光子多普勒测速仪的单探头多目标测速能力研究

随着相关研究的发展,在冲击波物理、爆轰物理、强激光、兵器等众多领域中,均提出了通过单个探头对小范围内的多个目标,如多个小飞片或粒子群,同时进行高精细度速度测量的要求,为满足该要求,论述了光子多普勒测速的工作原理和光路结构,分析了单探头多目标测速应用时的信号特征和数据处理方法,指出速度分辨率和空间分辨率是决定该性能的关键因素。根据理论分析结果,采用光通信行业中的常规器件,搭建了一台光子多普勒测速仪,并设计了爆轰实验装置,同时利用该装置进行了爆轰加载金属飞片的验证实验。实验结果表明,使用单个光子多普勒测速探头,对单个大尺寸铝飞片、多个小尺寸铝飞片、铅靶喷射粒子群等单个或多个运动目标均达到了较好的速度测量结果,获得了各目标的速度曲线以及多条速度曲线构成的速度带,测量最高速度达到2.5km/s,工作距离达到20mm。研究结果对于深入探索光子多普勒测速技术在单探头多目标测速中的应用有重要的参考意义。     

时间拉伸光子多普勒测速技术研究

在瞬态高速测速场景中,目标物体在几十ns时间内能加速到几~几十km/s,因此光子多普勒测速系统中电学数模转换器件带宽要求达到GHz甚至上百GHz。时间拉伸光子多普勒测速系统利用飞秒激光时间拉伸特性,在光域中完成信号降频处理,降低了光电信号探测器件和电学数模转换器件带宽压力。提出了改进的时间拉伸光子多普勒测速系统,飞秒脉冲经过第一级色散器件充分展宽铺满整个时域,避免了速度信号的采样间断;信号解调上采用误差补偿算法对频移信号进行补偿,减小了因为位移引入的系统误差,从而增加了有效记录时间。实验使用纳秒激光驱动铝膜产生高速飞片,测试了文中测速系统在记录时间1.2 μs内的实验效果。实验使用重频50 MHz飞秒光源,第一级和第二级色散器件分别使用200 km和100 km单模光纤,构成比例因子2/3。最终实验表明系统将3.6 GHz的多普勒频移信号降低为2.4 GHz,通过与光子多普勒测速系统进行结果比对,实验动态误差小于5%。该系统将能够应用于多种动高压技术加载飞片场景下的速度进行测量,为瞬态高速测量领域提供了新的测量手段。     

同时线成像和分幅面成像任意反射面速度干涉仪测速技术

研制了一套线面同时成像任意反射面速度干涉仪(VISAR)用于激光驱动飞片速度场时空分辨测量。将传统VISAR改为成像干涉结构,用变像管扫描相机和高速光电分幅相机分别记录作为信号载体的梳状干涉条纹,实现靶面一条线上各点速度历史和多个时刻二维靶面上所有点速度的测量。所研制的线面同时成像VISAR具有小于10μm的空间分辨和约15m/s的速度分辨能力,线成像VISAR时间分辨小于50ps,面成像VISAR曝光时间小于5ns。用其测量了激光驱动带约束刀口铝膜飞片的速度场,给出了高时空分辨全场速度分布,从中可以清晰看出飞片的演化发展过程。实验结果表明,线面同时成像VISAR将是各种飞片产生技术及相应加载手段中全场速度诊断的有力工具。     

高速运动飞片的F-P干涉测量技术研究

为了测试在冲击波或爆轰波作用下各种材料样品的自由面速度随时间变化的过程,提出了一种利用法布里-珀罗(F-P)光学共振腔的选频特性进行多普勒频移绝对量的检测来连续测量飞片运动速度的方法,建立了一套基于此方法的测量装置,并利用金属箔电爆炸驱动聚酰亚胺薄膜飞片装置对所研制的F-P干涉测速仪进行了原理性实验验证。利用所研制的F-P干涉测速仪测量了飞片速度在60ns的时间内由静止加速到大于3km/s的速度的全过程,测量数据的不确定度小于5%。与其它激光测速装置相比,该干涉仪具有体积小、结构简单紧凑和成本低的特点,在爆轰物理与冲击波物理实验研究中具有较好的应用前景。     

