專利名稱：針對具有低速且高加速度特征的質(zhì)點(diǎn)速度測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)點(diǎn)速度測量領(lǐng)域，尤其涉及一種針對具有低速且高加速度特征的質(zhì)點(diǎn)速度測量方法。
背景技術(shù)：
爆炸與沖擊產(chǎn)生的強(qiáng)動載荷具有高強(qiáng)度、短歷時(shí)和小尺度的特點(diǎn)，對測量技術(shù)和測試裝備提出了更高的要求。最近，高速攝影技木、X閃光照相技術(shù)、高速數(shù)字示波器以及相關(guān)的傳感器、光源和快電子學(xué)設(shè)備已經(jīng)開始應(yīng)用于爆炸與沖擊實(shí)驗(yàn)。診斷技術(shù)發(fā)展的主流是以激光和光電子學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的快響應(yīng)、高分辨率、高靈敏度的非接觸測量技術(shù)，例如各種激光干涉測量和光譜技術(shù)(速度和位移干涉儀、VISAR、FPI等)、散斑技術(shù)、激光誘導(dǎo)熒光和拉曼光譜技術(shù)、光學(xué)窗ロ技術(shù)等。
自由表面速度測量是爆炸與沖擊實(shí)驗(yàn)研究的另一重點(diǎn)與難點(diǎn)。VISAR (VelocityInterferometer System for Any Reflector,任意反射面測速)系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的一種測量工具。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)歩，VISAR系統(tǒng)也不斷改進(jìn)與更新，現(xiàn)代光纖技術(shù)和相關(guān)光電子器件已開始引入到該測試技術(shù)中，在干涉測速原理上也實(shí)現(xiàn)了較大的突破，大大降低了干渉系統(tǒng)對照明光源相干性和光強(qiáng)的要求。但是，在沖擊波物理中，往往要面對具有低速且高加速度特征的質(zhì)點(diǎn)速度測量問題。對于速度為10° 10V/S量級，并且加速度在109m/S2以上量級的自由表面速度，VISAR等測量手段卻難以滿足精度要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中無法精確測量具有低速且高加速度特征的質(zhì)點(diǎn)速度的問題，提出一種針對具有低速且高加速度特征的質(zhì)點(diǎn)速度測量方法及裝置，依據(jù)信號特征有針對性地采取特定步驟的數(shù)據(jù)處理方法，能夠較準(zhǔn)確地測量具有低速且高加速度特征的質(zhì)點(diǎn)速度。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種針對具有低速且高加速度特征的質(zhì)點(diǎn)速度測量方法，包括步驟1，光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)對速度為KTioV/s量級，并且加速度在IOVs2以上量級的運(yùn)動靶面質(zhì)點(diǎn)速度進(jìn)行測量，輸出差拍干涉信號至速度計(jì)算系統(tǒng)；步驟2，所述速度計(jì)算系統(tǒng)采用短時(shí)傅里葉變換或連續(xù)小波變換對所述差拍干渉信號進(jìn)行時(shí)頻變換數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)具有上述特征的運(yùn)動靶面質(zhì)點(diǎn)速度的高時(shí)間分辨率和速度分辨率測試。優(yōu)選地，上述方法具有以下特點(diǎn)所述光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)包括激光器、光纖環(huán)形器、聚焦透鏡、探測器和示波器，所述步驟I包括激光器發(fā)射通訊激光至光纖環(huán)形器的第一端ロ ；
所述光纖環(huán)形器將接收到的通訊激光從其第二端ロ發(fā)送至聚焦透鏡；所述聚焦透鏡將接收到的通訊激光的一部分作為參考光從其端面反射回所述光纖環(huán)形器的第二端ロ，另一部分輸出至運(yùn)動靶面；并將從運(yùn)動靶面反射回的信號光發(fā)送至光纖環(huán)形器的第二端ロ；所述光纖環(huán)形器將接收到的參考光和信號光從其第三端ロ發(fā)送至探測器；所述探測器探測到所述參考光和信號光產(chǎn)生的差拍干涉信號，并發(fā)送至示波器；所述示波器記錄所述差拍干渉信號，并將所記錄的差拍干涉信號發(fā)送至速度計(jì)算系統(tǒng)。
