CN205581131U - 一种测速装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种测速装置，包括第一太赫兹波光源、第二太赫兹波光源、分光片、混频器、示波器及数据处理装置，第一太赫兹波光源发射的第一光束部分透过分光片入射到被测目标靶，经被测目标靶反射的第一光束入射到分光片后，由分光片反射至混频器，第二太赫兹波光源发射的第二光束入射到所述混频器，混频器对第一光束与第二光束进行混频处理并输出电信号至示波器，数据处理装置对数据进行分析得到被测目标靶的运动信息。这种双频率太赫兹波的干涉信号具有交流调制的特点，信噪比较高，抗干扰性能好，而且对干涉信号中直流信号的变化不敏感，另外，采用混频器作为干涉信号探测器，调节简单方便，解决了采用传统干涉光路时合束调节困难的问题。

Description

一种测速装置

技术领域

本实用新型涉及光波干涉测速技术领域，具体而言，涉及一种测速装置。

背景技术

炮弹在膛内的速度、加速度以及弹底压力是火炮及炮弹发射系统设计的关键参数，对于发展内弹道理论、研究新型火炮和轻武器以及对武器进行校验等具有重要的意义。目前，测量弹丸在膛内连续运动时弹道参数的主要实验技术有微波干涉测量技术和激光干涉测速技术。但是，微波干涉技术测量的不确定度较大，激光干涉测量技术对于弹道内的烟尘穿透性较差、且对示波器带宽及采样率具有很高的要求。所以如何设计出一种穿透性好、带宽要求低且测量精度高的光波干涉测速装置是目前亟待解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种测速装置，以改善上述问题。

本实用新型是这样实现的：

一种测速装置，包括第一太赫兹波光源、第二太赫兹波光源、分光片、混频器、示波器以及数据处理装置，

所述第一太赫兹波光源用于发射具有第一频率的第一光束，所述第二太赫兹波光源用于发射具有第二频率的第二光束，其中第一频率与第二频率不同，

所述第一光束部分透过所述分光片入射到目标靶，经目标靶反射的第一光束入射到所述分光片后，由所述分光片反射至所述混频器，所述第二光束入射到所述混频器，

所述混频器对所述第一光束与所述第二光束进行混频处理并输出相应的电信号至所述示波器，

所述数据处理装置对所述示波器记录的数据进行分析以得到所述目标靶的速度信息和位移信息。

这种测速装置具有两个明显的优点，其一是，双频率太赫兹波的干涉信号具有交流调制的特点，被测目标靶的速度信息以调频的方式加载于干涉信号上，因此该测量技术的信噪比较高，抗干扰性能好，另外由于测量信号为交流信号，因此对干涉信号中直流信号的变化不敏感；其二是，采用混频器作为干涉信号探测器，两束太赫兹波可直接输入混频器进行混频处理并输出相应的干涉信号，调节简单方便，解决了采用传统干涉光路时合束调节困难的问题。

进一步地，所述测速装置还包括对所述第一光束的偏振态进行调节的偏振片，所述偏振片设置于所述分光片与所述目标靶之间的光传输路径中。

第一光束经目标靶反射后，其偏振态可能发生变化，设置偏振片对第一光束进行保偏，以使其与第二光束的偏振态尽可能保持一致。

进一步地，所述测速装置还包括用于对所述第一光束的功率进行调节的第一功率调节器和用于对所述第二光束的功率进行调节的第二功率调节器，

所述第一功率调节器设置于所述第一太赫兹波光源与所述分光片之间的光传输路径中，

所述第二功率调节器设置于所述第二太赫兹波光源与所述混频器之间的光传输路径中。

第一功率调节器和第二功率调节器分别用于衰减第一光束的光信号的强度和第二光束的光信号的强度，其目的在于调节最终进入混频器的第一光束与第二光束的功率的大小，避免第一光束或第二光束的光强过大使混频器饱和。

进一步地，所述测速装置还包括用于对所述第一光束进行准直处理的第一准直透镜和用于对所述第二光束进行准直处理的第二准直透镜，

所述第一准直透镜设置于所述第一太赫兹波光源与所述第一功率调节器之间的光传输路径中，

所述第二准直透镜设置于所述第二太赫兹波光源与所述第二功率调节器之间的光传输路径中。

进一步地，所述测速装置还包括用于防止所述第一光束的反射光或后向散射光入射回所述第一太赫兹波光源的第一光隔离器和用于防止所述第二光束的反射光或后向散射光入射回所述第二太赫兹波光源的第二光隔离器，

