CN109990843B - 监测飞行器飞行速度及所处环境参数的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种监测飞行器飞行速度及所处环境参数的方法及装置，单纵模窄带激光器的出射激光与气体相互作用产生瑞利‑布里渊散射，利用基于具有宽辐射线宽的多纵模激光器的外差方法测量瑞利‑布里渊散射谱线，结合气体散射理论和模型获得飞行器所处环境的大气分子密度和温度信息，同时根据多普勒效应测量飞行器不同的飞行速度，最终实现多参数的同时准确测量。本发明具有全天候、高灵敏度、高时空分辨率对飞行器从低速到高速、从低空到高空，实时多参数同时准确监测的优点。

Description

监测飞行器飞行速度及所处环境参数的方法及装置
技术领域
本发明属于激光光谱学技术领域，特别涉及一种监测飞行器飞行速度及所处环境参数的方法及装置。
背景技术
随着现代防空体系的逐渐完善，防空武器的性能也在逐渐提高。各国为了提高自身国防安全及战略威慑能力，争相研发反应能力快、突防能力强、破坏能力大、技术先进的高超音速飞行器，其中主要以美国的X51驭波者、俄罗斯的“匕首”高超音速导弹以及中国的WU-14高超音速飞行器为主要代表。这种高超音速飞行器的飞行速度超过5马赫，地面雷达难以提前发现、预警和精确跟踪。然而，由于这种高超音速飞行器飞行速度快、飞行高度高的特点使其成功研发面临巨大的挑战。不同高度的大气参数，特别是临近空间，对高超音速飞行器的气动布局的设计和飞行状态有巨大的影响。大气密度、大气温度、大气压强和大气风场是临近空间环境的重要参数。其中大气密度和大气风场对高超音速飞行器的气动特性影响显著，大气温度的变化主要影响的是推进系统的工作效率和输出功率等，飞行速度主要反映了高超音速飞行器的整体性能。这些参数的准确测量对于高超音速的飞行控制和性能优化等方面具有重要的意义。
发明内容
本发明提出了一种监测飞行器飞行速度及所处环境参数的方法及装置，实现对飞行器飞行速度及所处环境参数的监测，以及对高速飞行器从低空到高空的全天候实时监测和对飞行器宽范围飞行速度的准确测量。
本发明采用以下的技术方案实现上述目的。一种监测飞行器飞行速度及所处环境参数的方法，单纵模窄带激光器的出射激光与气体相互作用产生瑞利-布里渊散射，利用基于具有宽辐射线宽的多纵模激光器的外差方法测量瑞利-布里渊散射谱线，结合气体散射理论和模型获得飞行器所处环境的大气分子密度、温度信息，同时根据多普勒效应测量飞行器不同的飞行速度，最终实现多参数的同时准确测量；
所述宽辐射线宽的多纵模激光器出射纵模的数量N与激光器谐振腔的长度L具有确定的关系，表达式为：
N＝2nLΔv/c；
式中：n为激光谐振腔的折射率，Δv为多纵模激光器的辐射线宽，c为真空中的光速；根据探测器的响应时间及探测瑞利-布里渊散射光谱分辨率的要求，调节激光器的腔长来优化多纵模激光器辐射线宽内纵模的数量；
所述大气分子的密度信息通过对得到的瑞利-布里渊散射光谱进行面积积分计算获得，或通过瑞利散射法计算获得；
所述大气分子的温度信息通过瑞利-布里渊散射光谱的半高宽度与温度的关系获得，表达式为：
Figure BDA0002038472100000021
式中：k是玻尔兹曼常数，λ0为单纵模窄带激光器的出射激光波长，M平均分子质量；
所述根据多普勒效应测量飞行器不同的飞行速度，在在双端收发情况下，表达式为：
Figure BDA0002038472100000022
而在单端收发的情况下θi＝θr，表达式为：
Figure BDA0002038472100000023
式中：vd为多普勒频移，θi和θr为飞行器分别与发射端和接收端的夹角，V为飞行器的飞行速，Vr为飞行器的径向飞行速。