優(yōu)選地，上述方法具有以下特點(diǎn)在所述步驟2中，所述速度計(jì)算系統(tǒng)針對運(yùn)動靶面的質(zhì)點(diǎn)速度特征以及差拍干涉信號的特征選擇短時(shí)傅里葉變換或連續(xù)小波變換進(jìn)行時(shí)頻變換數(shù)據(jù)處理；其中，對于質(zhì)點(diǎn)速度波動劇烈，信噪比大于5dB的差拍干涉信號，選擇連續(xù)小波變換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；對于質(zhì)點(diǎn)速度波動較為平穩(wěn)，信噪比小于5dB的干渉信號，選擇短時(shí)傅里葉變換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。優(yōu)選地，上述方法具有以下特點(diǎn)所述質(zhì)點(diǎn)速度波動劇烈是指質(zhì)點(diǎn)速度波動的每個(gè)周期中，Vmin ( O. 2vmax ；所述質(zhì)點(diǎn)速度波動較為平穩(wěn)是指質(zhì)點(diǎn)速度波動的每個(gè)周期中，Vfflin ^ O. Svfflax ；其中，Vmin為波谷對應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)速度，Vmax為波峰對應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)速度。
優(yōu)選地，上述方法具有以下特點(diǎn)采用連續(xù)小波變換對所述差拍干渉信號進(jìn)行時(shí)頻變換數(shù)據(jù)處理包括對所述差拍干涉信號進(jìn)行濾波處理；分別對預(yù)處理后的差拍干涉信號和原始的差拍干涉信號進(jìn)行小波變換，得到它們各自的小波系數(shù)，再把對應(yīng)的小波系數(shù)相乘；用局部模極大值法進(jìn)行小波脊線的提取，得到質(zhì)點(diǎn)速度曲線。優(yōu)選地，上述方法具有以下特點(diǎn)在對所述差拍干涉信號進(jìn)行濾波處理的步驟之前，所述方法還包括對所述差拍干涉信號進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換處理，井根據(jù)得到的結(jié)果估算質(zhì)點(diǎn)速度的上限和下限，并計(jì)算小波基的中心頻率及帶寬，然后根據(jù)短時(shí)傅里葉變換的時(shí)頻圖，選擇最優(yōu)的小波基；在對所述差拍干涉信號進(jìn)行濾波處理的步驟中，根據(jù)估算的質(zhì)點(diǎn)信號速度的上限和下限，設(shè)定濾波速度的上限和下限；在分別對預(yù)處理后的差拍干涉信號和原始的差拍干涉信號進(jìn)行小波變換的步驟中，采用所述最優(yōu)的小波基進(jìn)行小波變換。優(yōu)選地，上述方法具有以下特點(diǎn)在用局部模極大值法進(jìn)行小波脊線的提取，得到質(zhì)點(diǎn)速度曲線的步驟中，找到時(shí)頻譜的模極大值，作為可靠的小波脊線的時(shí)間起點(diǎn)和差頻頻率起點(diǎn)，再根據(jù)加速度的變化范圍，設(shè)置差頻頻率的搜尋范圍，求出局部極大值，找到時(shí)間范圍內(nèi)各時(shí)刻的差頻頻率，從而實(shí)現(xiàn)小波脊線的提取。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種針對具有低速且高加速度特征的質(zhì)點(diǎn)速度測量裝置，包括光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)和速度計(jì)算系統(tǒng)，
所述光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)用于對速度為lO^lOV/s量級，并且加速度在IOVs2以上量級的運(yùn)動靶面質(zhì)點(diǎn)速度進(jìn)行測量，輸出差拍干涉信號至速度計(jì)算系統(tǒng)；所述速度計(jì)算系統(tǒng)用于采用短時(shí)傅里葉變換或連續(xù)小波變換對所述差拍干渉信號進(jìn)行時(shí)頻變換數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)具有上述特征的運(yùn)動靶面質(zhì)點(diǎn)速度的高時(shí)間分辨率和速度分辨率測試。