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专利名称：针对具有低速且高加速度特征的质点速度测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及质点速度测量领域，尤其涉及一种针对具有低速且高加速度特征的质点速度測量方法。
背景技术：
爆炸与冲击产生的强动载荷具有高強度、短历时和小尺度的特点，对测量技术和测试装备提出了更高的要求。最近，高速摄影技木、X闪光照相技术、高速数字示波器以及相关的传感器、光源和快电子学设备已经开始应用于爆炸与冲击实验。诊断技术发展的主流是以激光和光电子学技术为基础的快响应、高分辨率、高灵敏度的非接触測量技术，例如各种激光干涉测量和光谱技术(速度和位移干涉仪、VISAR、FPI等)、散斑技术、激光诱导荧光和拉曼光谱技术、光学窗ロ技术等。
自由表面速度测量是爆炸与冲击实验研究的另一重点与难点。VISAR (VelocityInterferometer System for Any Reflector,任意反射面测速)系统是目前应用最广泛的一种测量工具。随着科学技术的进歩，VISAR系统也不断改进与更新，现代光纤技术和相关光电子器件已开始引入到该测试技术中，在干涉测速原理上也实现了较大的突破，大大降低了干渉系统对照明光源相干性和光强的要求。但是，在冲击波物理中，往往要面对具有低速且高加速度特征的质点速度测量问题。对于速度为10° 10V/S量级，并且加速度在109m/S2以上量级的自由表面速度，VISAR等測量手段却难以满足精度要求。

发明内容
本发明针对现有技术中无法精确测量具有低速且高加速度特征的质点速度的问题，提出一种针对具有低速且高加速度特征的质点速度測量方法及装置，依据信号特征有针对性地采取特定步骤的数据处理方法，能够较准确地测量具有低速且高加速度特征的质点速度。为了解决上述问题，本发明提供一种针对具有低速且高加速度特征的质点速度测量方法，包括步骤1，光纤激光多普勒干涉测速系统对速度为KTioV/s量级，并且加速度在IOVs2以上量级的运动靶面质点速度进行测量，输出差拍干涉信号至速度计算系统；步骤2，所述速度计算系统采用短时傅里叶变换或连续小波变换对所述差拍干渉信号进行时频变换数据处理，以实现具有上述特征的运动靶面质点速度的高时间分辨率和速度分辨率测试。优选地，上述方法具有以下特点所述光纤激光多普勒干涉测速系统包括激光器、光纤环形器、聚焦透镜、探測器和示波器，所述步骤I包括激光器发射通讯激光至光纤环形器的第一端ロ ；
所述光纤环形器将接收到的通讯激光从其第二端ロ发送至聚焦透镜；所述聚焦透镜将接收到的通讯激光的一部分作为參考光从其端面反射回所述光纤环形器的第二端ロ，另一部分输出至运动靶面；并将从运动靶面反射回的信号光发送至光纤环形器的第二端ロ；所述光纤环形器将接收到的參考光和信号光从其第三端ロ发送至探測器；所述探测器探測到所述參考光和信号光产生的差拍干涉信号，并发送至示波器；所述示波器记录所述差拍干渉信号，并将所记录的差拍干涉信号发送至速度计算系统。
优选地，上述方法具有以下特点在所述步骤2中，所述速度计算系统针对运动靶面的质点速度特征以及差拍干涉信号的特征选择短时傅里叶变换或连续小波变换进行时频变换数据处理；其中，对于质点速度波动剧烈，信噪比大于5dB的差拍干涉信号，选择连续小波变换进行数据处理；对于质点速度波动较为平稳，信噪比小于5dB的干渉信号，选择短时傅里叶变换进行数据处理。优选地，上述方法具有以下特点所述质点速度波动剧烈是指质点速度波动的每个周期中，Vmin ( O. 2vmax ；所述质点速度波动较为平稳是指质点速度波动的每个周期中，Vfflin ^ O. Svfflax ；其中，Vmin为波谷对应的质点速度，Vmax为波峰对应的质点速度。