一种监测飞行器飞行速度及所处环境参数的装置，包括载于飞行器上的单纵模窄带激光器和探测元件集成装置，所述单纵模窄带激光器的出射激光与气体相互作用产生瑞利-布里渊散射，并通过所述探测元件集成装置进行散射信号探测；所述散射信号在探测元件集成装置中被光收集装置收集，再依次通过保偏光纤、凸透镜和窄带干涉滤波片进入合束镜；所述多纵模激光器与高精度延时装置相连，所述多纵模激光器出射激光通过分光镜分成两束，其中分光镜的反射光束经凸透镜聚焦进入第一高速光电探测器；第一高速光电探测器与数据采集/传输装置相连；数据采集/传输装置与高精度延时装置相连；高精度延时装置用于数据采集/传输装置的数据采集时间与多纵模激光器出射光束的同步控制；分光镜的透射光束在合束镜中与散射信号合成一束被凸透镜聚焦到第二高速光电探测器；第二高速光电探测器通过带通滤波器与数据采集/传输装置相连；带通滤波器，用于滤除直流信号和和频信号。
优选地，所述光收集装置采用多路光收集单元以单纵模窄带激光器的出射光为中轴环绕排布，提高探测信号的信噪比。
本发明利用基于具有宽幅射线宽的多纵模激光的外差探测，探测信号信噪比高，可以减少背景环境的影响，避免米散射对测量光谱的影响，实现对高速飞行器从低空到高空的全天候实时监测；可以实现对飞行器所处环境的温度、气体密度及自身的飞行速度的快速同时准确测量；可以实现对飞行器宽范围飞行速度的准确测量，特别是在对超高速飞行器的速度测量具有明显优势。
附图说明
图1是本发明监测飞行器飞行速度及所处环境参数的装置原理图；
图2是本发明监测飞行器飞行速度及所处环境参数的探测元件集成装置结构图；
图3是本发明中光收集装置4中多路光收集单元以单纵模窄带激光器2出射光为中轴环绕排布的示意图；
图4是本发明中具有宽辐射线宽的多纵模激光器16产生的多纵模光束图，以Nd:YAG固体激光器为例；
图5是本发明获取瑞利-布里渊散射光谱及相关参数获得的过程。
图中：1.飞行器，2.单模窄带激光器，3.探测元件集成装置，4.光收集装置，41、42、43、44.光收集单元，5.保偏光纤，6.9.13凸透镜，7.窄带干涉滤光片，8.合束镜，10.第二高速光电探测器，11.带通滤波器，12.分光镜，14.第一高速光电探测器，15.数据采集/传输装置，16.多纵模激光器，17.高精度延时装置。
具体实施方式
以下结合附图和实施例子对本发明作进一步说明。参见图1至图5，一种监测飞行器飞行速度及所处环境参数的方法，单纵模窄带激光器2的出射激光与气体相互作用产生瑞利-布里渊散射，利用基于具有宽辐射线宽的多纵模激光器16的外差方法测量瑞利-布里渊散射谱线，结合气体散射理论和模型获得飞行器所处环境的大气分子密度、温度信息，同时根据多普勒效应测量飞行器1不同的飞行速度，最终实现多参数的同时准确测量。其装置包括载于飞行器1上的单纵模窄带激光器2和探测元件集成装置3(图1所示)，所述单纵模窄带激光器2的出射激光与气体相互作用产生瑞利-布里渊散射，并通过探测元件集成装置3进行散射信号探测；所述探测元件集成装置3包括(图2所示)：光收集装置4，保偏光纤5，凸透镜6、9、13，窄带干涉滤光片7，合束镜8，第二、一高速光电探测器10、14，带通滤波器11，分光镜12，数据采集/传输装置15，多纵模激光器16，高精度延时装置17；散射信号在探测元件集成装置3中被光收集装置4收集，再依次通过保偏光纤5、凸透镜6和窄带干涉滤波片7进入合束镜8；所述多纵模激光器16与高精度延时装置17相连，所述多纵模激光器16出射激光通过分光镜12分成两束，其中分光镜12的反射光束经凸透镜13聚焦进入第一高速光电探测器14；第一高速光电探测器14与数据采集/传输装置15相连；数据采集/传输装置15与高精度延时装置17相连；高精度延时装置17用于数据采集/传输装置15的数据采集时间与多纵模激光器16出射光束的同步控制；分光镜12的透射光束在合束镜8中与散射信号合成一束被凸透镜9聚焦到第二高速光电探测器10；第二高速光电探测器10通过带通滤波器11与数据采集/传输装置15相连；带通滤波器11，用于滤除直流信号和和频信号。