優(yōu)選地，上述裝置具有以下特點(diǎn)所述光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)包括激光器、光纖環(huán)形器、聚焦透鏡、探測器和示波器，其中，激光器、光纖環(huán)形器、探測器和示波器依次相連，聚焦透鏡與光纖環(huán)形器相連；所述激光器用于發(fā)射通訊激光至光纖環(huán)形器的第一端ロ ；所述光纖環(huán)形器用于將接收到的通訊激光從其第二端ロ發(fā)送至聚焦透鏡，以及，將接收到的參考光和信號光從其第三端ロ發(fā)送至探測器；所述聚焦透鏡用于將接收到的通訊激光的一部分作為參考光從其端面反射回所述光纖環(huán)形器的第二端ロ，另一部分輸出至運(yùn)動靶面；并將從運(yùn)動靶面反射回的信號光發(fā)送至光纖環(huán)形器的第二端ロ；所述探測器用于探測所述參考光和信號光產(chǎn)生的差拍干涉信號，并發(fā)送至示波器；所述示波器用于記錄所述差拍干渉信號，并將所記錄的差拍干涉信號發(fā)送至速度計(jì)算系統(tǒng)。優(yōu)選地，上述裝置具有以下特點(diǎn)所述光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)還包括光電轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、第一分光模塊和第二分光模塊；所述聚焦透鏡、光纖環(huán)形器、探測器和第二分光模塊對應(yīng)，均為N個(gè)，N大于等于I ;所述第一分光模塊的入端與所述激光器相連，所述第一分光模塊的N個(gè)出端分別與N個(gè)光纖環(huán)形器的第一端ロ相連，將所述激光器發(fā)射的通訊激光均分給N個(gè)光纖環(huán)形器；每個(gè)第二分光模塊的入端分別與對應(yīng)的光纖環(huán)形器的第三端ロ相連，所述第二分光模塊的ー個(gè)出端與對應(yīng)的探測器相連，另ー個(gè)出端與光電轉(zhuǎn)換模塊相連；所述光電轉(zhuǎn)換模塊用于將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并發(fā)送給顯示模塊進(jìn)行顯不O對于速度為10° lOV/s量級，并且加速度在109m/S2以上量級的質(zhì)點(diǎn)速度，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了具有上述特征運(yùn)動靶面質(zhì)點(diǎn)速度的高時(shí)間分辨率和速度分辨率測試，其中時(shí)間分辨率為O. 2ns，速度精度為誤差不超過O. 1%。而且，本發(fā)明可以同時(shí)測試多路質(zhì)點(diǎn)速度，測試效率高，成本較低，易于實(shí)現(xiàn)。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例的針對具有低速且高加速度特征的質(zhì)點(diǎn)速度測量裝置示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)示意圖；、
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的多路測試的光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)示意圖；圖4為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例的多路測試的光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)示意圖；圖5為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例的主機(jī)箱的示意圖；圖6為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例的LSP自由表面速度測量示意圖；圖7為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例的三組LSP自由表面速度測量結(jié)果；圖8為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例的SHPB自由表面速度測量示意圖，其中(a)為測量入射桿端面縱向速度；(b)為測量試樣徑向速度；
圖9為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例的SHPB測量不同處理方法比較，其中(a)為測量入射桿端面縱向速度得到的測量結(jié)果；(b)測量試樣徑向速度測得的測量結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。對于速度為10° lOV/s量級，并且加速度在109m/S2以上量級的質(zhì)點(diǎn)表速度，本發(fā)明采用光纖激光多普勒干涉測速硬件系統(tǒng)與短時(shí)傅里葉變換或連續(xù)小波變換等時(shí)頻變換數(shù)據(jù)處理軟件相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)具有上述特征運(yùn)動靶面質(zhì)點(diǎn)速度的高時(shí)間分辨率和速度分辨率測試，其中時(shí)間分辨率為O. 