CN112987013A - 膛内弹丸速度测量***及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膛内弹丸速度测量***及测量方法，包括连续激光器，连续激光器的出射光侧依次同轴设置有第一反射镜，长焦透镜组和第二反射镜，其中第一反射镜中间带孔；第一反射镜的反射光路上设置有缩径透镜组；在缩径透镜组一侧设置有鉴频及光学探测组件，所述鉴频及光学探测组件依次包括同轴设置的窄带滤光片、固定腔Fizeau干涉仪、平凸透镜、柱面透镜和条纹相机，条纹相机与信号处理单元连接。本发明采用固定腔结构的Fizeau干涉仪作为鉴频器，结构简单，抗外界干扰能力强，测量中可免除对干涉仪的调节，提高测量效率；且生成的干涉条纹为线性条纹，经柱面透镜沿线条纹方向汇聚后极大地提高了激光能量利用率，不仅便于探测更有利于后续信号处理。
Description
技术领域
本发明属于靶场弹道参数测试技术领域，涉及一种膛内弹丸速度测量***及测量方法。
背景技术
弹丸在炮管中运动速度的测量对发展内弹道理论，研究新型火炮、轻武器以及对武器进行校验等都有重要的意义。
弹丸内弹道运动速度测试常用方法有数值模拟、微波干涉测量技术和激光干涉测速技术。数值模拟是基于一定假设条件下的理想推演，因而得到的内弹道运动参数具有不确定性。微波干涉技术采用多普勒原理测速，受限于微波本身的波长(厘米级或毫米级)远远大于激光波长，因此其测量精度也远远小于激光干涉测速。激光干涉测速同样基于多普勒测速原理，能以极高的速度分辨率精确地连续测量炮弹从起飞到出炮口的速度历程。目前应用广泛的是可测量任意反射表面的速度干涉仪(VISAR)和传统的Fabry-Perot干涉测速仪，前者基于外差探测，后者基于条纹成像直接探测技术。后者相对前者最主要的优点是在样品速度波动和光强变化时，对记录环纹位置的Fabry-Perot干涉仪(FPI)没有影响，而对记录VISAR条纹的光电倍增管输出拍频干涉波形的振幅却造成较大的影响，因而影响精度。Fabry-Perot干涉仪是一种多光束干涉仪，具有较高的分辨本领。1968年，P.M.Johnson和T.J.Bargess首次利用Fabry-Perot干涉仪传输函数和入射光频率之间的关系测量样品运动引起的多普勒频移技术。它是借助于Fabry-Perot标准具作为分光原件的光谱技术，最大的优点在于样品速度与干涉条纹的位置关联，与条纹的强度无关，所以能更好地排除测量中杂散信号的影响。James、Jackson和Self等都应用其测量多普勒频率，这种方法还被Avidor用于湍流高速射流的测量。国内，兵器部204所田清政教授等人采用氦氖激光器作光源，与国内的301变象管相配研制了Fabry-Perot测速仪，同时对国外的Fabry-Perot干涉仪作了一定的改进。Fabry-Perot干涉仪测速克服了VISAR干涉光路复杂、调整困难、容易受光强变化影响及精度不够高的缺点，但Fabry-Perot干涉仪***的干涉条纹是环状条纹，不利于探测及后续数据处理；而Fizeau干涉仪(FI)可以生成等厚的线条纹，利于后续探测，因此在直接探测多普勒激光雷达中有广泛的应用。J.A.Mckay于2002年首次提出利用Fizeau干涉仪(FI)进行多普勒频移检测，欧洲空间局(ESA)论证了FI用于测风激光雷达的可行性，并于2008年发射了全球第一台星载直接探测测风激光雷达计划(ADM-Aeolus)，米(Mie)通道就采用了FI条纹技术测量气溶胶散射信号。国内，中国科学院上海光机所的刘继桥，中国科学院安徽光机所的沈发华、孙东松，上海电力学院的杨春沪以及南京信息工程大学的卜令兵等均对基于Fizeau干涉仪的多普勒激光雷达进行了理论和实验研究。