所述光收集装置4包括四个光收集单元41、42、43、44，各光收集单元以出射光为中轴环绕排布，提高探测光的信噪比。
本发明是通过载于飞行器1上的单纵模窄带激光器2发出的激光与飞行器1所处环境气体相互作用产生瑞利-布里渊散射；某一散射角度的散射信号进入探测元件集成装置3中的光收集装置4并进入保偏光纤5，经过凸透镜6准直并通过窄带干涉滤波片7滤除环境背景光后传输到合束镜8；多纵模激光器16发出的多纵模光束被分光镜12按固定比例分成两束，其中经分光镜12的反射光被凸透镜13聚焦进入第一高速光电探测器14中用来测量多纵模激光器16中每个纵模的功率大小，探测信号由数据采集/传输装置15进行采集和数据传输，经分光镜12的透射光束在合束镜8中与散射信号合束后被凸透镜9聚焦到第二高速光电探测器10中进行信号的混频，混频后产生电流信号经带通滤波器11滤除直流信号和高频信号后，探测信号由数据采集/传输装置15进行采集和数据传输；在数据采集过程中，数据采集时间、多纵模激光器16的激光出射时间及单纵模窄带激光器2的激光出射时间均由高精度延时装置17控制。本发明监测飞行器飞行速度及所处环境参数的方法(如图1所示)，图中v表示飞行器1的飞行速度，带线箭头表示飞行器1的飞行方向，H为散射信号探测点与单纵模窄带激光器2的距离，其可根据实际测量要求确定；L为单纵模窄带激光器2与探测元件集成装置3的距离，其可根据实际装置布局确定；θ为探测信号散射角。当图1整个探测系统采用单端收发结构时，探测到的为后向180°方向的散射信号，即θ＝180°，L＝0；当整个探测系统采用收发分离结构时，探测信号散射角θ可通过相关的几何计算得到，即为
Figure BDA0002038472100000041
探测信号散射角θ的确定主要是为了利用散射理论和模型计算获得相关参数时提供所需的参量。
该探测装置具有全天候、高灵敏度、高时空分辨率对飞行器从低速到高速、从低空到高空实时多参数同时准确监测的优点。
参见图3所示，光收集装置4包括四个光收集单元41、42、43、44，中间的黑色圆点为单纵模窄带激光器2的出射光束位置，其中各光收集单元以出射光为中轴环绕排布，各光收集单元收集到的散射信号的传输和探测过程与图1和图2相同。
参见图4所示的多纵模激光器16产生的多纵模光束图，该图为Nd:YAG固体激光器。图中横坐标为相对频率，纵坐标为每一纵模的强度。多纵模Nd:YAG固体连续(或脉冲)激光器产生多纵模光束作为本征光。Nd:YAG固体激光器谐振腔的谐振频率Vq为：
Figure BDA0002038472100000051
式中：c为光束；λ表示激光波长；n激光谐振腔的折射率；L为谐振腔长度。激光谐振腔具有选频的作用，相邻两个纵模之间的频率之差Δvq(纵模间隔)为：
Figure BDA0002038472100000052
则激光器辐射线宽Δv内的纵模个数N为：
N＝Δv/Δvq； (3)
Nd:YAG固体激光器在无种子注入的情况下，其辐射线宽Δv为1cm-1(30GHz)，当谐振腔的有效长度为40cm时，纵模间隔为375MHz(约为2.7ns)，辐射线内的纵模个数为80个，如图4所示。在实际应用过程中，根据探测器的响应时间及探测数据点的要求，可以通过调节激光器的腔长来优化辐射线宽内纵模的数量。