2ns，速度精度為誤差不超過O. 1%。如圖I所示，本發(fā)明的針對具有低速且高加速度特征的質(zhì)點(diǎn)速度測量裝置，包括光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)和速度計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)對速度為10° lOV/s量級，并且加速度在IOVs2以上量級的運(yùn)動靶面質(zhì)點(diǎn)速度進(jìn)行測量，輸出差拍干涉信號至速度計(jì)算系統(tǒng)；所述速度計(jì)算系統(tǒng)采用短時(shí)傅里葉變換或連續(xù)小波變換對所述差拍干渉信號進(jìn)行時(shí)頻變換數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)具有上述特征的運(yùn)動靶面質(zhì)點(diǎn)速度的高時(shí)間分辨率和速度分辨率測試。如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)包括激光器、光纖環(huán)形器、聚焦透鏡、探測器和示波器，其中，激光器、光纖環(huán)形器、探測器和示波器依次相連，聚焦透鏡與光纖環(huán)形器相連；其中，激光器發(fā)射通訊激光(其初始頻率為ち)至光纖環(huán)形器的第一端ロ ；所述光纖環(huán)形器將接收到的通訊激光從其第二端ロ發(fā)送至聚焦透鏡；所述聚焦透鏡將接收到的通訊激光的一部分作為參考光(其頻率仍為も)從其端面反射回所述光纖環(huán)形器的第二端ロ，另一部分輸出至運(yùn)動靶面；并將從運(yùn)動靶面反射回的信號光(因多普勒頻移效應(yīng)而具有頻率も)發(fā)送至光纖環(huán)形器的第二端ロ ；所述光纖環(huán)形器將接收到的參考光和信號光從其第三端ロ發(fā)送至探測器；所述探測器探測到所述參考光和信號光產(chǎn)生的差拍干涉信號，并發(fā)送至示波器；所述示波器記錄所述差拍干渉信號，并將所記錄的差拍干涉信號發(fā)送至速度計(jì)算系統(tǒng)。參考光和信號光產(chǎn)生差拍干涉信號，被探測器探測和示波器記錄，其瞬時(shí)光強(qiáng)為l{t) = I0(t) + Ib(t) + 2ψ0(t)Ib(0cos ^￡μ(ΟΛ + <Ρο(I)其中，Itl (t)和Ib(t)分別為參考光和信號光光強(qiáng)幅值，u (t)為運(yùn)動靶面瞬時(shí)質(zhì)點(diǎn)速度，λ為激光波長，％為初始相位差。運(yùn)動靶面的質(zhì)點(diǎn)速度為 (0 = ^[Λ(0-/ο] = |δ/5(0(2)Afb(t)為拍頻，由瞬時(shí)干涉條紋的疏密決定，可取相鄰兩個(gè)波峰或波谷時(shí)間間隔的倒數(shù)。可見，速度歷程隱藏在干渉信號的頻域內(nèi)，而與光強(qiáng)變化無關(guān)，因此系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)。主要的系統(tǒng)誤差來源于激光器波長的不穩(wěn)定性和基頻噪聲。在一優(yōu)選實(shí)例中，該光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)采用美國JDSU公司CQF938/400型窄線寬通訊激光器，輸出光的波長為1550nm，線寬為200kHz，最大輸出功率IOOmff0探測器采用New Focus公司1544-A型InGaAs PIN產(chǎn)品，帶寬為12GHz;示波器采 用Lecoy公司W(wǎng)aveMaster 808Ζ 型產(chǎn)品，帶寬為8GHz,單通道最大寫入速度40Gs/s。如圖3所示，可以增加分光器件，對圖2實(shí)施例進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)多路(N路)測量。其中，増加ー個(gè)第一分光模塊，聚焦透鏡、光纖環(huán)形器和探測器一一對應(yīng)，均為N個(gè)，N大于等于I。所述第一分光模塊的入端與所述激光器相連，所述第一分光模塊的N個(gè)出端分別與N個(gè)光纖環(huán)形器的第一端ロ相連，將所述激光器發(fā)射的通訊激光均分給N個(gè)光纖環(huán)形器。N個(gè)探測器均接到同一個(gè)示波器上進(jìn)行記錄。另外，可以增加N個(gè)第二分光模塊，實(shí)現(xiàn)對N路光路的監(jiān)測顯示，如圖3所示，每個(gè)第二分光模塊的入端分別與對應(yīng)的光纖環(huán)形器的第三端ロ相連，所述第二分光模塊的ー個(gè)出端與對應(yīng)的探測器相連，另ー個(gè)出端與光電轉(zhuǎn)換模塊相連；光電轉(zhuǎn)換模塊將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并發(fā)送給顯示模塊進(jìn)行顯示。