爆轰实验中接触测量与非接触测量的应用对比

以爆轰实验中常用的电探针测试系统和激光干涉测速系统为例,研究接触测量与非接触测量对爆轰实验测试结果的影响。在平面爆轰波驱动金属飞片实验中,利用电探针测试飞片到达固定位置处的时刻,同时利用VISAR测试飞片飞行速度历史,对两者的测试数据进行对比分析,结果表明:光杆探针与卷筒探针的第一台阶测试结果一致,卷筒探针的第二台阶由于飞溅物等原因,比光杆探针提前导通约0.1μs;3个层面的光杆探针测试结果与任意反射表面的速度干涉仪(VISAR)测试结果一致。分析认为,在爆轰实验中,由于被测物体处于高温高压状态,且运动速度很快,接触测量产生的测力也将随之加大,在固定点位置,接触测量将对飞片上此点的后期运动产生明显影响;对于被测飞片的整体运动,由于电探针尺寸重量等远小于飞片,接触测量在固定点造成的影响对整个飞片来讲可以忽略不计,因此得到与非接触测量一致的测试结果。     

激光相干多普勒测速精度实验

激光相干多普勒测速雷达由于测量精度高、测速范围广、功耗体积小等优势广泛应用在风场测量、导航及飞行器着陆等方面。为了测试其测速精度,本文研制了速度发生器,搭建了高精度大速度范围的精度测试平台,利用搭建的测试平台对激光多普勒测速精度进行测量,在105.8266 m/s的速度下测得的精度为0.0383 m/s。对激光多普勒测速的精度进行了分析,提出了插值校正FFT频率、采用流水线的FFT处理方法、增加采样位数和提升采样频率等方法来提高测速精度。     

激光多普勒测速传感器

美国佳能公司生产的微型S-100Z激光多普勒测速传感器主要用于测量固态物体、粉末和液体的运动速度。该传感器可测量12m/min～120m/min速度范围内的各种运动基质的速度。该测速仪系统包括一个微型光学传感器、一个信     

基于光子多普勒测速的长景深动态测试研究

目前光子多普勒测速的应用场景多为瞬时、短时的冲击、震动、飞片等测量,采集时间少、景深距离短,缺少长景深动态测试的应用。为此我们搭建了一套全光纤结构PDV以及基于LabWindows的上位机解调软件,以15 kHz线宽1550.12 nm激光器为光源,300 mm工作距离非球面镜作为探头,针对运动距离为1.33 m、最高速度14 m/s的无杆气缸滑块进行速度测量。通过多次实验,得出了无杆气缸滑块运动的全程速度曲线,并用积分反推出运动距离与实际滑块运动距离相符,平均相对误差为-0.5266%。实验结果表明,光子多普勒测速系统健壮性良好,在信号光耦合功率低的情况下仍可以得到16 dB以上信噪比的干涉信号,大气环境稳定时可在长景深范围内进行动态测量。     

一种新型薄腔法-珀干涉测速系统研究

本文所关注的激光干涉测速技术主要用于测试在冲击波或爆轰波作用下各种材料样品的自由面速度随时间变化的过程,介绍了基于光学谐振腔的选频特性利用薄腔法-珀干涉仪直接测量高速飞片所引起的多普勒频移从而获得其速度信息的设想,并根据此设想构建薄腔法-珀干涉测速系统的技术路线。最后描述了利用该项测试技术实际测量金属箔电爆炸驱动的Kapton膜飞片速度的实验并对实验结果进行了分析。与其它激光测速装置相比,该干涉仪具有体积小、结构简单紧凑和成本低的特点。     