参见图5所示获取瑞利-布里渊散射光谱及相关参数测量的过程，以Nd:YAG固体激光器为例。图5中横坐标为相对频率，纵坐标为强度，v0为单纵模窄带脉冲激光频率，竖线表示多纵模激光谱线，曲线瑞利-布里渊散射光谱线形，两者之间的交点为经过快速傅里叶变换后的外差探测信号点，Δvg为瑞利-布里渊散射光谱线宽，vd为由飞行器1速度引起的瑞利-布里渊散射的多普勒频移量。在第二高速光电探测10中实际测量得到的是时域内的瑞利-布里渊散射信号与多纵模激光束中的每一纵模在特定频率处的外差信号，经过快速傅里叶变换来获得对应频率的光谱信息。由于多纵模激光器16出射的纵模之间存在一定的纵模间隔(无种子注入的Nd:YAG脉冲激光器辐射线宽为30GHz，谐振腔为40cm时产生80个纵模，间隔为375MHz)，因此探测到的信号仅为瑞利-布里渊散射谱线中的若干个点(约10个点)，相邻外差信号的探测时间间隔约为2.7ns,最终经过快速傅里叶变换后得到对应不同频率处的外差信号，如图5中曲线和竖线之间的交点。当探测信号中不含米散射时(高层大气)，通过相关的理论模型对测量点进行拟合即可获得如图5中曲线所示的完整的瑞利-布里渊散射谱线；当探测信号中含米散射时(低层大气)，由于多纵模激光器的纵模间隔较宽，约为375MHz，其比米散射光谱谱线(约300MHz)要宽，因此在该探测装置中米散射光谱无法被探测到或者只能探测到米散射谱线中的某个点，当探测到米散射谱线中的某个点时，在进行数据处理时将该点忽略，然后利用相关的理论模型对测量数据进行拟合，获得整个瑞利-布里渊散射谱线。在短距离(小于100m)的散射信号探测过程和气体散射理论计算过程中，忽略大气湍流和激波对激发光光束质量及散射信号偏振状态的影响，而且即使在高马赫数的情况下，激波对于近距离测量的激光光束的影响相比于其他因素所造成的影响也可以忽略不计。
速度的测量：根据拟合得到的瑞利-布里渊散射光谱中心频率，计算得到与单纵模窄带激光频率的差值即可得到多普勒频移vd，进而得到飞行器的飞行速度。在双端收发情况下，飞行器速度计算表达式为：
Figure BDA0002038472100000061
单端收发的情况下θi＝θr，飞行器速度计算表达式为：
Figure BDA0002038472100000062
式中：vd为多普勒频移，θi和θr为飞行器分别与发射端和接收端的夹角，V为飞行器的飞行速，Vr为飞行器的径向飞行速；
温度的测量：在利用测量得到的瑞利-布里渊散射光谱获得飞行器1所处环境的参数时，可采用不同的计算公式和理论模型，具体如下：
(1)利用测量的瑞利-布里渊散射光谱的半高宽度与温度的关系获得气体温度信息
瑞利散射是由分子热运动引起的，分子热运动产生多普勒频移，而且跃迁速率分布与由麦克斯韦-玻尔兹曼关系决定的温度有关，在忽略压强展宽和布里渊散射的影响时，瑞利散射谱线可由高斯线型近似，散射谱的半高宽Δvg与大气温度T的关系可表示为
Figure BDA0002038472100000063
式中：k是玻尔兹曼常数，λ0为探测激光波长，M平均分子质量。据此，可获得温度信息。
在考虑压强展宽和布里渊散射的影响时，瑞利-布里渊散射谱线宽ΔvRB与温度T和压强p均有关系，可利用公式
Figure BDA0002038472100000064
获得相应的温度。式中c0，c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7，c8，c9为常数项，压强信息可由高精度压力计获得。
(2)利用描述瑞利-布里渊散射的非解析模型(如Tenti S6模型)和解析模型(如V3、G3模型)对测量得到的瑞利-布里渊散射信号点进行拟合获得气体的温度信息。