但是，上述研究都聚焦于将基于FI的条纹图像检测技术应用于测量风速的多普勒激光雷达中，尚未见用于膛内弹丸或硬目标的速度测量中。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供膛内弹丸速度测量***及其测量方法。解决使用FPI干涉仪存在的能量利用率低，环状干涉条纹不利于探测的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种膛内弹丸速度测量***，包括连续激光器，所述连续激光器的出射光侧依次同轴设置有第一反射镜，长焦透镜组和第二反射镜，其中第一反射镜中间带孔；第一反射镜的反射光路上设置有缩径透镜组；在缩径透镜组一侧设置有鉴频及光学探测组件，所述鉴频及光学探测组件依次包括同轴设置的窄带滤光片、固定腔Fizeau干涉仪、平凸透镜、柱面透镜和条纹相机，所述条纹相机与信号处理单元连接。
一种膛内弹丸速度测量方法为：
步骤一、连续激光器发射的激光经过第一反射镜中间的小孔，垂直通过长焦透镜组后入射到第二反射镜上，通过对长焦透镜组和第二反射镜的调节，激光引入试验场区并水平入射到膛内弹丸上；
步骤二、弹丸的反射散射光通过第二反射镜、长焦透镜组和第一反射镜进行反向采集，调节长焦透镜组，使第一反射镜反射的光线形成***行光束入射到缩径透镜组中，调节缩径透镜组，使经过窄带滤光片的光线大部分平行正入射进入Fizeau干涉仪；
步骤三、光进入Fizeau干涉仪后，在平凸透镜的焦平面处形成二维等厚干涉的线条纹，柱面凸透镜对平行于条纹方向的光线进行聚焦，将二维线条纹转变为一维线条纹，由条纹相机捕获，信号处理单元得到条纹位置随时间的变化关系，反演出多普勒频移，进而根据多普勒理论可以反演出弹丸的瞬时速度
其中：多普勒频移为ΔνDOP，弹丸运动速度为V，c为激光在空气中的传播速度，激光的出射频率为ν0，波长为λ0。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用固定腔结构的Fizeau干涉仪作为鉴频器，结构简单，抗外界干扰能力强，测量中可免除对干涉仪的调节，提高测量效率；且生成的干涉条纹为线性条纹，经柱面透镜沿线条纹方向汇聚后极大地提高了激光能量利用率，不仅便于探测更有利于后续信号处理。
2、本发明测量***测的是瞬时干涉环纹的位置变化，因此不受温度、压力、振动甚至激光强度变化的影响，抗干扰能力强，使用方便，精度高。
3、为了不让弹丸破坏其他仪器，第一反射镜，长焦透镜组和第二反射镜可以将激光引入试验场区，特别是长焦透镜组的使用使弹丸发射区域可以尽可能地远离测量区域，从而保证测量***的稳定型，而只有第二反射镜是损耗件，由于其成本较低，因此也极大地降低了测试成本。
附图说明
图1是膛内弹丸速度测量***结构示意图；
图2是条纹成像Fizeau干涉仪的结构示意图；
图3是Fizeau干涉条纹位移示意图。
图中，1为连续激光器，2为第一反射镜，3为长焦透镜组，4为第二反射镜，5为膛内弹丸，6为缩径透镜组，7为窄带滤光片，8为固定腔Fizeau干涉仪，9为平凸透镜，10为柱面透镜，11为条纹相机，12为信号处理单元，13为缩径透镜组中的大口径平凸透镜，14为缩径透镜组中的小口径平凸透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供一种膛内弹丸速度测量***，参见图1，包括连续激光器1，所述连续激光器1的出射光侧依次同轴设置有第一反射镜2，长焦透镜组3和第二反射镜4，其中第一反射镜2中间带孔，第一反射镜2的反射光路上设置有缩径透镜组6，所说的长焦透镜组3由1～3个平凸透镜组成，缩径透镜组6由平凸透镜13和平凸透镜14组成，在缩径透镜组6一侧设置有鉴频及光学探测组件；所述鉴频及光学探测组件依次包括同轴设置的窄带滤光片7、固定腔Fizeau干涉仪8、平凸透镜9、柱面透镜10和条纹相机11；所述条纹相机11与信号处理单元12连接。
