CN109085601A - 一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置及方法 - Google Patents

一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置，包括激光器、环形器、探头、光电探测器和示波器，激光器通过光纤与环形器的第一端口连接，环形器的第二端口通过光纤与探头连接，第三端口通过光纤与光电探测器连接，探头正对待测的模型，光电探测器与示波器连接，该装置检测差拍干涉信号，根据多普勒频移得到频率与时间关系，用以计算模型速度与时间的关系，得到速度变化历程。该装置可用于连续测量高速模型的速度变化历程，实现在微秒/毫秒量级的测量时间内对高速模型速度从0到km/s量级的连续测量。本发明还提供了一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量方法，采用光学直接测量，电信号直接处理方式，简化了测量系统的复杂性。

Description

一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置及方法
技术领域
本发明涉及速度测量技术领域，尤其涉及一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量方法。
背景技术
在弹道靶的高速模型内弹道参数测量中，速度是内弹道测量的关键因素之一，尤其是测量模型从速度0启动到出炮口发射的速度变化历程，是非常关键的测量技术指标。目前应用较多的是雷达测量、VISAR漫反射干涉测速等技术手段，相对建设成本较高、系统设备规模较复杂，而且雷达测量技术用于内弹道高速目标速度测量时，发射管道内壁对雷达信号影响较大，因此需要一种系统结构简单可用于弹道靶高速目标内弹道速度连续测量方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置及方法，实现弹道靶高速模型速度连续测量。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置，包括激光器、环形器、探头、光电探测器和示波器；
所述激光器通过光纤与所述环形器的第一端口连接，所述激光器用于产生固定频率的激光束由第一端口进入所述环形器；
所述环形器的第二端口通过光纤与所述探头连接，第三端口通过光纤与所述光电探测器连接，所述环形器用于将第一端口接收到的激光束分为两路，一路由第二端口进入所述探头作为测量光，另一路由第三端口进入所述光电探测器作为参考光；
所述探头处于所述模型的运动路径上，用于正对待测的模型发射测量光，并接收测量光在模型表面反射后的信号光，使信号光由第二端口进入所述环形器，由第三端口进入所述光电探测器，与参考光干涉形成拍频光信号；
所述光电探测器用于检测拍频光信号，进行光电转换，并将转换到的电信号输入示波器；
所述示波器与所述光电探测器连接，用于对输入的电信号进行采集，并对电信号进行短时傅里叶变换得到频率与时间关系，以计算模型的速度与时间关系。
优选地，所述光纤为单模光纤。
优选地，所述激光器产生的激光束为无间隔连续激光。
优选地，所述激光器产生的激光束功率范围为300～500mW，光谱线宽度＜100KHz。
优选地，所述探头为准直探头，所述探头的焦点在光纤端面处，激光通过所述探头后转换为平行光射出。
优选地，所述探头的口径不小于1.0mm。
本发明还提供了一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量方法，采用如上述任一项所述的用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置进行测量，测量步骤包括：
S1、安装探头，使探头处于模型的运动路径上，并正对待测的模型发射测量光；
S2、发射模型，测量模型连续加速产生的拍频光信号，利用示波器对信号采集及处理得到频率与时间关系；
S3、根据多普勒效应与速度的关系，通过解算测量到的频率与时间关系，得到速度与时间关系。
优选地，所述通过解算测量到的频率与时间关系，得到速度与时间关系，具体为：
根据多普勒效应与速度的关系，模型移动引起的多普勒频移可表示为：