所述第一光隔离器设置于所述第一准直透镜与所述第一功率调节器之间的光传输路径中，

所述第二光隔离器设置于所述第二准直透镜与所述第二功率调节器之间的光传输路径中。

设置第一光隔离器和第二光隔离器的目的在于，防止第一光束和第二光束的反射光或后向散射光入射回光源，对光源所发射的光束的功率或频率等产生干扰，影响测量精度。

进一步地，所述测速装置还包括用于对所述第一光束进行聚焦的第一聚焦透镜和用于对所述第二光束进行聚焦的第二聚焦透镜，

所述第一聚焦透镜设置于所述分光片与所述混频器之间的光传输路径中，

所述第二聚焦透镜设置于所述第二功率调节器与所述混频器之间的光传输路径中。

进一步地，所述测速装置还包括低通滤波器，所述低通滤波器的信号输入端与所述混频器的信号输出端连接，所述低通滤波器的信号输出端与所述示波器的信号输入端连接。

进一步地，所述分光片为半透半反片。

半透半反片的光强透过率和反射率均为0.5，可以使进入混频器的第一光束具有最大的剩余能量。

进一步地，所述分光片为高阻硅片。

进一步地，所述第一太赫兹波光源包括第一本振光源和第一倍频器，所述第一本振光源发射的光束经所述第一倍频器倍频后形成所述第一光束，所述第二太赫兹波光源包括第二本振光源和第二倍频器，所述第二本振光源发射的光束经所述第二倍频器倍频后形成所述第二光束。

第一本振光源发射一束基频光信号后经第一倍频器倍频处理形成具有第一频率的太赫兹波光束，第二本振光源发射一束基频光信号后经第二倍频器处理形成具有第二频率的太赫兹波光束。

本实用新型提供的测速装置采用具有一定频率差的两束太赫兹波分别作为信号光和参考光，对被测目标靶的运动信息(速度信息和位移信息)进行测量，与传统的光波干涉测量技术相比，这种双频率太赫兹波的干涉信号具有交流调制的特点，被测目标靶的速度信息以调频的方式加载于混频信号上，所得到的混频信号的信噪比较高，抗干扰性能好，而且由于测量信号为交流信号，因此对干涉信号中直流信号的变化不敏感，另外，采用混频器作为干涉信号探测器，两束太赫兹波可直接输入混频器进行混频处理并输出相应的干涉信号，调节简单方便，解决了采用传统干涉光路时合束调节困难的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例1提供的一种测速装置的示意性结构图；

图2为本实用新型实施例1提供的另一种测速装置的示意性结构图；

图3为本实用新型实施例2提供的一种测速装置的示意性结构图；

图4为本实用新型实施例2提供的另一种测速装置的示意性结构图；

图5为本实用新型实施例3提供的一种测速装置的示意性结构图；

图6为本实用新型实施例3提供的另一种测速装置的示意性结构图；

图7为本实用新型实施例提供的测速装置的在给定条件下对被测目标靶进行运动信息测量的模拟仿真结果图；

图8为本实用新型实施例提供的模拟被测目标靶的运动速度曲线图；

图9为本实用新型实施例提供的模拟被测目标靶的位移速度曲线图。

附图标记：

第一太赫兹波光源100；第二太赫兹波光源200；分光片300；混频器400；示波器500；数据处理装置600；第一输入端40；第二输入端402；被测目标靶10；第一本振光源101；第一倍频器102；第二本振光源201；第二倍频器202；偏振片700；第一功率调节器800；第二功率调节器900；第一准直透镜110；第二准直透镜210；第一光隔离器310；第二光隔离器410；第一聚焦透镜510；第二聚焦透镜610；低通滤波器710。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1，请参阅图1至图2