如圖Γ圖5所示，為本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)例，采用兩路光路測量，分光器件采用耦合器。如圖4所示，實(shí)驗(yàn)對象可放在第一微調(diào)架或第二微調(diào)架上，聚焦透鏡采用自聚焦棒(包括第一自聚焦棒和第二自聚焦棒)，第一探測器和第二探測器均連接示波器。測量吋，采用實(shí)驗(yàn)測量通過激光脈寬上升沿同步觸發(fā)。如圖5所示，在圖4中的主機(jī)箱內(nèi)部，包含有激光源驅(qū)動電路板(含激光器)、為激光器制冷的制冷電路板、顯示電路板、耦合器(第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器)、環(huán)形器(第一環(huán)形器和第二環(huán)形器)、光電轉(zhuǎn)換電路板和觸發(fā)處理電路板。其中，顯示電路板可用于四個(gè)顯示——驅(qū)動電流、制冷電流、兩個(gè)探測點(diǎn)的光電流。光電轉(zhuǎn)換電路板將輸入的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將光電流放大。觸發(fā)處理電路板用于觸發(fā)信號的處理。第一f禹合器的分光比為50%:50%,第二稱合器和第三稱合器的分光比為90%: 10%。速度計(jì)算系統(tǒng)針對運(yùn)動靶面的質(zhì)點(diǎn)速度特征以及差拍干涉信號的特征選擇短時(shí)傅里葉變換或連續(xù)小波變換進(jìn)行時(shí)頻變換數(shù)據(jù)處理；其中，對于質(zhì)點(diǎn)速度波動劇烈，信噪比大于5dB的差拍干涉信號，選擇連續(xù)小波變換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；對于質(zhì)點(diǎn)速度波動較為平穩(wěn)，信噪比小于5dB的干渉信號，選擇短時(shí)傅里葉變換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。所述質(zhì)點(diǎn)速度波動劇烈是指質(zhì)點(diǎn)速度波動的每個(gè)周期中，Vmin彡O. 2vmax ；所述質(zhì)點(diǎn)速度波動較為平穩(wěn)是指質(zhì)點(diǎn)速度波動的每個(gè)周期中，Vfflin ^ O. Svfflax ；其中，Vmin為波谷對應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)速度，Vmax為波峰對應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)速度。( I)基于短時(shí)傅里葉進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí) 通過選取ー個(gè)固定寬度的滑動窗ロ，將非平穩(wěn)信號逐段截取為近似平穩(wěn)的信號，然后分別對截得的信號進(jìn)行傅里葉變換，得到每段中的頻譜，進(jìn)而得到運(yùn)動靶面的質(zhì)點(diǎn)速度。其基本定義式為STFT ( τ , f) = / x (t) g (t~ τ ) exp (~i2 η ft) dt (3)x(t)表示信號，g(t_ τ )表示中心在τ處的窗函數(shù)。該STFT ( τ，f)即指上文Δ fb(t)拍頻。在處理時(shí)，取窗ロ函數(shù)為Hamming窗，窗函數(shù)受到Heisenberg不確定準(zhǔn)則的限制，其時(shí)間分辨率Λ t和頻率分辨率Λ f滿足Af · At=I (4)可見，STFT窗函數(shù)的時(shí)間與頻率分辨率不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。(2)基于連續(xù)小波變換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)連續(xù)小波變換具有時(shí)頻窗ロ可調(diào)的性質(zhì)，在低頻時(shí)使用較寬的窗ロ，在高頻時(shí)使用較窄的窗ロ，因而在時(shí)域和頻域上都有較好的分辨率，能更好地分析非平穩(wěn)信號的時(shí)頻特性。定義小波變換
權(quán)利要求