优选地，上述方法具有以下特点采用连续小波变换对所述差拍干渉信号进行时频变换数据处理包括对所述差拍干涉信号进行滤波处理；分别对预处理后的差拍干涉信号和原始的差拍干涉信号进行小波变换，得到它们各自的小波系数，再把对应的小波系数相乘；用局部模极大值法进行小波脊线的提�。�得到质点速度曲线。优选地，上述方法具有以下特点在对所述差拍干涉信号进行滤波处理的步骤之前，所述方法还包括对所述差拍干涉信号进行短时傅里叶变换处理，井根据得到的结果估算质点速度的上限和下限，并计算小波基的中心频率及带宽，然后根据短时傅里叶变换的时频图，选择最优的小波基；在对所述差拍干涉信号进行滤波处理的步骤中，根据估算的质点信号速度的上限和下限，设定滤波速度的上限和下限；在分别对预处理后的差拍干涉信号和原始的差拍干涉信号进行小波变换的步骤中，采用所述最优的小波基进行小波变换。优选地，上述方法具有以下特点在用局部模极大值法进行小波脊线的提取，得到质点速度曲线的步骤中，找到时频谱的模极大值，作为可靠的小波脊线的时间起点和差频频率起点，再根据加速度的变化范围，设置差频频率的搜寻范围，求出局部极大值，找到时间范围内各时刻的差频频率，从而实现小波脊线的提取。为了解决上述问题，本发明提供一种针对具有低速且高加速度特征的质点速度测量装置，包括光纤激光多普勒干涉测速系统和速度计算系统，
所述光纤激光多普勒干涉测速系统用于对速度为lO^lOV/s量级，并且加速度在IOVs2以上量级的运动靶面质点速度进行测量，输出差拍干涉信号至速度计算系统；所述速度计算系统用于采用短时傅里叶变换或连续小波变换对所述差拍干渉信号进行时频变换数据处理，以实现具有上述特征的运动靶面质点速度的高时间分辨率和速度分辨率测试。优选地，上述装置具有以下特点所述光纤激光多普勒干涉测速系统包括激光器、光纤环形器、聚焦透镜、探測器和示波器，其中，激光器、光纤环形器、探測器和示波器依次相连，聚焦透镜与光纤环形器相连；所述激光器用于发射通讯激光至光纤环形器的第一端ロ ；所述光纤环形器用于将接收到的通讯激光从其第二端ロ发送至聚焦透镜，以及，将接收到的參考光和信号光从其第三端ロ发送至探測器；所述聚焦透镜用于将接收到的通讯激光的一部分作为參考光从其端面反射回所述光纤环形器的第二端ロ，另一部分输出至运动靶面；并将从运动靶面反射回的信号光发送至光纤环形器的第二端ロ；所述探测器用于探测所述參考光和信号光产生的差拍干涉信号，并发送至示波器；所述示波器用于记录所述差拍干渉信号，并将所记录的差拍干涉信号发送至速度计算系统。优选地，上述装置具有以下特点所述光纤激光多普勒干涉测速系统还包括光电转换�？�、显示�？�、第一分光�？楹偷诙�分光�？椋凰�述聚焦透镜、光纤环形器、探测器和第二分光�？槎杂Γ�均为N个，N大于等于I ;所述第一分光�？榈娜攵擞胨�述激光器相连，所述第一分光�？榈腘个出端分别与N个光纤环形器的第一端ロ相连，将所述激光器发射的通讯激光均分给N个光纤环形器；每个第二分光�？榈娜攵朔直鹩攵杂Φ墓庀嘶沸纹鞯牡谌�端ロ相连，所述第二分光�？榈末`个出端与对应的探測器相连，另ー个出端与光电转换�？橄嗔�；所述光电转换�？橛糜诮�接收到的光信号转换成电信号，并发送给显示�？榻�行显不O对于速度为10° lOV/s量级，并且加速度在109m/S2以上量级的质点速度，本发明实现了具有上述特征运动靶面质点速度的高时间分辨率和速度分辨率测试，其中时间分辨率为O. 2ns，速度精度为误差不超过O. 1%。而且，本发明可以同时测试多路质点速度，测试效率高，成本较低，易于实现。


图I为本发明实施例的针对具有低速且高加速度特征的质点速度測量装置示意图；图2为本发明实施例的光纤激光多普勒干涉测速系统示意图；、