如图1所示，本实施例提供的测速装置，包括第一太赫兹波光源100、第二太赫兹波光源200、分光片300、混频器400、示波器500以及数据处理装置600。其中，第一太赫兹波光源100用于发射具有第一频率的第一光束，第二太赫兹波光源200用于发射具有第二频率的第二光束，第一频率不同于第二频率，即第一光束与第二光束具有一定频率差；混频器400作为一种光电探测器，用于对第一光束和第二光束进行干涉混频处理，具体地，混频器400具有两个输入端，分别为第一输入端401和第二输入端402，第一光束由第一输入端401入射进混频器400，第二光束由第二输入端402入射进混频器400；数据处理装置600可以是计算机或其他任意可对数据进行分析处理的计算设备。

该测速装置的具体工作原理为，第一太赫兹波光源100发射出的第一光束作为信号光入射到分光片300后，一部分被反射，另一部分透过分光片300入射到被测目标靶10。入射到被测目标靶10的第一光束经被测目标靶10反射后又返回至分光片300，并再经分光片300进行分光处理，一部分透过分光片300，另一部分经分光片300反射后由第一输入端401入射进混频器400中。第二太赫兹波光源200发射出的第二光束作为参考光直接从第二输入端402入射进混频器400。分别入射进混频器400的第一光束与第二光束在混频器400内产生干涉，混频器400探测产生的干涉信号并将其转换为相应的电压信号。混频器400将电压信号输出至示波器500，以使示波器500记录下该电压信号。最后，由数据处理装置600对示波器500记录的电信号进行分析和处理，得出被测目标靶10的速度信息，再进一步地由所述速度信息得出被测目标靶10的位移信息。

具体地，数据处理装置600的测量原理为，假设第一光束的频率为f₁，第二光束的频率为f₂，在被测目标靶10静止不动时，由于f₁≠f₂，所以混频信号的频率为两束太赫兹波的固有频率差f₁-f₂，即：

其中，V代表混频器400的输出电压值，V_r代表只有第二光束(参考光)入射混频器400时混频器400的输出电压，V_s代表只有第一光束(信号光)入射混频器400时混频器400的输出电压，代表初始相位因子。

若被测目标靶10以速度u(t)运动时，第一光束入射到被测目标靶10后反射回的太赫兹波的频率由原频率f₁变为f₁′，其频率变化量称为多普勒频移，多普勒频移的大小正比于被测目标靶10的运动速度u(t)，如下式所示：

${\mathrm{\Δ}}_f=f_1^{\′}-f_1=\frac{2u\left(t\right)}{c}{f}_1$

此时，混频信号的频率在两束太赫兹波的固有频率差的基础上增加一多普勒频移量，即：

其中，c代表电磁波在真空中的传播速度。

由上述公式可知，被测目标靶10以速度u(t)运动时，示波器500所记录的混频信号与被测目标靶10的运动速度有关。式中，混频信号的频率为两束太赫兹波的固有频率差f₁-f₂与多普勒频移量之和，因此可以将混频信号看作一基频为f₁-f₂、调频为的交流调频信号。采用短时傅里叶变换对示波器500记录的电信号进行时频转换，即可得到被测目标靶10的运动速度u(t)，进而得到被测目标靶10的位移信息L(t)。

如图2所示，可选地，第一太赫兹波光源100包括第一本振光源101和第一倍频器102，第二太赫兹波光源200包括第二本振光源201和第二倍频器202。第一本振光源101发射出一基频光束，经第一倍频器102倍频处理后，形成太赫兹波光束，即具有第一频率的第一光束。同理地，第二本振光源201发射出一基频光束，经第二倍频器202倍频处理后，形成太赫兹波光束，即具有第二频率的第二光束。

这里需要说明的是，由于实际应用时，倍频器对信号进行倍频后，信号的功率会降低，需要再进行功率放大，才能达到后续探测的要求。所以具体实施时，第一倍频器102和第二倍频器202可由AMC(Amplifier Multiplier Chain，功率放大倍频链路)替代，对基频光信号进行倍频和功率放大处理，以形成太赫兹波光束。

对于分光片300，考虑到最后入射到混频器400的第一光束的能量，理论上，其最佳太赫兹波透射率和反射率应为0.5，即半透半反片。具体实施时，高阻硅片的太赫兹波透射率和反射率接近0.5，可以作为优选分光器件。