本发明中，第一反射镜2，长焦透镜组3和第二反射镜4作为激光发射组件和光学接收组件，是被共用的同一套光路。通过第二反射镜4、长焦透镜组3和第一反射镜2反向收集弹丸表面的反射散射光，并形成***行光束经过缩径透镜组6平行正入射进入Fizeau干涉仪8。由于在实验过程中，会产生其他杂散光，所以在Fizeau干涉仪8之前加入了一个窄带滤光片7，Fizeau干涉仪8接收返回的光经平凸透镜9后沿楔棱方向会形成二维等厚干涉线条纹，柱面凸透镜10对平行于条纹方向的光线进行聚焦，将二维线条纹转变为一维线条纹，提高激光能量利用率，如图2所示。然后再由条纹相机11进行记录，所述条纹相机是窄缝变象管高速扫描相机，记录的数据送入信号处理单元12，进行数据采集和反演计算，从而得到条纹位置随时间的变化关系进而反演出弹丸的瞬时速度。
本发明提供的一种膛内弹丸速度测量方法为：
步骤一、连续激光器1发射的激光经过第一反射镜2中间的小孔，垂直通过长焦透镜组3后入射到第二反射镜4上，通过对长焦透镜组3和第二反射镜4的调节，可以将激光引入试验场区并水平入射到膛内弹丸5上；
步骤二、弹丸5的反射散射光通过第二反射镜4、长焦透镜组3和第一反射镜2进行反向采集，调节长焦透镜组3，使第一反射镜2反射的光线形成***行光束入射到缩径透镜组6中，调节缩径透镜组6，使经过窄带滤光片7的光线大部分平行正入射进入Fizeau干涉仪8；
步骤三、光进入Fizeau干涉仪8后，在平凸透镜9的焦平面处形成二维等厚干涉的线条纹，为了提高激光能量利用率，设置柱面凸透镜10，让其对平行于条纹方向的光线进行聚焦，将二维线条纹转变为一维线条纹，由条纹相机11捕获。对于同级次的干涉条纹，不同频率的光线经过干涉仪后被条纹相机记录的条纹中心位置不同，经信号处理单元12得到条纹位置随时间的变化关系，反演出多普勒频移，进而根据多普勒理论可以反演出弹丸的瞬时速度
其中：多普勒频移为ΔνDOP，弹丸运动速度为V，c为激光在空气中的传播速度，激光的出射频率为ν0，波长为λ0。
为了更进一步地对本发明进行理解，本发明的测量原理如下
本测量方法基于光学多普勒效应，当光源静止时，光波从运动的物体散射或反射并由固定的探测器接收时，发射光波与接收光波之间会产生多普勒频移，其大小与物体的运动速度有关。基于图1，可以看出，激光发射***和光学接收***共用同一套光路，且膛内弹丸运动速度方向沿激光发射方向，因此多普勒频移ΔνDOP和弹丸速度V之间的关系式为
其中c为光在真空中的传播速度，激光的出射频率为ν0，波长为λ0。所以要想得到弹丸的运动速度就需要得到由此速度引起的多普勒频移，在本测量方法中多普勒频移由鉴频及光学探测***获得。其核心器件为Fizeau干涉仪，其由两个光学平板组成，彼此以一微小楔角α分开，形成楔形空气空间，如图2所示。正入射光线在通过两个平板间楔形空间后,沿楔角方向产生干涉条纹。在多普勒测量中，由于楔角很小，这时Fizeau干涉仪的透射率函数可以近似采用Airy函数描述，即
式中R和A分别代表平板内表面的反射率和吸收率，假设T代表平板表面的透射率，那么R+A+T＝1，δ是相邻出射光束之间的相位差，相位差δ与相邻出射光束间的光程差ΔL和入射光频率ν之间的关系为
其中光程差ΔL为
