司 宇,劉 吉,武錦輝,馮進(jìn)寶,劉 昊,嚴(yán)賽美

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,山西 太原 030051)

1 引 言

光子多普勒測速技術(shù)(Photonic Doppler Velocimetry,PDV)是采用外差法進(jìn)行速度測量的技術(shù)[1],具有結(jié)構(gòu)簡單、測速范圍大、數(shù)據(jù)處理相對簡單、測試精度高、健壯性好的特點,適用于勻速運(yùn)動以及速度變化劇烈的被測物[1-4],適用于多種場景。

國外對于PDV的研究以美國Lawrence Livermore、Los Alamos、Sandia實驗室等為代表,主要致力于解決超高速測量領(lǐng)域,例如破片、內(nèi)爆、聚變等場景下PDV信號頻率過高和硬件采樣率不足、探測器帶寬不夠、時間分辨率低之間的矛盾,例如早期提出利用調(diào)諧激光器進(jìn)行光學(xué)降頻、微波混頻進(jìn)行電信號降頻,近年Mance.J.G等提出以啁啾脈沖激光代替連續(xù)激光提高時間分辨率的方式[5-8]。而在大范圍測試應(yīng)用中,以德國Polytec公司等為代表的激光測振儀具有代表性,其工業(yè)級產(chǎn)品IVS-500最大工作距離3 m,可通過調(diào)節(jié)檔位實現(xiàn)最高2000 mm/s的振速測測量。

國內(nèi)對于PDV的研究自上世紀(jì)末就已見報道,中國工程物理研究院在PDV的研究方面取得了矚目的成績,針對單點、多點測量,破片、爆轟測量的實驗應(yīng)用中成果顯著,達(dá)到了國際領(lǐng)先水平[2,9],近年馬鶴立等在PDV光路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上利用頻域干涉實現(xiàn)了小口徑長身管內(nèi)徑測量,200 mm的范圍內(nèi)與千分尺測量極差為0.014 mm[10]。在動態(tài)測量方面,彭映成等用PDV結(jié)構(gòu)設(shè)計了景深±2 cm的振動位移傳感器用于測量防護(hù)體受沖擊波的形變位移[11],王韻致等公布了一種復(fù)合光纖的馬赫-增德爾外差干涉位移在線測量系統(tǒng),100 μm位移測量標(biāo)準(zhǔn)差為6 nm。

上述應(yīng)用均基于短距離、高速運(yùn)動測量或者低速精密位移測量。本文在長距離動態(tài)測試應(yīng)用背景下,如測量槍械自動機(jī)運(yùn)動狀態(tài)、工業(yè)自動化控制監(jiān)測等,設(shè)計PDV系統(tǒng)和實驗環(huán)境并進(jìn)行測試分析。

2 PDV與大景深動態(tài)測試原理

PDV基于邁克爾遜干涉儀模型,本質(zhì)上對于信號光的耦合功率有一定要求,而對成像不做要求。

根據(jù)光電探測器的光強(qiáng)響應(yīng)原理,光電探測器產(chǎn)生的干涉電信號可表示為:

(1)

(2)

在PDV的實際使用中,由于單模光纖的數(shù)值孔徑較小、光纖微透鏡耦合輸出的激光光束具有一定發(fā)散角。動態(tài)測試中,該共軸光學(xué)系統(tǒng)的有效耦合空間十分有限,只局限于近軸區(qū)。利用發(fā)散角小于1°的微棱鏡紅外反射膜貼在被測物表面以提高耦合效率。光纖微透鏡直徑3 mm,60 mW出射激光在距離透鏡面1.5 m處由紅外光敏檢測卡測量光斑大小為8.5 mm,同時具有光功率48 mW。實測150 cm距離時環(huán)形器3端口靜態(tài)信號光功率為20～30 μW,在30 cm處的靜態(tài)信光功率可達(dá)260 μW,經(jīng)過EDFA放大濾波后可滿足探測器響應(yīng)條件。激光系統(tǒng)和探測器本身噪聲為8 mV,用微擾動的方式測量150 cm處干涉信號信噪比,得16 dB≤SNR≤23 dB,滿足信號解調(diào)要求。

光學(xué)模塊方面,本系統(tǒng)采用的激光器線寬為15 kHz,波長為1550.12 nm。激光經(jīng)過隔離器后由EDFA放大后進(jìn)入保偏環(huán)形器,耦合進(jìn)入工作距離300 mm帶單模尾纖的非球面鏡后出射到待測點位,使用空間光功率計測量探頭出射激光功率為60 mW。被測滑塊表面貼紅外原向反射膜,反射信號光耦合進(jìn)入非球鏡,通過帶0.4 nm帶通ASE濾波的預(yù)放EDFA進(jìn)行放大,再經(jīng)由衰減器接入10GHz響應(yīng)率的PD探測器(科揚(yáng)光電,型號KY-PRM-10G-1-FA)轉(zhuǎn)化為電信號,并用采集卡和示波器同步采集,通過上位機(jī)處理；被測物設(shè)置方面,選擇無桿氣缸的滑塊作為被測速度源。

3 激光干涉測速實驗系統(tǒng)

