CN108917592A - 一种膛内运动目标关键位置信号光电测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种膛内运动目标关键位置信号光电测量装置及方法，其特征在于，该装置分为电磁场区域和测试工作区域，所述电磁场区域与所述测试工作区域之间均为单独的工作区域；所述电磁场区域内放置电磁发射装置和激光发射及光信号接收模块，所述激光发射及光信号接收模块包括激光发射单元和光信号接收单元，所述激光发射单元和光信号接收单元对应卡设在所述电磁发射装置两侧；所述测试工作区域内放置光纤激光器、光电转换及信号处理模块和中央处理模块，所述光纤激光器通过第一传光光纤连接所述激光发射单元，所述光信号接收单元通过第二传光光纤依次连接所述光电转换及信号处理模块和中央处理模块。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触式位置测量装置，特别是关于一种膛内运动目标关键位置信号光电测量装置及方法，属于光电检测技术领域。
背景技术
电枢膛内关键位置信号参数的测量对于研究、优化电磁发射系统有着非常重要的意义，现有测试方法主要有接触法和非接触法两大类。接触法对于高速运动目标的飞行姿态有较大影响，测试精度较低，且不利于连续测量，不适合膛内运动目标参数的测量。非接触法中，现阶段用于膛内运动目标测量的方法主要有多普勒(Doppler)雷达和B-dot磁探针法，采用多普勒(Doppler)雷达只能测量第一发电枢运动情况，对于连发电枢无法进行测量，而B-dot磁探针法是通过感应运动电枢中的电流产生的磁场进行测量，但是由于电磁发射系统本身处于强磁场环境中，因此对B-dot磁探针测量带来很大干扰，测试精度较低，通过实测表明，当电枢电流小，发射频率较高时，使用B-dot磁探针测量输出信号波形较差，测试精度无法保证。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够避免强磁场环境下电磁干扰的膛内运动目标关键位置信号光电测量装置及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种膛内运动目标关键位置信号光电测量装置，其特征在于，该装置分为电磁场区域和测试工作区域，所述电磁场区域与所述测试工作区域之间均为单独的工作区域；所述电磁场区域内放置电磁发射装置和激光发射及光信号接收模块，所述激光发射及光信号接收模块包括激光发射单元和光信号接收单元，所述激光发射单元和光信号接收单元对应卡设在所述电磁发射装置两侧；所述测试工作区域内放置光纤激光器、光电转换及信号处理模块和中央处理模块，所述光纤激光器通过第一传光光纤连接所述激光发射单元，所述光信号接收单元通过第二传光光纤依次连接所述光电转换及信号处理模块和中央处理模块。
进一步地，所述激光发射单元包括发射套筒，所述发射套筒内依次固定设置扩束镜、准直镜、光阑和发射光窗，所述第一传光光纤通过光纤端面固定套筒固定设置在所述发射套筒内；所述扩束镜对激光光束进行扩束，经扩束后的光通过所述准直镜进行光束准直后经所述光阑去除边缘较弱的光，经所述光阑出射的光通过所述光窗阻止发射过程中产生的杂质。
进一步地，所述光信号接收单元包括接收套筒，所述接收套筒内依次固定设置有接收光窗、狭缝、窄带带通滤光片和聚焦透镜，所述第二传光光纤通过光纤固定套筒固定设置在所述接收套筒尾部；所述第二传光光纤的进光口耦合有光纤传感端，所述接收光窗后端加入狭缝形成均匀的线激光光束，线激光光束通过所述窄带带通滤光片发送到所述聚焦透镜，聚焦后的光斑由所述光纤传感端接收，所述光纤传感端位于所述聚焦透镜焦点前，光信号经所述光纤传感端接收后送入所述第二传光光纤。
进一步地，所述光纤传感端采用外部带有涂层的光纤光锥。