实施例2，请参阅图3至图4

本实用新型实施例所提供的测量装置，其实现原理及产生的技术效果与实施例1相同，为简要描述，实施例2未提及之处，请参照实施例1相应内容。

如图3所示，为了使第一光束与第二光束在混频器400内产生好的干涉效果，第一光束与第二光束应保持一致的偏振态，但是第一光束经被测目标靶10反射后，其偏振态可能发生变化，考虑到这一点，本实施例中，测量装置在分光片300与被测目标靶10之间的光传输路径中还设有偏振片700。偏振片700对第一光束(信号光)的偏振态进行调节，以使其与第二光束的偏振态尽可能保持一致。

再者，为避免入射进混频器400的第一光束与第二光束的光强过大致混频器400饱和，本实施例中，测量装置还设有第一功率调节器800和第二功率调节器900。其中，第一功率调节器800设置于第一太赫兹波光源100与分光片300之间的光传输路径中，第二功率调节器900设置于第二太赫兹波光源200与混频器400之间的光传输路径中。

第一功率调节器800和第二功率调节器900分别衰减第一光束的光信号的强度和第二光束的光信号的强度，其目的在于调节最终进入混频器400的第一光束与第二光束的功率的大小，避免第一光束或第二光束的光强过大致使混频器400饱和。

进一步地，如图4所示，为了减小第一光束和第二光束的发散角，改善其传输的方向性，本实施例中，测量装置还包括有第一准直透镜110和第二准直透镜210。其中，第一准直透镜110设置于第一太赫兹波光源100与第一功率调节器800之间的光传输路径中，用于对第一光束进行准直处理以减小第一光束的发散角；第二准直透镜210设置于第二太赫兹波光源200与第二功率调节器900之间的光传输路径中，用于对第二光束进行准直处理以减小第二光束的发散角。

实施例3，请参阅图5至图6

本实用新型实施例所提供的测量装置，其实现原理及产生的技术效果与实施例1和实施例2相同，为简要描述，实施例3未提及之处，请参照实施例1和实施例2的相应内容。

如图5所示，本实施例提供的测量装置，还包括有第一光隔离器310和第二光隔离器410。第一光隔离器310设置于第一准直透镜110与第一功率调节器800之间的光传输路径中，用于防止第一光束的反射光或后向散射光入射回第一太赫兹波光源100，对第一太赫兹波光源100的频率或功率产生干扰，影响测量结果。同理地，第二光隔离器410设置于第二准直透镜210与第二功率调节器900之间的光传输路径中，用于防止第二光束的反射光或后向散射光入射回第二太赫兹波光源200，对第二太赫兹波光源200的频率或功率产生干扰，影响测量结果。

可选地，如图6所示，测量装置中还可以设有第一聚焦透镜510和第二聚焦透镜610。第一聚焦透镜510设置于分光片300与混频器400之间的光传输路径中，经分光片300反射后的第一光束透过第一聚焦透镜510直接入射到混频器400。第二聚焦透镜610设置于第二功率调节器900与混频器400之间的光传输路径中，第二光束透过第二聚焦透镜610直接入射到混频器400中。

再者，为了滤除混频信号中的高频部分，保留低频部分，以使后续测量结果的准确度更高，本实施例提供的测量装置还设有低通滤波器710。低通滤波器710的信号输入端与混频器400的信号输出端连接，低通滤波器710的信号输出端与示波器500的信号输入端连接。

这里需要说明的是，对于上述实施例中提及的第一准直透镜110和第二准直透镜210、第一光隔离器310和第二光隔离器410、第一聚焦透镜510和第二聚焦透镜610、第一功率调节器800和第二功率调节器900，这些器件可以各自单独设置，不一定必须成对的分别设置在信号光路和参考光路中。比如，信号光路中设置第一准直透镜110，参考光路中可以不设置第二准直透镜210。另外，不同功能的器件，其相对位置可根据实际情况进行调整，不以上述实施例所给出的相对位置为限制。例如，第一光隔离器310还可以设置于第二太赫兹波光源200与第二准直透镜210之间的光传输路径中。

最后，如图7所示，是在第一频率为0.5THz，第二频率为0.5THz+5MHz，噪声强度为信号强度5倍的情况下，采用本实用新型实施例提供的测量装置对具有如图8所示的速度曲线以及如图9所示的位移曲线的被测目标靶10进行模拟干涉测量后所得到的测量曲线。由图中可以看出，采用双频太赫兹波干涉测量技术对被测目标靶10进行模拟测量所得到的模拟结果具有较高的信噪比，测量曲线逼近被测目标靶10的真实速度曲线。