為驗證PDV在大范圍動態(tài)測量的應(yīng)用可行性,搭建PDV干涉測速系統(tǒng),系統(tǒng)包括光學(xué)模塊和軟件模塊兩部分,并設(shè)置符合條件的速度源進(jìn)行實驗測試,實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

整體實驗流程如下:

實驗所使用的空壓機(jī)工作產(chǎn)生氣體壓力0.7 MPa,在該氣壓下通過手動控制空壓機(jī)閥門開關(guān)來推動滑塊從起點位置開始運(yùn)動,以滑塊撞擊氣缸導(dǎo)軌另一端為止停止運(yùn)動。

實驗之前使用光電探測器、一字線激光器、1 mm寬條紋遮擋的原向反射膜對氣缸滑塊的運(yùn)動速度范圍進(jìn)行粗略測量(如圖2),測量結(jié)果表明氣缸空載、0.7 MPa壓力下滑塊的最高速度可達(dá)10～14 m/s,信號光多普勒頻移在12.9 MHz～18.06 MHz。

(a-條紋遮擋的反射膜；b-滑塊；c-光電探測器和一字激光器)

采用固定支架減少滑塊沖擊無桿氣缸造成的氣缸位移和振動影響,用接近開關(guān)(SQP)、LED和光電二極管構(gòu)成滑塊運(yùn)動的外觸發(fā)信號,如圖3所示。

圖3 無桿氣缸實驗設(shè)置

實驗開始前,標(biāo)記導(dǎo)軌上一點作為滑塊運(yùn)動的固定起始位置,測量起始位置至末端距離133.7076 cm。以可見光接入探頭校準(zhǔn)光路,調(diào)整探頭出射光路和滑塊運(yùn)動軌道平行。設(shè)置示波器、采集卡以62.5 MHz采樣率進(jìn)行采樣。

4 速度測試實驗和數(shù)據(jù)處理

采集卡采集的多普勒頻移信號經(jīng)過LabWindows編寫的上位機(jī)軟件顯示結(jié)果如圖4所示。

圖4中所示干涉條紋圖像橫軸為采樣點數(shù),共計25000000,采樣時間長度為400 ms,采樣率fs=62.5 MHz,縱軸為4096級歸一化量化電壓。包含無桿氣缸滑塊運(yùn)動的全程速度干涉信號,按時間截取其中有效部分,以N=131072點加窗、M=10000更新點進(jìn)行FFT時頻變換,所得時間-速度曲線如圖5所示。

圖4 采集卡采集干涉信號

圖5 時間-速度曲線

其中橫坐標(biāo)為加窗變換得到的速度點數(shù)K,與時間換算關(guān)系為tK=MfsK?？v坐標(biāo)為速度,單位m/s。

由于空壓機(jī)氣體通過二位三通手動氣動開關(guān)和無桿氣缸相連,在空壓機(jī)高壓氣體涌入無桿氣缸一端時,滑塊運(yùn)動狀態(tài)表現(xiàn)為自A點開始速度急速上升,滑塊高速運(yùn)動擠壓氣缸另一端的空氣,使滑塊運(yùn)動速度在到達(dá)極大值后下降,又在高壓氣體推動和另一端壓縮空氣排出氣缸雙重作用下出現(xiàn)速度緩慢上升態(tài)勢,以撞擊氣缸另一端為標(biāo)志出現(xiàn)運(yùn)動速度為零的B點。由于該P(yáng)DV結(jié)構(gòu)光路不具有判斷被測物運(yùn)動方向功能,因此滑塊撞擊氣缸后的支架振動直接表現(xiàn)為滑塊速度在大于0的范圍內(nèi)起伏,運(yùn)動直至振動消失,速度歸零。

該曲線時間分辨率T=Nfs=0.16 ms。根據(jù)FFT頻率分辨率定義和式(2)可得速度分辨率為:

(3)

根據(jù)上式可求出相應(yīng)的速度分辨率為0.370 mm/s。

對A點至B點速度積分得到位移曲線如圖6所示,最大位移為133.1522 cm。

圖6 無桿氣缸滑塊位移曲線

表1 位移測量結(jié)果

從實驗結(jié)果來看PDV在1.33 m大景深條件下測量高速運(yùn)動中的位移測量數(shù)據(jù)與直接測量結(jié)果符合性好,平均相對誤差為-0.5266 %,實驗證明了該方案的可行性。

5 結(jié) 論

本文以300 mm工作距離非球面鏡為探頭,在60 mW小功率激光的條件下搭建PDV系統(tǒng),以無桿氣缸滑塊為速度源驗證了PDV結(jié)構(gòu)在1.3 m景深動態(tài)測量中應(yīng)用的可行性。實驗恢復(fù)出了滑塊完整速度曲線,且對于加速度突變的反彈點運(yùn)動狀態(tài)捕捉良好。實際在1.5 m處仍可以取得有效干涉信號。結(jié)果表明PDV結(jié)構(gòu)的健壯性良好,光學(xué)設(shè)計可靠,速度分辨率高,展現(xiàn)出PDV在工業(yè)控制、長景深動態(tài)測速領(lǐng)域,例如監(jiān)測槍械自動機(jī)運(yùn)動狀態(tài)以判斷槍械擊發(fā)是否到位、擊發(fā)慣性對于槍體影響,槍械擊發(fā)頻率測試等方面的應(yīng)用前景。