图3为本发明实施例的多路测试的光纤激光多普勒干涉测速系统示意图；图4为本发明应用实例的多路测试的光纤激光多普勒干涉测速系统示意图；图5为本发明应用实例的主机箱的示意图；图6为本发明应用实例的LSP自由表面速度測量示意图；图7为本发明应用实例的三组LSP自由表面速度測量结果；图8为本发明应用实例的SHPB自由表面速度測量示意图，其中(a)为测量入射杆端面纵向速度；(b)为测量试样径向速度；
图9为本发明应用实例的SHPB測量不同处理方法比较，其中(a)为测量入射杆端面纵向速度得到的測量结果；(b)測量试样径向速度测得的測量結果。
具体实施例方式下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意組合。对于速度为10° lOV/s量级，并且加速度在109m/S2以上量级的质点表速度，本发明采用光纤激光多普勒干涉测速硬件系统与短时傅里叶变换或连续小波变换等时频变换数据处理软件相结合的方法，实现具有上述特征运动靶面质点速度的高时间分辨率和速度分辨率测试，其中时间分辨率为O. 2ns，速度精度为误差不超过O. 1%。如图I所示，本发明的针对具有低速且高加速度特征的质点速度測量装置，包括光纤激光多普勒干涉测速系统和速度计算系统，其中，所述光纤激光多普勒干涉测速系统对速度为10° lOV/s量级，并且加速度在IOVs2以上量级的运动靶面质点速度进行测量，输出差拍干涉信号至速度计算系统；所述速度计算系统采用短时傅里叶变换或连续小波变换对所述差拍干渉信号进行时频变换数据处理，以实现具有上述特征的运动靶面质点速度的高时间分辨率和速度分辨率测试。如图2所示，本发明实施例的光纤激光多普勒干涉测速系统包括激光器、光纤环形器、聚焦透镜、探測器和示波器，其中，激光器、光纤环形器、探測器和示波器依次相连，聚焦透镜与光纤环形器相连；其中，激光器发射通讯激光(其初始频率为ち)至光纤环形器的第一端ロ ；所述光纤环形器将接收到的通讯激光从其第二端ロ发送至聚焦透镜；所述聚焦透镜将接收到的通讯激光的一部分作为參考光(其频率仍为も)从其端面反射回所述光纤环形器的第二端ロ，另一部分输出至运动靶面；并将从运动靶面反射回的信号光(因多普勒频移效应而具有频率も)发送至光纤环形器的第二端ロ ；所述光纤环形器将接收到的參考光和信号光从其第三端ロ发送至探測器；所述探测器探測到所述參考光和信号光产生的差拍干涉信号，并发送至示波器；所述示波器记录所述差拍干渉信号，并将所记录的差拍干涉信号发送至速度计算系统。參考光和信号光产生差拍干涉信号，被探測器探測和示波器记录，其瞬时光强为l{t) = I0(t) + Ib(t) + 2ψ0(t)Ib(0cos ^￡μ(ΟΛ + <Ρο(I)其中，Itl (t)和Ib(t)分别为參考光和信号光光强幅值，u (t)为运动靶面瞬时质点速度，λ为激光波长，％为初始相位差。运动靶面的质点速度为 (0 = ^[Λ(0-/ο] = |δ/5(0(2)Afb(t)为拍频，由瞬时干涉条纹的疏密決定，可取相邻两个波峰或波谷时间间隔的倒数。可见，速度历程隐藏在干渉信号的频域内，而与光强变化无关，因此系统的抗干扰能力较强。主要的系统误差来源于激光器波长的不稳定性和基频噪声。在一优选实例中，该光纤激光多普勒干涉测速系统采用美国JDSU公司CQF938/400型窄线宽通讯激光器，输出光的波长为1550nm，线宽为200kHz，最大输出功率IOOmff0探测器采用New Focus公司1544-A型InGaAs PIN产品，带宽为12GHz;示波器采 用Lecoy公司WaveMaster 808Ζ 型产品，带宽为8GHz,单通道最大写入速度40Gs/s。如图3所示，可以增加分光器件，对图2实施例进行扩展，实现多路(N路)測量。其中，増加ー个第一分光�？椋�聚焦透镜、光纤环形器和探測器一一对应，均为N个，N大于等于I。所述第一分光�？榈娜攵擞胨�述激光器相连，所述第一分光�？榈腘个出端分别与N个光纤环形器的第一端ロ相连，将所述激光器发射的通讯激光均分给N个光纤环形器。N个探测器均接到同一个示波器上进行记录。