密度的测量：一方面对拟合得到的瑞利-布里渊散射光谱进行面积积分计算气体分子密度；另一方面瑞利散射法是利用气体流场中分子的散射光来来测量流场的信息，是一种非粒子注入的光学测量方法。由于瑞利散射光强正比于分子密度，因此利用瑞利散射可以测量流场的密度信息。该方法不仅适用于低速场，而且适合高速场和瞬态过程的研究。
在θ方向瑞利散射强度I与气体流场中的密度分布关系为：
Figure BDA0002038472100000071
式中：nR为气体折射率；r为分子半径；Ns为散射体分子数密度；R为接收器与散射体之间的距离。
激光在大气中的瑞利散射方程为：
Figure BDA0002038472100000072
式中：P探测器接收到的散射光功率；E0激光单脉冲能量；τ为激光的脉冲宽度；At为目标处激光光束的横截面积；Ar为探测器的有效像面；Ab为被照射气体分子在发射激光束横截面方向的投影面积；R为测量距离；Y(R)为系统重合系数；Tτ和Tr分别为系统的发射和接收的光学效率；T为激光在大气中传输距离为2R的透过率；Pb为背景光的噪声，通过引入相关的滤波装置，该项可以不考虑。βm(θ)为大气瑞利散射系数，其表达式为：
Figure BDA0002038472100000073
式中：n大气折射率；N为单位体积内气体分子数；λ为入射激光波长；pn为空气退偏振度因子(空气的退偏因子一般取0.0035)；θ为散射方向角。
大气折射率n的表达式为：
Figure BDA0002038472100000081
式中：p为大气压强，单位为Pa；T为温度，单位为K。大气分子数密度和大气温度和压强的关系如下：
Figure BDA0002038472100000082
本发明监测飞行器飞行速度及所处环境参数装置的控制方法如下：本装置采用的多纵模激光器16具有较宽的辐射线宽，可选择美国Continuum公司生产的Surelite系列的Nd:YAG固体激光器，其在无种子注入的情况下，辐射线宽为1cm-1(30GHz)；所述装置中多纵模激光器16出射纵模的数量可通过调节谐振腔的长度来改变以满足不同的探测需求；所述装置中由多纵模激光器16输出的多纵模光束作为本征光束，每一纵模的强度不同，利用第一高速光电探测器14探测到的信号强度对多纵模的强度进行归一化处理来满足后期的信号处理需要；本装置中多纵模激光器16和单纵模窄带激光器2可以选择紫外波段，如355nm，也可以选择可见光波段，如532nm波段，来获得较强的散射信号，而且单纵模窄带激光器2出射激光可为连续光束也可为脉冲光束；单纵模窄带激光器2的出射波长作为激发光，其频率位于多纵模激光器辐射线宽的中心频率处，可以实现飞行器从低速到超高速飞行速度的测量，如，采用532nm的激光器时,本装置可以实现对飞行器飞行速度最大为3990m/s的准确测量；本装置中第二、一高速光电探测器10、14时间响应在纳秒或小于纳秒量级；单纵模窄带激光器2出射脉冲光束时，高精度延时装置17对多纵模激光器16出射激光的控制时间和数据采集和传输装置15进行数据采集的控制时间要与特定距离处散射信号的传输时间相匹配，当单模窄带激光器2连续光时，多纵模激光器16每个纵模光束的出射时间要与数据采集和传输装置15进行数据采集的控制时间相匹配；光收集装置4可采用以单纵模窄带激光器2的出射光为中轴的多路光收集单元环绕的构造(如图3所示)，来提高探测光的信噪比；所述装置中当整个探测系统采用单端收发结构时，探测到的为后向180°方向的散射信号，当整个探测系统采用收发分离结构时(如图1所示)，信号散射角可通过相关的几何计算得到，即为
Figure BDA0002038472100000083