ΔL＝2nhcosθ (4)式中h为两平行平板间的间距，如图2所示，θ为入射光束在FI第一个表面处的折射角，n为板间的介质折射率，对于空气隙FI可取n＝1。假设光线正入射FI，则光程差ΔL可以简化为
ΔL＝2h (5)其中由式(2)～(5)可以看出，干涉条纹与等厚度h的轨迹相对应，这种条纹称为等厚条纹。如图2所示，沿平板长度方向设为x轴，平板中心点设为0，那么平板间距h可以表示为
h＝h0-αx (6)
其中h0为平板中心间距，α为楔角。如果激光发射频率为ν0的光线经过Fizeau干涉仪透射产生的某级次干涉条纹的中心位于平板的中心，即此时对应的板间距为h0，那么包含有多普勒频移的返回光线(频率为ν0+ΔνDOP)经过干涉仪形成的干涉条纹对应的板间距设为h，此时基于相同的相位差可得
h0v0＝h(v0+ΔvDOP) (7)将式(6)代入式(7)中，当ΔνDOP<<ν0时，可以得到
将式(1)代入式(8)中，可以得到
因为相对于h0处的x坐标为0，所以由多普勒频移引起的条纹位移为：
Δx＝K·V,其中
可以看出，条纹的位移量与弹丸速度大小成正比，所以只要得到条纹位置移动信息Δx即可根据式(10)确定弹丸运动速度。
设激光波长为1064nm，Fizeau干涉仪的自由光谱范围为10GHz，反***细度为37.67，通光孔径为120mm，楔角α为4.43μrad的Fizeau干涉仪，假设一个通光孔径范围内覆盖一个FSR的条纹图像，那么不同速度下干涉条纹的移动情况如图3所示。可以看出速度不同条纹的位置也不同，弹丸速度的获取可以转化为干涉条纹位置移动信息的获取。在实际测量中，配备高速扫描的条纹相机，记录条纹位置随时间的变化过程，进而可以得到弹丸的连续速度，也可以同时得到某一时刻弹丸的瞬时速度。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (2)
1.一种膛内弹丸速度测量***，其特征在于，包括连续激光器(1)，所述连续激光器(1)的出射光侧依次同轴设置有第一反射镜(2)，长焦透镜组(3)和第二反射镜(4)，其中第一反射镜(2)中间带孔；第一反射镜(2)的反射光路上设置有缩径透镜组(6)；在缩径透镜组(6)一侧设置有鉴频及光学探测组件，所述鉴频及光学探测组件依次包括同轴设置的窄带滤光片(7)、固定腔Fizeau干涉仪(8)、平凸透镜(9)、柱面透镜(10)和条纹相机(11)，所述条纹相机(11)与信号处理单元(12)连接。
2.一种膛内弹丸速度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、连续激光器(1)发射的激光经过第一反射镜(2)中间的小孔，垂直通过长焦透镜组(3)后入射到第二反射镜(4)上，通过对长焦透镜组(3)和第二反射镜(4)的调节，激光引入试验场区并水平入射到膛内弹丸(5)上；
步骤二、弹丸(5)的反射散射光通过第二反射镜(4)、长焦透镜组(3)和第一反射镜(2)进行反向采集，调节长焦透镜组(3)，使第一反射镜(2)反射的光线形成***行光束入射到缩径透镜组(6)中，调节缩径透镜组(6)，使经过窄带滤光片(7)的光线大部分平行正入射进入Fizeau干涉仪(8)；
步骤三、光进入Fizeau干涉仪(8)后，在平凸透镜(9)的焦平面处形成二维等厚干涉的线条纹，柱面凸透镜(10)对平行于条纹方向的光线进行聚焦，将二维线条纹转变为一维线条纹，由条纹相机(11)捕获，信号处理单元(12)得到条纹位置随时间的变化关系，反演出多普勒频移，进而根据多普勒理论可以反演出弹丸的瞬时速度
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