一種利用單探頭單光路實現(xiàn)兩種測速技術(shù)對一個測點同時復(fù)測的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光測速領(lǐng)域，尤其是一種利用單探頭單光路實現(xiàn)兩種測速技術(shù)對一個測點同步復(fù)測的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在沖擊波和爆轟物理、炸藥研宄、強(qiáng)激光、脈沖功率、超高速實驗、兵器等研宄領(lǐng)域中，速度一直是關(guān)鍵問題和需要診斷的主要參數(shù):需要連續(xù)的、非接觸的測量各種材料在沖擊波作用下的自由面速度歷史；飛片速度和粒子速度的測量是沖擊波物理和爆轟波物理研宄中非常關(guān)心的問題；診斷炸藥爆速、不同加載條件下炸藥驅(qū)動飛片的速度、爆轟波陣面等炸藥爆轟信息。
[0003]激光測速技術(shù)，尤其是全光纖多普勒速度干涉儀(Photonic DopplerVelocimetry, TOV，國內(nèi)也稱DPS或DISAR)，具有非接觸測量、時間分辨率高、準(zhǔn)確度高、使用簡單、免調(diào)試等優(yōu)點，在上述領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已成為主要的測速手段。
[0004]目前國際上主要有兩種PDV測速技術(shù)，一種是常規(guī)PDV測速技術(shù)，基于單光源的零差檢測，另一種是光學(xué)外差PDV測速技術(shù)，基于雙光源的外差檢測，它們均是利用干涉方法獲取待測目標(biāo)的速度信息，即將測速探頭收集到的待測目標(biāo)表面回光(帶有待測目標(biāo)速度信息，功率較為微弱，一般不超過10mW，通常小于ImW)作為信號光，將不帶速度信息的另一束光作為參考光(一般直接來自于光源)，兩束光在光路后端進(jìn)行干涉，干涉光再通過光電探測器(轉(zhuǎn)換為電信號)和示波器(進(jìn)行數(shù)據(jù)采集)后，利用數(shù)據(jù)處理便可得到待測目標(biāo)的速度信息。
[0005]常規(guī)PDV基于單光源的零差探測，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)被測目標(biāo)向光纖測速探頭運(yùn)動時，由于多普勒效應(yīng)，從被測運(yùn)動目標(biāo)表面反射回的信號光fd，相對于信號光激光器經(jīng)探頭發(fā)出的探測光4，會有微小的頻率移動一多普勒頻移fb。
[0006]圖1所示常規(guī)PDV的基本結(jié)構(gòu)中，參考光來自于光纖測速探頭(可以為探頭內(nèi)部光纖的端面薄膜造成的反射，也可能為探頭內(nèi)部其他器件造成的回波損耗)對信號光激光器注入探頭的光功率進(jìn)行的小部分反射(大部分透過探頭照射到待測目標(biāo)表面)，為了達(dá)到較好的干涉條件以增強(qiáng)干涉效果，同時使參考光和信號光干涉后的干涉光功率在光電探測器的線性區(qū)間(數(shù)百微瓦時光電探測器的工作性能可以達(dá)到最佳，但不能超出其飽和值，該值一般在ImW左右)，一般反射率(或回波損耗)指標(biāo)為可以使返回至光纖環(huán)形器的光信號功率在500mW?ImW范圍內(nèi)。因為反射并未改變光信號的波長，所以參考光與探測光具有相同的波長和頻率。
[0007]常規(guī)PDV技術(shù)目前通常采用的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它對圖1所示的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改動，參考光并不來自于光纖測速探頭的反射，而來自于信號光激光器經(jīng)1x2光纖分束器分出一部分光功率，該部分光功率被可調(diào)衰減器調(diào)整至500mW?ImW范圍內(nèi)，通過一個2x2光纖分束器進(jìn)入后端光路與信號光進(jìn)行干涉。干涉光被2x2光纖分束器分成兩份，每一份均被一個光電探測器轉(zhuǎn)換為電壓信號和被示波器的一個通道記錄，從而可以利用示波器各通道設(shè)置的不同幅度量程進(jìn)行幅度復(fù)測，得到待測目標(biāo)的兩條速度曲線(幅度分辨率不同，但速度大小完全相同)。
[0008]在常規(guī)PDV技術(shù)目前通常采用的圖2所示的結(jié)構(gòu)中，與圖1所示的基本結(jié)構(gòu)不同，光纖測速探頭的內(nèi)部一般不能有造成反射的薄膜或造成回波損耗的其他器件，其殘存的反射率(或回波損耗)指標(biāo)為使返回至光纖環(huán)形器的光信號功率低于lmW。
[0009]不管是圖1所示的基本結(jié)構(gòu)，還是圖2所示的通常使用的結(jié)構(gòu)，常規(guī)PDV技術(shù)測量到的速度信號如圖3所示(實際爆轟實驗中獲取到的真實信號)。