1.一種針對具有低速且高加速度特征的質(zhì)點(diǎn)速度測量方法，包括 步驟1，光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)對速度為lO^lOV/s量級，并且加速度在109m/S2以上量級的運(yùn)動靶面質(zhì)點(diǎn)速度進(jìn)行測量，輸出差拍干涉信號至速度計(jì)算系統(tǒng)； 步驟2，所述速度計(jì)算系統(tǒng)采用短時(shí)傅里葉變換或連續(xù)小波變換對所述差拍干渉信號進(jìn)行時(shí)頻變換數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)具有上述特征的運(yùn)動靶面質(zhì)點(diǎn)速度的高時(shí)間分辨率和速度分辨率測試。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干， 所述光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)包括激光器、光纖環(huán)形器、聚焦透鏡、探測器和示波器，所述步驟I包括 激光器發(fā)射通訊激光至光纖環(huán)形器的第一端ロ； 所述光纖環(huán)形器將接收到的通訊激光從其第二端ロ發(fā)送至聚焦透鏡； 所述聚焦透鏡將接收到的通訊激光的一部分作為參考光從其端面反射回所述光纖環(huán)形器的第二端ロ，另一部分輸出至運(yùn)動靶面；并將從運(yùn)動靶面反射回的信號光發(fā)送至光纖環(huán)形器的第二端ロ； 所述光纖環(huán)形器將接收到的參考光和信號光從其第三端ロ發(fā)送至探測器； 所述探測器探測到所述參考光和信號光產(chǎn)生的差拍干涉信號，并發(fā)送至示波器； 所述示波器記錄所述差拍干渉信號，并將所記錄的差拍干涉信號發(fā)送至速度計(jì)算系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干， 在所述步驟2中，所述速度計(jì)算系統(tǒng)針對運(yùn)動靶面的質(zhì)點(diǎn)速度特征以及差拍干涉信號的特征選擇短時(shí)傅里葉變換或連續(xù)小波變換進(jìn)行時(shí)頻變換數(shù)據(jù)處理；其中，對于質(zhì)點(diǎn)速度波動劇烈，信噪比大于5dB的差拍干涉信號，選擇連續(xù)小波變換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；對于質(zhì)點(diǎn)速度波動較為平穩(wěn)，信噪比小于5dB的干渉信號，選擇短時(shí)傅里葉變換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在干， 所述質(zhì)點(diǎn)速度波動劇烈是指質(zhì)點(diǎn)速度波動的每個(gè)周期中，Vfflin ( O. 2vfflax ； 所述質(zhì)點(diǎn)速度波動較為平穩(wěn)是指質(zhì)點(diǎn)速度波動的每個(gè)周期中，Vfflin ^ O. Svfflax ； 其中，Vmin為波谷對應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)速度，Vmax為波峰對應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)速度。
5.如權(quán)利要求1 4中任意一項(xiàng)所述的方法,其特征在于， 采用連續(xù)小波變換對所述差拍干渉信號進(jìn)行時(shí)頻變換數(shù)據(jù)處理包括 對所述差拍干涉信號進(jìn)行濾波處理； 分別對預(yù)處理后的差拍干涉信號和原始的差拍干涉信號進(jìn)行小波變換，得到它們各自的小波系數(shù)，再把對應(yīng)的小波系數(shù)相乘； 用局部模極大值法進(jìn)行小波脊線的提取，得到質(zhì)點(diǎn)速度曲線。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在干， 在對所述差拍干涉信號進(jìn)行濾波處理的步驟之前，所述方法還包括 對所述差拍干涉信號進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換處理，井根據(jù)得到的結(jié)果估算質(zhì)點(diǎn)速度的上限和下限，并計(jì)算小波基的中心頻率及帶寬，然后根據(jù)短時(shí)傅里葉變換的時(shí)頻圖，選擇最優(yōu)的小波基； 在對所述差拍干涉信號進(jìn)行濾波處理的步驟中，根據(jù)估算的質(zhì)點(diǎn)信號速度的上限和下限，設(shè)定濾波速度的上限和下限； 在分別對預(yù)處理后的差拍干涉信號和原始的差拍干涉信號進(jìn)行小波變換的步驟中，采用所述最優(yōu)的小波基進(jìn)行小波變換。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在干， 在用局部模極大值法進(jìn)行小波脊線的提取，得到質(zhì)點(diǎn)速度曲線的步驟中，找到時(shí)頻譜的模極大值，作為可靠的小波脊線的時(shí)間起點(diǎn)和差頻頻率起點(diǎn)，再根據(jù)加速度的變化范圍，設(shè)置差頻頻率的搜尋范圍，求出局部極大值，找到時(shí)間范圍內(nèi)各時(shí)刻的差頻頻率，從而實(shí)現(xiàn)小波脊線的提取。