综上所述，本实施例提供的测速装置采用具有一定频率差的两束太赫兹波分别作为信号光和参考光，对被测目标靶10的运动信息(速度信息和位移信息)进行测量，与传统的光波干涉测量技术相比，这种双频率太赫兹波的干涉信号具有交流调制的特点，被测目标靶10的速度信息以调频的方式加载于混频信号上，所得到的混频信号的信噪比较高，抗干扰性能好，而且由于测量信号为交流信号，因此对干涉信号中直流信号的变化不敏感，另外，采用混频器400作为干涉信号探测器，两束太赫兹波可直接输入混频器400进行混频处理并输出相应的干涉信号，调节简单方便，解决了采用传统干涉光路时合束调节困难的问题。

Claims (10)

1.一种测速装置，其特征在于，包括第一太赫兹波光源、第二太赫兹波光源、分光片、混频器、示波器以及数据处理装置，

所述第一太赫兹波光源用于发射具有第一频率的第一光束，所述第二太赫兹波光源用于发射具有第二频率的第二光束，其中第一频率与第二频率不同，

所述第一光束部分透过所述分光片入射到被测目标靶，经被测目标靶反射的第一光束入射到所述分光片后，由所述分光片反射至所述混频器，

所述第二光束入射到所述混频器，

所述混频器对所述第一光束与所述第二光束进行混频处理并输出相应的电信号至所述示波器，

所述数据处理装置对所述示波器记录的数据进行分析以得到所述被测目标靶的速度信息和位移信息。

2.根据权利要求1所述的测速装置，其特征在于，所述测速装置还包括对所述第一光束的偏振态进行调节的偏振片，

所述偏振片设置于所述分光片与所述被测目标靶之间的光传输路径中。

3.根据权利要求1所述的测速装置，其特征在于，所述测速装置还包括用于对所述第一光束的功率进行调节的第一功率调节器和用于对所述第二光束的功率进行调节的第二功率调节器，

所述第一功率调节器设置于所述第一太赫兹波光源与所述分光片之间的光传输路径中，

所述第二功率调节器设置于所述第二太赫兹波光源与所述混频器之间的光传输路径中。

4.根据权利要求3所述的测速装置，其特征在于，所述测速装置还包括用于对所述第一光束进行准直处理的第一准直透镜和用于对所述第二光束进行准直处理的第二准直透镜，

所述第一准直透镜设置于所述第一太赫兹波光源与所述第一功率调节器之间的光传输路径中，

所述第二准直透镜设置于所述第二太赫兹波光源与所述第二功率调节器之间的光传输路径中。

5.根据权利要求4所述的测速装置，其特征在于，所述测速装置还包括用于防止所述第一光束的反射光或后向散射光入射回所述第一太赫兹波光源的第一光隔离器和用于防止所述第二光束的反射光或后向散射光入射回所述第二太赫兹波光源的第二光隔离器，

所述第一光隔离器设置于所述第一准直透镜与所述第一功率调节器之间的光传输路径中，

所述第二光隔离器设置于所述第二准直透镜与所述第二功率调节器之间的光传输路径中。

6.根据权利要求3所述的测速装置，其特征在于，所述测速装置还包括用于对所述第一光束进行聚焦的第一聚焦透镜和用于对所述第二光束进行聚焦的第二聚焦透镜，

所述第一聚焦透镜设置于所述分光片与所述混频器之间的光传输路径中，

所述第二聚焦透镜设置于所述第二功率调节器与所述混频器之间的光传输路径中。

7.根据权利要求1所述的测速装置，其特征在于，所述测速装置还包括低通滤波器，

所述低通滤波器的信号输入端与所述混频器的信号输出端连接，所述低通滤波器的信号输出端与所述示波器的信号输入端连接。

8.根据权利要求1所述的测速装置，其特征在于，所述分光片为半透半反片。

9.根据权利要求1所述的测速装置，其特征在于，所述分光片为高阻硅片。

10.根据权利要求1所述的测速装置，其特征在于，所述第一太赫兹波光源包括第一本振光源和第一倍频器，

所述第一本振光源发射的光束经所述第一倍频器倍频后形成所述第一光束，

所述第二太赫兹波光源包括第二本振光源和第二倍频器，

所述第二本振光源发射的光束经所述第二倍频器倍频后形成所述第二光束。