进一步地，所述电磁发射装置通过固定支撑结构连接所述激光发射单元和光信号接收单元，所述固定支撑结构包括用于与所述电磁发射装置固定的顶板、激光发射单元固定臂和光信号接收单元固定臂，所述顶板的底部两侧垂向设置两条用于滑动进入所述电磁发射装置外壳内的横向滑轨，每一所述横向滑轨上通过所述激光发射单元固定臂或光信号接收单元固定臂连接相应的所述激光发射单元或光信号接收单元，所述激光发射单元和光信号接收单元均插入所述电磁发射装置内并与所述电磁发射装置的外壳卡设固定，其中，需要所述保证激光发射单元中的激光束与所述光信号接收单元中的光纤传感端的端面共轴，发出的激光束要覆盖所述光信号接收单元中的接收光窗。
进一步地，所述第一传光光纤和第二传光光纤均采用抗电磁干扰能力强且易与所述光纤激光器以及所述光电转换及信号处理模块中的高速光电探测器耦合的石英光纤。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种膛内运动目标关键位置信号光电测量装置的测试方法，其特征在于包括以下内容：位于测试工作区域的光纤激光器发出的光经第一传光光进入激光发射单元；经激光发射单元出射的激光束发射到光信号接收单元，光信号经光纤传感端接收后送入第二传光光纤，第二传光光纤将光信号送入测试工作区域的光电转换及信号处理模块的高速光电探测器；电磁发射装置进行连续发射时，当运动目标运动至膛内测试点时，运动目标阻挡部分光束，光信号接收单元接收到的光通量发生变化，产生光脉冲信号，光信号经第二传光光纤被高速光电探测器接收；光电转换及信号处理模块将光信号转换成相应电信号，电信号经中央处理模块处理后得到运动目标通过膛内测试点的时刻，同时中央处理模块按照测试点测试得到的信号到达先后顺序依次由对应通道输出相应控制信号到电磁发射装置的控制电源模组。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明分别采用光纤激光和光纤传感端作为光源和光信号探测端，辅以光学和机械结构组成激光发射及光信号接收单元，完成膛内运动目标关键位置的探测，同时使用传光光纤进行光信号的传输，与现有技术相比，该技术具有较强的抗电磁干扰能力，有效避免了强磁场环境下的电磁干扰。2、本发明采用非接触光电测量方法，响应速度快，能够实现高精度、连续测量，同时在光信号接收单元安装有狭缝，通过狭缝进行光信号的检测，有效提高了测试精度。3、本发明在激光发射单元将光纤激光束整形后，使激光光束完全覆盖光信号接收单元固定套筒接收端，避免了因振动引起的发射和接收端相对运动切割光束产生光干扰信号，有效提高了系统抗干扰能力。4、本发明在光信号接收单元采用聚焦透镜和光纤传感端进行光信号接收，有效降低了光信号接收损耗，提高了光信号接收量，同时光纤传感端易于同传光光纤耦合，通过传光光纤进行光信号传输，有效降低了光信号的传输损耗。本发明可以广泛应用于电枢在电磁发射装置膛内关键位置运动信号的测量。
附图说明
图1为本发明的膛内运动目标位置测量装置结构示意图；
图2为本发明的膛内运动目标位置测量装置的激光发射单元结构示意图；
图3为本发明的膛内运动目标位置测量装置的光信号接收单元结构示意图；
图4为本发明的膛内运动目标位置测量装置的固定支撑结构的示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本发明提供的膛内运动目标关键位置信号光电测量装置，其中，本发明所指的关键位置是指大电流激发膛内运动目标的位置，包括电磁场区域和测试工作区域，电磁场区域与测试工作区域之间均为单独的工作区域，测试工作区域没有电磁信号干扰；电磁场区域内放置有电磁发射装置1和激光发射及光信号接收模块2，激光发射及光信号接收模块2包括激光发射单元21和光信号接收单元22，电磁发射装置1两侧对应卡设激光发射单元21和光信号接收单元22；测试工作区域内放置有光纤激光器3、光电转换及信号处理模块6和中央处理模块7。光纤激光器3通过第一传光光纤4连接激光发射单元21，光信号接收单元22通过第二传光光纤5连接光电转换及信号处理模块6的输入端，光电转换及信号处理模块6的输出端连接中央处理模块7的输入端，中央处理模块7的输出端控制电磁发射装置1的控制电源模组。
在一个优选的实施例中，为了避免在电磁发射过程中产生的强电磁对测试过程的干扰，本发明的第一传光光纤4和第二传光光纤5均可以采用抗电磁干扰能力强，芯径较细、损耗低、弯曲性能好且易与光纤激光器3以及光电转换及信号处理模块6中的高速光电探测器耦合的石英光纤。