8.一種針對具有低速且高加速度特征的質(zhì)點(diǎn)速度測量裝置，其特征在于，包括光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)和速度計(jì)算系統(tǒng)， 所述光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)用于對速度為lO^lOV/s量級，并且加速度在·IOVs2以上量級的運(yùn)動靶面質(zhì)點(diǎn)速度進(jìn)行測量，輸出差拍干涉信號至速度計(jì)算系統(tǒng)； 所述速度計(jì)算系統(tǒng)用于采用短時(shí)傅里葉變換或連續(xù)小波變換對所述差拍干渉信號進(jìn)行時(shí)頻變換數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)具有上述特征的運(yùn)動靶面質(zhì)點(diǎn)速度的高時(shí)間分辨率和速度分辨率測試。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在干， 所述光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)包括激光器、光纖環(huán)形器、聚焦透鏡、探測器和示波器，其中，激光器、光纖環(huán)形器、探測器和示波器依次相連，聚焦透鏡與光纖環(huán)形器相連；所述激光器用于發(fā)射通訊激光至光纖環(huán)形器的第一端ロ； 所述光纖環(huán)形器用于將接收到的通訊激光從其第二端ロ發(fā)送至聚焦透鏡，以及，將接收到的參考光和信號光從其第三端ロ發(fā)送至探測器； 所述聚焦透鏡用于將接收到的通訊激光的一部分作為參考光從其端面反射回所述光纖環(huán)形器的第二端ロ，另一部分輸出至運(yùn)動靶面；并將從運(yùn)動靶面反射回的信號光發(fā)送至光纖環(huán)形器的第二端ロ； 所述探測器用于探測所述參考光和信號光產(chǎn)生的差拍干涉信號，并發(fā)送至示波器； 所述示波器用于記錄所述差拍干渉信號，并將所記錄的差拍干涉信號發(fā)送至速度計(jì)算系統(tǒng)。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在干， 所述光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)還包括光電轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、第一分光模塊和第二分光模塊；所述聚焦透鏡、光纖環(huán)形器、探測器和第二分光模塊一一對應(yīng)，均為N個(gè)，N大于等于I ; 所述第一分光模塊的入端與所述激光器相連，所述第一分光模塊的N個(gè)出端分別與N個(gè)光纖環(huán)形器的第一端ロ相連，將所述激光器發(fā)射的通訊激光均分給N個(gè)光纖環(huán)形器；每個(gè)第二分光模塊的入端分別與對應(yīng)的光纖環(huán)形器的第三端ロ相連，所述第二分光模塊的ー個(gè)出端與對應(yīng)的探測器相連，另ー個(gè)出端與光電轉(zhuǎn)換模塊相連； 所述光電轉(zhuǎn)換模塊用于將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并發(fā)送給顯示模塊進(jìn)行顯/Jn ο
全文摘要
本發(fā)明公開一種針對具有低速且高加速度特征的質(zhì)點(diǎn)速度測量方法及裝置，對于速度為100～101m/s量級，并且加速度在109m/s2以上量級的質(zhì)點(diǎn)表速度，本發(fā)明采用光纖激光多普勒干涉測速硬件系統(tǒng)與采用特定流程的短時(shí)傅里葉變換或連續(xù)小波變換時(shí)頻變換數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)具有上述特征運(yùn)動靶面質(zhì)點(diǎn)速度的高時(shí)間分辨率和速度分辨率測試，其中時(shí)間分辨率為0.2ns，速度精度為誤差不超過0.1%。而且，本發(fā)明可以同時(shí)測試多路質(zhì)點(diǎn)速度，測試效率高，成本較低，易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號G01P3/36GK102721824SQ201210216938
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者吳先前, 宋宏偉, 王健, 魏延鵬, 黃晨光 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所