另外，可以增加N个第二分光�？椋�实现对N路光路的监测显示，如图3所示，每个第二分光�？榈娜攵朔直鹩攵杂Φ墓庀嘶沸纹鞯牡谌�端ロ相连，所述第二分光模块的ー个出端与对应的探測器相连，另ー个出端与光电转换�？橄嗔�；光电转换�？榻�接收到的光信号转换成电信号，并发送给显示�？榻�行显示。如图Γ图5所示，为本发明的一优选实例，采用两路光路測量，分光器件采用耦合器。如图4所示，实验对象可放在第一微调架或第二微调架上，聚焦透镜采用自聚焦棒(包括第一自聚焦棒和第二自聚焦棒)，第一探測器和第二探測器均连接示波器。測量吋，采用实验测量通过激光脉宽上升沿同步触发。如图5所示，在图4中的主机箱内部，包含有激光源驱动电路板(含激光器)、为激光器制冷的制冷电路板、显示电路板、耦合器(第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器)、环形器(第一环形器和第二环形器)、光电转换电路板和触发处理电路板。其中，显示电路板可用于四个显示——驱动电流、制冷电流、两个探測点的光电流。光电转换电路板将输入的光信号转换为电信号，并将光电流放大。触发处理电路板用于触发信号的处理。第一f禹合器的分光比为50%:50%,第二稱合器和第三稱合器的分光比为90%: 10%。速度计算系统针对运动靶面的质点速度特征以及差拍干涉信号的特征选择短时傅里叶变换或连续小波变换进行时频变换数据处理；其中，对于质点速度波动剧烈，信噪比大于5dB的差拍干涉信号，选择连续小波变换进行数据处理；对于质点速度波动较为平稳，信噪比小于5dB的干渉信号，选择短时傅里叶变换进行数据处理。所述质点速度波动剧烈是指质点速度波动的每个周期中，Vmin彡O. 2vmax ；所述质点速度波动较为平稳是指质点速度波动的每个周期中，Vfflin ^ O. Svfflax ；其中，Vmin为波谷对应的质点速度，Vmax为波峰对应的质点速度。( I)基于短时傅里叶进行数据处理时 通过选取ー个固定宽度的滑动窗ロ，将非平稳信号逐段截取为近似平稳的信号，然后分别对截得的信号进行傅里叶变换，得到每段中的频谱，进而得到运动靶面的质点速度。其基本定义式为STFT ( τ , f) = / x (t) g (t~ τ ) exp (~i2 η ft) dt (3)x(t)表示信号，g(t_ τ )表示中心在τ处的窗函数。该STFT ( τ，f)即指上文Δ fb(t)拍频。在处理时，取窗ロ函数为Hamming窗，窗函数受到Heisenberg不确定准则的限制，其时间分辨率Λ t和频率分辨率Λ f满足Af · At=I (4)可见，STFT窗函数的时间与频率分辨率不能同时达到最优。(2)基于连续小波变换进行数据处理时连续小波变换具有时频窗ロ可调的性质，在低频时使用较宽的窗ロ，在高频时使用较窄的窗ロ，因而在时域和频域上都有较好的分辨率，能更好地分析非平稳信号的时频特性。定义小波变换
权利要求
1.一种针对具有低速且高加速度特征的质点速度測量方法，包括 步骤1，光纤激光多普勒干涉测速系统对速度为lO^lOV/s量级，并且加速度在109m/S2以上量级的运动靶面质点速度进行测量，输出差拍干涉信号至速度计算系统； 步骤2，所述速度计算系统采用短时傅里叶变换或连续小波变换对所述差拍干渉信号进行时频变换数据处理，以实现具有上述特征的运动靶面质点速度的高时间分辨率和速度分辨率测试。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在干， 所述光纤激光多普勒干涉测速系统包括激光器、光纤环形器、聚焦透镜、探測器和示波器，所述步骤I包括 激光器发射通讯激光至光纤环形器的第一端ロ； 所述光纤环形器将接收到的通讯激光从其第二端ロ发送至聚焦透镜； 所述聚焦透镜将接收到的通讯激光的一部分作为參考光从其端面反射回所述光纤环形器的第二端ロ，另一部分输出至运动靶面；并将从运动靶面反射回的信号光发送至光纤环形器的第二端ロ； 所述光纤环形器将接收到的參考光和信号光从其第三端ロ发送至探測器； 所述探测器探測到所述參考光和信号光产生的差拍干涉信号，并发送至示波器； 所述示波器记录所述差拍干渉信号，并将所记录的差拍干涉信号发送至速度计算系统。