陆用组合导航中Janus配置的激光多普勒测速仪的标定方法

在陆用组合导航领域,激光多普勒测速仪作为速度传感器能够与捷联惯导系统组成组合导航系统。为了抑制车辆颠簸引起的倾角变化对传统激光多普勒测速仪的影响,文中给出了基于Janus配置的分光再利用型激光多普勒测速仪。针对其与惯导系统组合导航过程中该配置结构测速仪的误差参数,文中首先推导了该测速仪的速度误差模型,在此基础上提出了差分GPS辅助的Kalman滤波标定法。实施了仿真及车载组合导航实验验证该方法的有效性。实验结果表明:文中提出的标定方法是有效的,误差参数补偿后的Janus配置激光多普勒测速仪能够大大提高组合导航定位精度。     

激光冲击强化靶背面自由表面速度的全光纤光子多普勒测速法测量

用现有的光纤通信器件,搭建了全光纤光子多普勒速度测量(Photonic Doppler Velocimetry,PDV)系统;用PDV系统测量了激光冲击强化(Laser Shocking Peening,LSP)靶背面自由表面速度。提出了一种称为微分法的新的PDV数据处理方法,并证明了与传统条纹法相比,在相同的硬件条件下,不但提高了测量精度,而且扩大了测量范围。用微分法对LSP实验中的测量数据进行了处理,实现了运动初始阶段自由表面瞬时速度的精确测量,因此微分法对冲击波与轰爆波中瞬态加速过程的数据处理特别适用。     

光子多普勒速度测量系统的数据处理技术

光子多普勒速度测量（PDV）系统是一种新型的激光测速系统,可广泛用于冲击波、爆轰波以及其他短时高速运动的测量。数据处理是PDV测速技术重要的组成部分,旨在从含有大量噪声的测量数据中获得靶面等运动体的速度信息。在分析PDV系统测速原理的基础上,分别采用条纹法、短时傅里叶变换法和小波变换法对激光冲击强化实验中自由靶面运动的PDV数据进行了处理。针对其中的去噪、奇异点、小波基的选择等问题,提出了一些独特的处理方法。同时,对3种处理方法的误差、实时性、有效性进行了比较。     

基于运动模糊效应的图像测速方法

通过分析影像与成像平面以及地面景物之间相对运动关系,建立了航拍图像运动模糊模型,分析了模糊带宽度和相机运动及曝光时间之间的关系,设计了基于模糊带边缘增强和自相关分析的模糊带宽度测量算法,在此基础上提出了基于运动模糊效应的图像测速方法.给出了实用的测速算法,并分析了像素尺寸、模糊带宽度、相机姿态等对测速精度的影响.与传统的基于多普勒、地形匹配等测速算法相比,此方法无需增加额外设备和保障数据,实现更为简单.算例分析表明,此算法对于速度无剧烈变化的准匀速运动具有较好的测速效果,为飞行器实时飞行速度的测量提供了一种新的解决手段.     

光纤位移干涉仪的研制及其在Hopkinson压杆实验中的应用

为了满足爆炸冲击作用下结构体动态变形过程测试的需要,基于激光多普勒效应和外差技术,采用单模光纤器件、声光移频器（AOM）和高带宽光电转换器研制了一套可辨别速度方向的参考光调制式光纤位移干涉仪,它具有结构简单、动态响应快以及非接触式测量的优点。采用短时傅里叶变换算法编写了数据处理程序,并在Hopkinson压杆上进行了实验研究,获得了36.82 m/s的峰值速度,并对速度波形与应变片测量获得的结果及应力波理论计算结果进行了对比分析,验证了系统的可行性。钢筒爆炸实验获得了壁面振动的正负速度历程,验证了系统可以辨别物体运动方向。     

