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全光纤VISAR技术的研究与应用

冯阳  
【摘要】:随着激光技术的不断发展,激光干涉测速技术为传统速度测试技术带来了革命性的突破。自上世纪70年代以来,经过40年的不断发展,激光干涉测速技术先后经历了VISAR干涉仪(Velocity Interferometer System For Any Reflector)、F-P干涉仪(Fabry-Perot interferometer)、白光干涉仪、全光纤VISAR干涉仪(all-Fiber Velocity Interferometer System For Any Reflector)等不同阶段的研究。现今,全光纤VISAR技术由于其结构紧凑,光源相干程度低、调试简单、测量范围广、精度高等优点已成为了非接触速度测量技术的主流。 针对瞬态测量的需要,以解决冲击波作用下的靶向自由面速度测试应用为主要研究对象,本文对全光纤VISAR系统的工作原理及软、硬件进行了较深入的研究与分析,并将其成功应用于若干测试领域中,文章的主要创新有: 1.在光路结构中引入3×3光纤耦合器和直流检测端,其作用是消除回光扰动对测试结果的影响,并为数字示波器提供外触发信号从而获取完整的干涉条纹。 2.针对测试环境需求,设计了抗偏转、高回光效率的光收发透镜组:中心波长1310nm,孔径14mm,焦距26mm,可测量范围50mm-2000mm,理论回光效率在70%以上。 3.在干涉条纹软件处理中,解决了光强扰动信号对测试结果的影响,并通过条纹仿真验证了该方法的正确性。 4.通过对振动台的加速度测试,并对比标准加速度计测量结果,首次在实践中验证了全光纤VISAR系统的测试准确性及可测量频率范围较广的特点。 5.实现了全光纤VISAR技术在冲击波作用下的靶向自由而速度测试,实验在强扰动下实现较长时间测量(200μs),这在国内外几乎没有相关报道。 6.首次将全光纤VISAR技术应用于飞片高速测量中,但由于实验时数字示波器的限制及系统回光效率较低等原因,出现了欠采样、条纹丢失及信噪比较差的情况,对测试结果的准确性产生影响,但实验仍然获得飞片的飞行过程。 文章的结构为: 第一章:介绍常见非接触速度测试的几种方法,并通过对比证明了激光干涉测速技术的先进性。回顾了激光干涉测速技术40年的发展历史,与国内外研究现状。有代表性的介绍了迈克尔逊干涉仪、VISAR干涉仪和白光干涉仪的构造与原理,尤其就系统带宽和光源相干长度等问题进行讨论,分析其做为速度测量工具的优劣。 第二章:全光纤VISAR实验光路是在L.LEVIN所设计的光路基础上,添加直流检测端、光收发装置及使用两个3×3光纤耦合器而构成的。该改进型光路更有利于全光纤VISAR的通用性与稳定性。文章系统中所涉及的所有元件进行分析与讨论。 第三章:重点提出了回光扰动明显的非稳态条纹软件处理与分析方法。主要采用光强软件归零、消除回光扰动、高阶滤波、信号归一化等处理手段来提取较为稳定的干涉条纹,并采用相位还原的方式获取信号的相位差,求得所测信号的速度值。 第四章:本章节共记录了四个实验:振动台振动测量实验、加速度定标实验、冲击波速度测试与飞片速度测试。上述实验全部是在全光纤VISAR系统应用第一线完成的,为进一步研究全光纤速度传感器提供了重要的参考价值。 第五章:总结与展望。


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