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激光多普勒效应远距离测量爆炸过程动态参数的研究

邵磊  
【摘要】: 爆炸容器作为一种特殊的研究爆炸效应的设备,已日益广泛地应用于工业、国防和科研领域。本课题旨在利用激光多普勒效应,研究爆炸过程中容器高速形变的远距离动态参数测量系统,为爆炸的现场测试提供稳定可靠的高精度非接触式测量仪器。仪器性能所达到的指标:形变速度量程为-10m/s~+20m/s(+表示容器膨胀速度方向;-表示容器收缩速度方向),测量距离为4.5m,形变位移量程为±20mm。 利用激光多普勒效应对爆炸容器这种固体目标高速运动的远距离测量中,多普勒信号的信噪比很低。如何提高信号强度,抑制干扰噪声,从微弱信号中有效地提取多普勒信号,是实现远距离高精度测量的关键。在本论文的研究中,主要从光路结构优化和数字信号处理两个方面来解决上述问题。 首先,对外差式纵向激光多普勒测量光路进行优化设计,提高多普勒信号强度,改善信噪比,是保证远距离高精度测量的前提,具体内容如下: (1)通过对高斯光学的理论分析得知,当散射体位于测量光束的束腰位置时,可以消除散射光的多普勒加宽,透镜可以大口径接收,充分利用散射光的强度。根据测量距离要求,设计光路的束腰位置为4.5m; (2)通过对激光散斑理论的统计特性分析得知,多普勒信号的强度和光电接收器的面积成正比,与聚焦光点的直径成反比。选用光敏面直径为9mm的光电接收器S7516,投射到爆炸容器表面的光斑直径小于1mm; (3)利用偏振光干涉技术,实现测量光束与参考光束的最佳光强分配,减少光路中的能量损失。使用偏振分光棱镜和波片器件,保证爆炸容器表面返回的散射光以最小能量损失投射到光电接收器。 其次,利用现代数字信号处理手段,从微弱信号中提取多普勒信号,实现获取多普勒信号时频分布的有效途径,具体内容如下: (1)分析系统的噪声来源,根据切比雪夫最佳逼近理论,设计动态范围为40dB带通陷波滤波器,滤波器的通带频率范围1MHz至97MHz,陷波频率65MHz,滤除有效频带范围外的噪声信号,抑制来自声光调制器的干扰信号; (2)基于信号和噪声的统计特性,利用相关检测与短时傅里叶变换相结合的方法,获取多普勒信号的时频分布特征; (3)根据傅里叶变换的相位信息,利用相位差法对多普勒信号傅里叶变换结果的峰值谱进行频率校正,消除快速傅里叶变换算法的栅栏效应,提高对多普勒 信号的频率辨识精度; (4)利用小波变换对爆炸过程的时频分布信号进行小波分解,根据表征信号奇异点特征的模极大能从小尺度传播到大尺度的特性,对多普勒信号脱落引起的频率奇异点进行跟踪识别,并拟合修正,进一步提高信号时频分布精度。 论文中还包括用对数限幅放大器AD8306设计的微弱信号放大电路,以及基于LabVIEW平台的软件设计。另外,论文中还探讨了仪器测量过程中系统误差产生的主要原因以及相应的解决方法,根据与标准振动台比对实验数据,仪器测量结果的相对不确定度为0.39%。 在天津市计量技术研究所的测试结果表明,仪器的位移测量相对误差小于1%。在新疆部队基地进行了7次爆炸实验,仪器能够准确地测量钢制圆柱形爆炸容器的高速形变参数,达到良好的测量效果。


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