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分时激光干涉测速技术

彭其先  
【摘要】: 激光干涉测速技术具有非接触测量、时间分辨率高(ns量级)、测速精确度高(<2%)及测量动态范围大(>10 km/s)等优点,已成为冲击波物理和爆轰物理实验研究中的标准技术之一,并在常规武器、炸药爆轰性能、内弹道、电炮等众多研究领域中广泛使用。因此,探索和研究新的激光干涉测速技术,提高其性能指标和拓展应用范围,具有重要的学术意义和良好的应用前景。 论文从传统的激光干涉入手,以双光束激光差频干涉为基础,通过理论分析、实验研究、计算机模拟等手段,对激光差频干涉技术进行了系统研究,提出并建立了分时激光干涉测速技术,组建了测量系统并进行了相关的实证实验。论文主要工作有: 1、分析了影响双光束激光差频干涉的因素和适用条件 对激光差频干涉的频率范围、信号调制度、位相因子等影响干涉的关键因素和适用条件进行了分析。分析表明,在我们关心的物理参数测试过程中,受温度、振动等影响的初始位相对测量结果的影响可以忽略不计,而双光束之间的光强之比将对测量信号的对比度带来较大影响。 2、分析了单模光纤干涉测位移系统用于漫反射面的可行性 结合迈克尔逊干涉仪结构和差拍测速仪结构,从理论上分析、阐释了测位移技术中对待测面的镜面要求和仅限低速适用是该技术的瓶颈问题,采用Fresnel近似,对该技术应用于漫反射面的可行性和单模干涉测量系统进行了推导,从理论上对干涉测位移技术的理论测速上限进行了解释,表明采用单模光纤测量系统可以用于漫反射靶面的测试。实际设计了单模光纤测位移系统,并分别进行了低速的喇叭振动实验和高速的爆轰驱动实验,实验结果支持上述理论分析。 3、探索了激光干涉测速技术中的关键技术并进行了数值模拟和实验设计 对激光差频干涉测速度技术进行了理论分析,结合激光干涉测速仪结构和测试系统工作特点,分析了关键技术和发展前景,进行了相关技术的研究,设计了折反式标准具结构,提高了干涉仪的灵敏度,研制了外腔型长脉冲电光开关,扩展了光电倍增管的动态范围,大大改善了信号质量(信噪比)。探索了距离测量法、时间间隔测量法、对比法等三种条纹常数检测方法,为评定干涉测速的不确定度奠定了较好基础。对VISAR的测速精度、速度分辨率、丢失整数条纹等问题进行了数值模拟,相应的动态实验结果较好的支撑了上述理论分析。 4、设计了光纤VISAR和光纤速度干涉仪测量系统 分析了光纤VISAR的工作原理,结合单摸光纤和光纤耦合器件的结构和工作特点,设计了光纤VISAR和动态实验,在低速的霍普金森杆实验中得到了较好的实验结果。设计了可用于漫反射面测量的全单模光纤速度干涉仪测量系统,参与干涉的光信号对比度可达到1,采用该系统在低速的霍普金森杆实验和高速的激光驱动飞片实验中均取得较好的动态实验结果,验证了设计的有效性。 5、提出并开展了分时激光差频干涉测速度技术研究 从理论上对激光差频干涉测速度技术进行了分析,首次提出了分时激光差频干涉测速度技术,从应用角度对该技术的应用基础和发展前景进行了剖析,对该技术涉及的关键技术进行了分析、讨论,针对分时激光干涉技术各关键技术,结合爆轰与冲击物理过程特性,选择了合适的干涉测试技术参数,配合爆轰与冲击物理过程的设计,进行了分时激光干涉技术实际应用研究,获得了初步的实验结果。研究了分时激光差频干涉测速度技术数据处理方法,采用差频干涉测位移技术和差频干涉测速度技术相结合的数据处理方法,对动态实验结果进行了处理。


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