其中，Δf为多普勒频移值，f2为测量光在模型表面反射后的信号光频率，f1为激光器产生的激光束原本频率，v为模型的速度，c为光速，λ1为激光束波长，θ1为探头发出的测量光与模型表面法线的夹角，θ2为反射后的信号光与模型表面法线的夹角。
优选地，测量光与返回的信号光均垂直于模型表面，得到多普勒频移值Δf＝2v/λ1，模型的速度v＝2λ1Δf。
优选地，在步骤S1前检测待测的模型，确保模型表面光洁度不小于3.5。
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置，通过激光器发射激光束经过环形器后激光穿过探头，其中一部分激光被探头反射进入光电探测器作为参考光，另一部分激光照射到高速移动的模型表面后反射回探头再传送到光电探测器作为信号光。在光发生干涉后，使用光电探测器进行接收，利用光电探测器的平方检测特性，检测参考光和信号光的差拍干涉信号，并通过光电转换，电信号放大后由示波器采集。采集后的电信号进行短时傅里叶变换得到频率与时间关系，通过公式计算出模型速度与时间的关系得到速度变化历程。该装置可用于连续测量高速模型在弹道靶内弹道中速度变化历程，实现在微秒/毫秒量级的测量时间内对高速模型速度从0到km/s量级的连续测量。
本发明还提供了一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量方法，利用了激光干涉和激光多普勒效应，通过激光拍频得到高速运动模型的速度变化历程；采用光学直接测量，电信号直接处理方式，简化了测量系统的复杂性。
附图说明
图1是本发明实施例一中用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置结构示意图；
图2是本发明实施例二中计算多普勒效应与速度关系的光路示意图。
图中：1：激光器；2：环形器；3：探头；4：模型；5：光电探测器；6：示波器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例提供的一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置，包括激光器1、环形器2、探头3、光电探测器5和示波器6。如图1所示，图1中白色箭头指示激光传输方向，黑色箭头指示高速模型4移动方向。
其中，激光器1通过光纤与环形器2的第一端口连接，激光器1用于产生固定频率的激光束由第一端口进入环形器2。
环形器2的第二端口通过光纤与探头3连接，第三端口通过光纤与光电探测器5连接。输入环形器2的激光束只能沿单向传输，即由第一端口进入环形器2的光束可由第二端口和第三端口输出，由第二端口进入的光束只能由第三端口输出。环形器2用于将第一端口从激光器1接收到的激光束分为两路，一路由第二端口进入探头3作为测量光，另一路由第三端口进入光电探测器5作为参考光。
探头3处于所述模型的运动路径上，用于正对待测的模型4发射测量光，并接收测量光在模型4表面反射后的信号光，使信号光由第二端口进入环形器2，由第三端口进入光电探测器5，与参考光干涉形成拍频光信号。探头3正对待测的模型4，即，探头3位于模型4运动路径的前方，探头3发射激光的方向与模型4的飞行方向相反；或是，探头3位于模型4运动路径的后方，探头3发射激光的方向与模型4的飞行方向相同。
光电探测器5用于检测拍频光信号，进行光电转换，并将转换到的电信号放大后由示波器6采集。光电探测器5直接检测反射前后的频率差值(拍频值)，即干涉激光的频率值。此处直接检测指的是直接将干涉光照射在光电探测器5的感光面上，光电探测器5转换电信号，不存在扫频速度，因此响应快，可以采集高速/超高速的模型，检测时间单位为纳秒或微秒。利用光电探测器5的平方检测特性，可以计算出光照强度转换的电流大小，电流匹配负载后转换为电压信号，被示波器采集。
示波器6与光电探测器5连接，用于对输入的电信号采集，并对电信号进行短时傅里叶变换得到频率与时间关系，以计算模型的速度与时间关系。其中，光电探测器5和示波器6的具体参数可根据待测量的高速模型的速度进行设定，光电探测器5和示波器6可直接采集干涉光信号，由于干涉光的频率较高，使用例如数据采集卡会造成数据采集不完全。光电探测器5和示波器6的带宽影响模型4速度测量范围。
得到频率与时间的关系即可根据多普勒效应计算模型4的速度与时间关系，可采用人工计算，也可以将示波器6与计算机连接，利用计算机采集计算，得出模型4速度连续变化的过程，进一步地，还可以通过公式计算得到模型4的位移。