在一个优选的实施例中，如图2所示，激光发射单元21包括一发射套筒211，发射套筒211内依次固定设置扩束镜212、准直镜213、光阑214和发射光窗215，第一传光光纤4通过光纤端面固定套筒216和顶丝217固定插设在发射套筒211内，为了抗振动干扰，需要使激光发射单元21输出光斑能够覆盖光信号接收端面，因此，使用扩束镜212对激光光束进行扩束，经扩束后的光束通过准直镜213进行光束准直后经光阑214去除边缘较弱的光，即可获得较均匀的准直入射光束，经光阑214出射的光通过光窗215射出，光窗215可有效阻止发射过程中产生的杂质进入发射套筒211。
在一个优选的实施例中，如图3所示，光信号接收单元23包括接收套筒231，接收套筒231内依次固定设置有接收光窗232、狭缝233、窄带带通滤光片234、聚焦透镜235和光纤固定套筒236，第二传光光纤5通过光纤固定套筒236和顶丝237固定设置在接收套筒231尾部，第二传光光纤5的进光口耦合有光纤传感端238，为提高测试精度，在接收光窗232后端加入狭缝233形成均匀的线激光光束，采用窄带带通滤光片234可有效滤除干扰光信号，将均匀的激光束通过窄带带通滤光片234后送入聚焦透镜235，聚焦后的光斑由光纤传感端238接收，光纤传感端238位于聚焦透镜235焦点前，光信号经光纤传感端238接收后送入第二传光光纤5，由第二传光光纤5进行传输；优选地，光纤传感端238可以采用外部带有涂层(涂层的作用，保护光锥不被强光烧蚀)的光纤光锥。
在一个优选的实施例中，为了实现激光发射接收一体化，如图4所示，电磁发射装置1可以通过固定支撑结构7连接激光发射单元21和光信号接收单元22，它包括用于与电磁发射装置1固定的顶板71、激光发射单元固定臂72和光信号接收单元固定臂73；顶板71与电磁发射装置1的外壳通过固定螺栓74与电磁发射装置1的顶部固定，顶板71的底部两侧垂向设置两条用于滑动进入电磁发射装置1外壳内的横向滑轨75，每一横向滑轨75上通过激光发射单元固定臂72或光信号接收单元固定臂73连接相应的激光发射单元21或光信号接收单元22，激光发射单元21和光信号接收单元22均插入电磁发射装置1内并与电磁发射装置1的外壳卡设固定，其中，需要保证激光发射单元21中的激光束与光信号接收单元22中的光纤传感端238的端面共轴，发出的激光束要覆盖光信号接收单元22中的接收光窗232，避免了因相对位置变化产生的光干扰信号。
在一个优选的实施例中，光电转换及信号处理模块6包括高速光电探测器、运算放大电路、滤波电路和比较电路。第二传光光纤5中的光信号耦合进入高速光电探测器，高速光电探测器将光信号转换成电信号，电信号经运算放大电路、滤波电路和比较电路处理后送入中央处理模块7，其中，本发明中的高速光电探测器是指响应时间为纳秒级的光电探测器。
在一个优选的实施例中，中央处理模块7可以采用高速运算单片机及外围电路实现，将经过信号处理后的电信号，按信号到达时间经过运算后产生对应控制信号，依次由多路信号输出端输出到电磁发射装置1的控制电源模组。
下面通过具体实施例进一步说明本发明的膛内运动目标关键位置信号光电测量装置的测试方法：
位于测试工作区域(电磁干扰屏蔽区域)的光纤激光器3发出的光经第一传光光纤4进入激光发射单元21；
经激光发射单元21出射的激光束照射到光信号接收单元22，光信号经光纤传感端238接收后送入第二传光光纤5；
第二传光光纤5将光信号送入测试工作区域的光电转换及信号处理模块6将光信号转换成电信号；
电磁发射装置1进行连续发射时，当运动目标即电枢运动至膛内测试点时，电枢阻挡部分光束，光信号接收单元22接收到的光通量发生变化，产生光脉冲信号，光信号经第二传光光纤5被高速光电探测器接收；