所述装置在第二高速光电探测10中实际测量得到的是时域内的瑞利-布里渊散射信号与多纵模激光束中的每一纵模在特定频率处的外差信号，需要经过快速傅里叶变换来获得对应频率的光谱信息；所述装置为了避免测量过程中散射信号偏振态的变化对相干信号信噪比的影响，采用保偏光纤5，也可以采用偏振分集技术；所述装置可以在窄带干涉滤波片7与合束镜8之间对接收的散射信号进行调制，将带通滤波器11换成射频功率探测器，其后接锁相放大器对功率探测信号进行解调，进而得到外差散射信号，其他装置保持不变。

Claims (3)

1.一种监测飞行器飞行速度及所处环境参数的方法，其特征在于，单纵模窄带激光器的出射激光与气体相互作用产生瑞利-布里渊散射，利用基于具有宽辐射线宽的多纵模激光器的外差方法测量瑞利-布里渊散射谱线，结合气体散射理论和模型获得飞行器所处环境的大气分子密度和温度信息，同时根据多普勒效应测量飞行器不同的飞行速度，最终实现多参数的同时准确测量；
所述宽辐射线宽的多纵模激光器出射纵模的数量N与激光器谐振腔的长度L具有确定的关系，表达式为：
N＝2nLΔv/c；
式中：n为激光谐振腔的折射率，Δv为多纵模激光器的辐射线宽，c为真空中的光速；根据探测器的响应时间及探测瑞利-布里渊散射光谱分辨率的要求，调节激光器的腔长来优化多纵模激光器辐射线宽内纵模的数量；
所述大气分子的密度信息通过对得到的瑞利-布里渊散射光谱进行面积积分计算获得，或通过瑞利散射法计算获得；
所述大气分子的温度信息通过瑞利-布里渊散射光谱的半高宽度与温度的关系获得，表达式为
Figure FDA0002833179250000011
式中：Δvg是瑞利-布里渊散射光谱的半高宽度，T是大气散射信号探测点对应高度的温度信息，k是玻尔兹曼常数，λ0为单纵模窄带激光器的出射激光波长，M平均分子质量。或利用描述瑞利-布里渊散射的非解析模型和解析模型对测量得到的瑞利-布里渊散射信号点进行拟合获得大气温度信息；
所述根据多普勒效应测量飞行器不同的飞行速度，在双端收发情况下，表达式为：
Figure FDA0002833179250000012
而在单端收发的情况下θi＝θr，表达式为：
Figure FDA0002833179250000013
式中：vd为多普勒频移，θi和θr为飞行器分别与发射端和接收端的夹角，V是指飞行器的整体飞行速，Vr为飞行器的径向飞行速。
2.一种实施权利要求1所述的监测飞行器飞行速度及所处环境参数的方法的装置，包括载于飞行器上的单纵模窄带激光器和探测元件集成装置，其特征在于，所述单纵模窄带激光器的出射激光与气体相互作用产生瑞利-布里渊散射，并通过所述探测元件集成装置进行散射信号探测；所述散射信号在探测元件集成装置中被光收集装置收集，再依次通过保偏光纤、凸透镜和窄带干涉滤波片进入合束镜；所述多纵模激光器与高精度延时装置相连，所述多纵模激光器出射激光通过分光镜分成两束，其中分光镜的反射光束经凸透镜聚焦进入第一高速光电探测器；第一高速光电探测器与数据采集/传输装置相连；数据采集/传输装置与高精度延时装置相连；高精度延时装置用于数据采集/传输装置的数据采集时间与多纵模激光器出射光束的同步控制；分光镜的透射光束在合束镜中与散射信号合成一束被凸透镜聚焦到第二高速光电探测器；第二高速光电探测器通过带通滤波器与数据采集/传输装置相连；带通滤波器，用于滤除直流信号和高频信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光收集装置采用多路光收集单元以单纵模窄带激光器的出射光为中轴环绕排布，提高探测信号的信噪比。
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