使用时，由于探头3需要正对模型4进行测量，探头3可设置在内弹道的出口(弹道靶发射器炮口)处或外弹道上，通过支架安装固定，使探头3位于模型4的运动路径上。如图1所示，当探头3发射激光的方向与模型4的飞行方向正好相反，模型4飞出后会打坏探头4，但示波器6和/或计算机能够保存下模型4在内弹道内快速加速的数据，计算得到模型4速度随时间的变化。优选地，若需避免探头3损伤，可在探头3前安装具有小孔的挡板对探头3进行保护，激光束(测量光)穿过小孔照射在模型4表面，小孔直径应略大于激光束直径。当然探头4也可以根据需要设置在模型4运动路径的后方。
本发明中的用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置利用激光多普勒效应和激光干涉，使用固定频率激光器，用光电探测器直接采集检测激光在高速模型表面反射产生的干涉光信号，得到反射前后的频率差值，分辨率高，可达微秒量级，能够实现高速运动模型速度连续测量，得到高速模型在微秒/毫秒量级时间内，速度从0到km/s量级的连续变化历程，测量速度范围广；且该测量装置结构简单、成本低、易操作。
优选地，连接环形器2与激光器1、探头3和光电探测器5的光纤为单模光纤，采用单模光纤能够形成干涉光。进一步优选地，每段用于连接的单模光纤长度不超过3m，优选为长度不超过2m。
优选地，激光器1产生的激光束为无间隔连续激光。激光器1波长稳定性影响拍频信号频率，由此影响速度测量精度。进一步优选地，激光器1产生的激光束波长为1500～1600nm，优选1550nm；功率为300～500mW，优选400mW，且功率与模型4表面的光洁度有关，模型4表面越光洁反射越多，测量所需功率越小，光谱线宽度＜100KHz，且光谱线宽度越小越好。
优选地，探头3为准直探头，即探头3的焦点在光纤端面处，激光通过探头3后转换为平行光射出照射在模型4表面，当激光到达模型4表面后，部分激光在模型4表面反射，经由探头3返回。激光束光斑直径受到探头3的通光直径限制，探头3过小可能导致采集到的信号光过弱，过大则可能对模型4的飞行造成干扰，优选地，探头3的口径不小于1.0mm，优选为3.2mm，探头3尺寸大更有利于获得更多模型4表面反射激光。
实施例二
本实施例二提供一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量方法，采用如上述任一实施方式提供的用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置进行测量，测量步骤包括：
S1、安装探头3，使探头3处于模型4的运动路径上，并正对待测的模型发射测量光。例如，测量高速模型在内弹道的速度连续变化时，可将探头3设于高速模型内弹道的出口中央，确保探头3能够采集到自模型4表面反射的信号光。
S2、发射模型4，测量模型4连续加速产生的拍频光信号，利用示波器6对信号采集及处理，得到频率与时间关系。
S3、根据多普勒效应与速度的关系，通过解算测量到的频率与时间关系，得到速度与时间关系。
本发明提供了一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量方法，利用了激光干涉和激光多普勒效应，通过激光拍频得到高速运动模型的速度变化历程，可用于连续测量模型速度在微秒/毫秒量级时间内速度从0到km/s量级的连续变化历程；且该方法采用了光学直接测量，电信号直接处理方式，简化了测量的复杂性。
当激光照射到移动的模型4表面时，由于模型4的前后移动会造成激光的频率变化，由此产生了多普勒频移，而多普勒频移的值等于频移前后激光的频率差值。优选地，步骤S3中通过解算到的频率与时间关系，得到速度与时间关系，具体为：
根据多普勒效应与速度的关系，模型4移动引起的多普勒频移可表示为：
其中，Δf为多普勒频移值，f2为测量光在模型4表面反射后的信号光频率，f1为激光器1产生的激光束原本频率，即参考光频率，v为模型4的速度，c为光速，λ1为激光束波长，如图2所示，θ1为探头3发出的测量光与模型4表面法线的夹角，θ2为反射后的信号光与模型4表面法线的夹角。
优选地，探头3正对待测的高速模型4发射平行的测量光，部分激光束垂直入射垂直反射，测量光与返回的信号光均垂直于模型4表面，得到多普勒频移值可表示为Δf＝2v/λ1，则模型4的速度可表示为v＝2λ1Δf。