光电转换及信号处理模块将光信号转换成相应电信号，电信号经中央处理模块7处理后得到电枢通过膛内测试点的时刻，同时中央处理模块7按照测试点测试得到的信号到达先后顺序依次由对应通道输出相应控制信号到电磁发射装置1的控制电源模组。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，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 (7)
1.一种膛内运动目标关键位置信号光电测量装置，其特征在于，该装置分为电磁场区域和测试工作区域，所述电磁场区域与所述测试工作区域之间均为单独的工作区域；
所述电磁场区域内放置电磁发射装置和激光发射及光信号接收模块，所述激光发射及光信号接收模块包括激光发射单元和光信号接收单元，所述激光发射单元和光信号接收单元对应卡设在所述电磁发射装置两侧；
所述测试工作区域内放置光纤激光器、光电转换及信号处理模块和中央处理模块，所述光纤激光器通过第一传光光纤连接所述激光发射单元，所述光信号接收单元通过第二传光光纤依次连接所述光电转换及信号处理模块和中央处理模块。
2.根据权利要求1所述的膛内运动目标关键位置信号光电测量装置，其特征在于，所述激光发射单元包括发射套筒，所述发射套筒内依次固定设置扩束镜、准直镜、光阑和发射光窗，所述第一传光光纤通过光纤端面固定套筒固定设置在所述发射套筒内；所述扩束镜对激光光束进行扩束，经扩束后的光通过所述准直镜进行光束准直后经所述光阑去除边缘较弱的光，经所述光阑出射的光通过所述光窗阻止发射过程中产生的杂质。
3.根据权利要求1所述的膛内运动目标关键位置信号光电测量装置，其特征在于，所述光信号接收单元包括接收套筒，所述接收套筒内依次固定设置有接收光窗、狭缝、窄带带通滤光片和聚焦透镜，所述第二传光光纤通过光纤固定套筒固定设置在所述接收套筒尾部；所述第二传光光纤的进光口耦合有光纤传感端，所述接收光窗后端加入狭缝形成均匀的线激光光束，线激光光束通过所述窄带带通滤光片发送到所述聚焦透镜，聚焦后的光斑由所述光纤传感端接收，所述光纤传感端位于所述聚焦透镜焦点前，光信号经所述光纤传感端接收后送入所述第二传光光纤。
4.根据权利要求3所述的膛内运动目标关键位置信号光电测量装置，其特征在于，所述光纤传感端采用外部带有涂层的光纤光锥。
5.根据权利要求3所述的膛内运动目标关键位置信号光电测量装置，其特征在于，所述电磁发射装置通过固定支撑结构连接所述激光发射单元和光信号接收单元，所述固定支撑结构包括用于与所述电磁发射装置固定的顶板、激光发射单元固定臂和光信号接收单元固定臂，所述顶板的底部两侧垂向设置两条用于滑动进入所述电磁发射装置外壳内的横向滑轨，每一所述横向滑轨上通过所述激光发射单元固定臂或光信号接收单元固定臂连接相应的所述激光发射单元或光信号接收单元，所述激光发射单元和光信号接收单元均插入所述电磁发射装置内并与所述电磁发射装置的外壳卡设固定，其中，需要所述保证激光发射单元中的激光束与所述光信号接收单元中的光纤传感端的端面共轴，发出的激光束要覆盖所述光信号接收单元中的接收光窗。
6.根据权利要求1所述的膛内运动目标关键位置信号光电测量装置，其特征在于，所述第一传光光纤和第二传光光纤均采用抗电磁干扰能力强且易与所述光纤激光器以及所述光电转换及信号处理模块中的高速光电探测器耦合的石英光纤。
7.一种膛内运动目标关键位置信号光电测量装置的测试方法，其特征在于包括以下内容：
位于测试工作区域的光纤激光器发出的光经第一传光光进入激光发射单元；经激光发射单元出射的激光束发射到光信号接收单元，光信号经光纤传感端接收后送入第二传光光纤，第二传光光纤将光信号送入测试工作区域的光电转换及信号处理模块的高速光电探测器；
电磁发射装置进行连续发射时，当运动目标运动至膛内测试点时，运动目标阻挡部分光束，光信号接收单元接收到的光通量发生变化，产生光脉冲信号，光信号经第二传光光纤被高速光电探测器接收；光电转换及信号处理模块将光信号转换成相应电信号，电信号经中央处理模块处理后得到运动目标通过膛内测试点的时刻，同时中央处理模块按照测试点测试得到的信号到达先后顺序依次由对应通道输出相应控制信号到电磁发射装置的控制电源模组。
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