强短脉冲激光冲击薄板高速变形的实验研究

强短脉冲激光冲击材料成形是一种高应变率的过程。很多已有测试手段由于响应带宽不够而无法进行有效测量。常用的任意面速度干涉仪(VISAR)价格昂贵、测试方法复杂,且存在条纹缺失。采用一种简单的光电测试系统探测出铝薄板在强短脉冲激光冲击下的高速变形过程。通过标定输出电压与变形量的关系,分析出薄板被冲击中心点的位移和速度,与文献仿真结果规律一致,计算出在8 J激光能量冲击时间内平均变形速度为8.49×104m/s。并由阻尼振动和弹性形变叠加的模型拟合出激光冲击薄板的形变过程,根据拟合系数计算出薄板的振动速度和塑性变形值,为分析和控制激光冲击变形工艺提供了依据。     

多普勒雷达测量轻武器弹丸转速方法研究

针对轻武器弹丸体积小,速度快,路径长的特点,分析了轻武器弹底刻槽技术、弹丸RCS、弹丸飞行稳定性和测试精度,提出了一种基于雷达法将采集的多普勒雷达回波数据变换到频域,利用改进的短时Fourier在频域中消除相应噪声和杂波信号后再将"纯净"数据从频域中变换到时域中来确定轻武器弹丸转动频率的新方法,解决了轻武器转速测试难题.计算机仿真和试验结果表明,该方法能得到高精度的试验数据.     

Pulsed Doppler signal processing for use in mice: design and evaluation

We have developed and evaluated a high-frequency, real-time pulsed Doppler and physiological signal acquisition and analysis system specifically for use in mice. The system was designed to provide sampling rates up to 125 kilosamples/s (ksps) with software controlled data acquisition and analysis in real-time. Complex fast Fourier transforms are performed every 0.1 ms (or longer up to 10 ms) to provide 0.1-ms time resolution and using 64-1024 sample segments of the Doppler audio signals resulting in frequency resolution ranging from 122-1953 Hz. The system was evaluated by its response to frequency swept signals with slopes (accelerations) and magnitudes (velocities) comparable to actual blood velocity signals in mice. Signals up to a maximum frequency of 125 kHz and a maximum acceleration of 20 MHz/s were processed and displayed. This corresponds to a maximum velocity of 480 (960) cm/s and a maximum acceleration of 750 (1500) m/s2 when Doppler shifts are measured with a 20- (10-) MHz probe, thereby allowing us to measure high stenotic jet velocities. The directional transitions of the spectrogram across zero frequency and across Nyquist frequency (sampling rate/2) were smooth with no discernible artifacts. Signals with period as low as 2 ms were processed and displayed at sweep speed that is ten times that in clinical Doppler systems, so that measurements of small temporal events can be made with precision. Thus, the new system can measure higher blood velocities with higher spatial and temporal resolution than is possible using clinical Doppler systems adapted for use in mice.     

激光多普勒移频特性研究

为了提高激光多普勒测速系统的性能,增强系统与应用场景适配性,文中对比电光和声光两种主要移频器件的特点,从器件移频原理出发,提出了简化频率变换关系的分析方法,从理论上研究激光多普勒测速系统中两种器件产生的移频特性,搭建铌酸锂电光调制和声光移频全光纤激光测速系统链路,将测试频率特征与理论特征进行对比研究,提出一种新型声电混合调制激光多普勒测速系统。结果表明,该新型系统兼具声光移频测速系统可测量运动目标运动方向、运动速度,完成电光调制测速系统多频率校正的特点,频率测量相对误差较小,动态范围大。通过研究两种移频方式对频率特性,为设计高性能激光多普勒测速系统提供了理论和实验支撑。     

基于TDD系统的高速磁悬浮软切换技术研究

磁悬浮列车是一种运行速度达600 km/h的陆地交通运输工具,对分区切换机制设计带来更大挑战。为保证列车运行过程中的可靠通信,首先对高速磁浮车地通信系统方案进行设计,面向磁悬浮车地通信软切换需求优化设计了MAC层帧结构,同时提出基于地理位置信息的软切换机制,包括分区内切换和跨分区切换;通过仿真得出列车在速度为600 km/h的情形下,切换重叠区距离设置为264 m,可以实现切换成功概率为99.6%。