多普勒频移值Δf可由示波器6采集到的电信号得到。测量装置中的光电探测器5将接收到的干涉光转换为电信号并放大，示波器6采集电信号得到信号幅值，并将此电信号进行短时傅里叶变换，得到频率与时间的关系，即可得到多普勒效应引起的频率变化值Δf。
由于探头3需要采集激光束到达模型4表面后返回的信号光，模型4表面需平整，且具有一定光洁度，光洁度影响反射激光强度，优选地，在步骤S1之前检查模型4表面，确保待测模型4表面光洁度不小于3.5。光洁度越高，反射的信号光越多，可用于测量的模型4飞行距离(即有效测试距离)越长。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置，其特征在于：包括激光器、环形器、探头、光电探测器和示波器；
所述激光器通过光纤与所述环形器的第一端口连接，所述激光器用于产生固定频率的激光束由第一端口进入所述环形器；
所述环形器的第二端口通过光纤与所述探头连接，第三端口通过光纤与所述光电探测器连接，所述环形器用于将第一端口接收到的激光束分为两路，一路由第二端口进入所述探头作为测量光，另一路由第三端口进入所述光电探测器作为参考光；
所述探头处于所述模型的运动路径上，用于正对待测的模型发射测量光，并接收测量光在模型表面反射后的信号光，使信号光由第二端口进入所述环形器，由第三端口进入所述光电探测器，与参考光干涉形成拍频光信号；
所述光电探测器用于检测拍频光信号，进行光电转换，并将转换到的电信号输入示波器；
所述示波器与所述光电探测器连接，用于对输入的电信号进行采集，并对电信号进行短时傅里叶变换得到频率与时间关系，以计算模型的速度与时间关系。
2.根据权利要求1所述的用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置，其特征在于：所述光纤为单模光纤。
3.根据权利要求1所述的用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置，其特征在于：所述激光器产生的激光束为无间隔连续激光。
4.根据权利要求3所述的用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置，其特征在于：所述激光器产生的激光束功率范围为300～500mW，光谱线宽度＜100KHz。
5.根据权利要求1所述的用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置，其特征在于：所述探头为准直探头，所述探头的焦点在光纤端面处，激光通过所述探头后转换为平行光射出。
6.根据权利要求5所述的用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置，其特征在于：所述探头的口径不小于1.0mm。
7.一种用于弹道靶的高速模型速度连续测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的用于弹道靶的高速模型速度连续测量装置进行测量，测量步骤包括：
S1、安装探头，使探头处于模型的运动路径上，并正对待测的模型发射测量光；
S2、发射模型，测量模型连续加速产生的拍频光信号，利用示波器对信号采集及处理得到频率与时间关系；
S3、根据多普勒效应与速度的关系，通过解算测量到的频率与时间关系，得到速度与时间关系。
8.根据权利要求7所述的用于弹道靶的高速模型速度连续测量方法，其特征在于，所述通过解算测量到的频率与时间关系，得到速度与时间关系，具体为：
根据多普勒效应与速度的关系，模型移动引起的多普勒频移可表示为：
其中，Δf为多普勒频移值，f2为测量光在模型表面反射后的信号光频率，f1为激光器产生的激光束原本频率，v为模型的速度，c为光速，λ1为激光束波长，θ1为探头发出的测量光与模型表面法线的夹角，θ2为反射后的信号光与模型表面法线的夹角。
9.根据权利要求8所述的用于弹道靶的高速模型速度连续测量方法，其特征在于：
测量光与返回的信号光均垂直于模型表面，得到多普勒频移值Δf＝2v/λ1，模型的速度v＝2λ1Δf。
10.根据权利要求7所述的用于弹道靶的高速模型速度连续测量方法，其特征在于：在步骤S1前检测待测的模型，确保模型表面光洁度不小于3.5。
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