直扩束后照射碎片云；
(4)参考光与碎片散射光干涉形成碎片云全息图，全息图经过第一透镜模块和滤光片模块后被CCD相机记录；
(5)示波器记录测速仪，CCD相机曝光，激光出光电压信号的时序；
(6)计算模块用数字全息重建软件对碎片云全息图进行重建，得到超高速弹丸碰撞薄板产生碎片云的三维结构及碎片的大小和形状。
9.如权利要求8所述的测量超高速碰撞碎片云三维结构的方法，其特征在于，步骤(2)中，预先设定的时间序列为：CCD相机先开始曝光，激光器后出光，CCD相机有效曝光时间等于激光器的脉宽。
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