[0010]雙光源外差技術(shù)可以增強(qiáng)常規(guī)PDV技術(shù)的性能，在需要幅度復(fù)測時，它通常采用的結(jié)構(gòu)如圖4所示，信號光仍然來自于探頭接收到的待測目標(biāo)表面的散射回光，但參考光來自于第二臺激光器一參考光激光器，且參考光激光器與信號光激光器的工作波長(即頻率)有一定的差異。參考光功率被可調(diào)衰減器調(diào)整為500mW?lmW，再通過一個2x2光纖分束器進(jìn)入后端光路與信號光進(jìn)行干涉。干涉光被2x2光纖分束器分成兩份，每一份均被一個光電探測器轉(zhuǎn)換為電壓信號和被示波器的一個通道記錄，從而可以利用示波器各通道設(shè)置的不同幅度量程進(jìn)行幅度復(fù)測，得到待測目標(biāo)的兩條速度曲線(幅度分辨率不同，但速度大小完全相同)。如不需要幅度復(fù)測，則光學(xué)外差PDV技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)與圖4相比，2x2光纖分束器只有一個輸出端(即已變成了 1x2光纖分束器7)，該輸出端僅經(jīng)過一個光電探測器和一個示波器通道，最后得到待測目標(biāo)的一條多普勒頻移/速度曲線。
[0011]對于光學(xué)外差PDV技術(shù)，光纖測速探頭的內(nèi)部仍然不能有造成反射的薄膜或造成回波損耗的其他器件，其殘存的反射率(或回波損耗)指標(biāo)為使返回至光纖環(huán)形器的光信號功率低于lmW。
[0012]利用有一定初始頻差的參考光，光學(xué)外差PDV可以借助外差探測技術(shù)測量多普勒頻移/速度信息，且具備頻率下變換和頻率上變換雙重功能，其中頻率上變換可以提高短歷程低速測量的時間分辨率和測量精度，頻率下變換可以大幅度的降低高速測量對示波器帶寬的要求。以頻率上變換為例，光學(xué)外差PDV技術(shù)測量的速度信號如圖5所示(實際爆轟實驗中獲取到的真實信號)，靜態(tài)階段實際速度為零，但外差PDV的速度信號不為零，而是為一個基線(即坐標(biāo)軸縱向上的偏置量，數(shù)值上等于雙光源的頻率差)，在動態(tài)階段，外差rov的速度信號在基線的基準(zhǔn)上增大，因此，要得到此時實際的速度大小，需要通過數(shù)據(jù)處理，將外差PDV速度信號的幅度值減去基線值，即實際速度等于外差PDV速度減去基線值。
[0013]在實際的實驗測試過程中，由于上述兩種測速技術(shù)需要各自獨立的使用一個測速探頭，且受探頭尺寸(外徑一般為幾毫米)和實驗裝置安裝要求(探頭必須垂直正對測點，如圖1、圖2和圖4所示，否則探頭無法有效的接收到待測目標(biāo)表面的散射光)的限制，一個測點(一個尺寸較小的待測目標(biāo)，或者尺寸較大待測目標(biāo)的某個特定位置)只能被一個探頭測量(因為一個點只能被一個探頭垂直正對)，因此對一個測點只能在兩種PDV測速技術(shù)中選擇其中一種技術(shù)進(jìn)行速度測量。實際上其他各類測速技術(shù)也存在該問題，因為均要各自獨立的使用一個探頭，所以一個測點只能使用其中一種技術(shù)進(jìn)行速度測量。
[0014]由于速度是關(guān)鍵問題和需要診斷的主要參數(shù)，眾多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ俣葦?shù)據(jù)的要求均較高，但難以通過多發(fā)重復(fù)實驗并多次重復(fù)測速的方式提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性，因此，各應(yīng)用領(lǐng)域均對測速技術(shù)提出了在單發(fā)實驗中進(jìn)行復(fù)測的要求，即在一發(fā)實驗中通過復(fù)測獲取到多個數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行對比分析，以驗證測量結(jié)果。
[0015]如上所述，由于一個測點(一個尺寸較小的待測目標(biāo)，或者尺寸較大待測目標(biāo)的某個特定位置)只能在多種測速技術(shù)中選擇其中一種技術(shù)進(jìn)行速度測量，因此，目前國際上采取的復(fù)測方式主要有兩種。
[0016]最主要的一種(也是通常采用的一種)，如圖2和圖4所示，將某一種測速技術(shù)獲取到的帶有待測目標(biāo)速度信息的干涉光，在進(jìn)入光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換前，先利用光纖分束器將其功率分為(一般是均分)兩份、三份或者更多份，然后分別進(jìn)入多個光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再分別被多個示波器通道(設(shè)置為不同的幅度量程)采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲取到待測目標(biāo)的多條n-t曲線。然而，這種復(fù)測方式存在較多的問題:首先，該方式并非真正意義的速度復(fù)測，因為僅僅是功率分割(并不分割所含的待測目標(biāo)速度信息，而是原樣復(fù)制)，不管干涉光被光纖分束器分割成多少份，每一份的速度信息均與功率分割前干涉光的速度信息完全相同，其最終獲取到的多條n-t曲線，也跟干涉光不進(jìn)行功率分割而直接獲取到的n-t曲線完全相同(即原樣復(fù)制)，實際上這么做的目的，僅僅是利用示波器各通道設(shè)置的不同幅度量程，對干涉光功率分割后的多份光信號分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，小量程的示波器通道用于提高信號的幅度分辨率及幅度精度，大量程的示波器通道用于確保信號出現(xiàn)幅度大