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在干， 在所述步骤2中，所述速度计算系统针对运动靶面的质点速度特征以及差拍干涉信号的特征选择短时傅里叶变换或连续小波变换进行时频变换数据处理；其中，对于质点速度波动剧烈，信噪比大于5dB的差拍干涉信号，选择连续小波变换进行数据处理；对于质点速度波动较为平稳，信噪比小于5dB的干渉信号，选择短时傅里叶变换进行数据处理。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在干， 所述质点速度波动剧烈是指质点速度波动的每个周期中，Vfflin ( O. 2vfflax ； 所述质点速度波动较为平稳是指质点速度波动的每个周期中，Vfflin ^ O. Svfflax ； 其中，Vmin为波谷对应的质点速度，Vmax为波峰对应的质点速度。
5.如权利要求1 4中任意一项所述的方法,其特征在于， 采用连续小波变换对所述差拍干渉信号进行时频变换数据处理包括 对所述差拍干涉信号进行滤波处理； 分别对预处理后的差拍干涉信号和原始的差拍干涉信号进行小波变换，得到它们各自的小波系数，再把对应的小波系数相乘； 用局部模极大值法进行小波脊线的提�。�得到质点速度曲线。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在干， 在对所述差拍干涉信号进行滤波处理的步骤之前，所述方法还包括 对所述差拍干涉信号进行短时傅里叶变换处理，井根据得到的结果估算质点速度的上限和下限，并计算小波基的中心频率及带宽，然后根据短时傅里叶变换的时频图，选择最优的小波基； 在对所述差拍干涉信号进行滤波处理的步骤中，根据估算的质点信号速度的上限和下限，设定滤波速度的上限和下限； 在分别对预处理后的差拍干涉信号和原始的差拍干涉信号进行小波变换的步骤中，采用所述最优的小波基进行小波变换。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在干， 在用局部模极大值法进行小波脊线的提�。�得到质点速度曲线的步骤中，找到时频谱的模极大值，作为可靠的小波脊线的时间起点和差频频率起点，再根据加速度的变化范围，设置差频频率的搜寻范围，求出局部极大值，找到时间范围内各时刻的差频频率，从而实现小波脊线的提取。
8.一种针对具有低速且高加速度特征的质点速度測量装置，其特征在于，包括光纤激光多普勒干涉测速系统和速度计算系统， 所述光纤激光多普勒干涉测速系统用于对速度为lO^lOV/s量级，并且加速度在·IOVs2以上量级的运动靶面质点速度进行测量，输出差拍干涉信号至速度计算系统； 所述速度计算系统用于采用短时傅里叶变换或连续小波变换对所述差拍干渉信号进行时频变换数据处理，以实现具有上述特征的运动靶面质点速度的高时间分辨率和速度分辨率测试。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在干， 所述光纤激光多普勒干涉测速系统包括激光器、光纤环形器、聚焦透镜、探測器和示波器，其中，激光器、光纤环形器、探測器和示波器依次相连，聚焦透镜与光纤环形器相连；所述激光器用于发射通讯激光至光纤环形器的第一端ロ； 所述光纤环形器用于将接收到的通讯激光从其第二端ロ发送至聚焦透镜，以及，将接收到的參考光和信号光从其第三端ロ发送至探測器； 所述聚焦透镜用于将接收到的通讯激光的一部分作为參考光从其端面反射回所述光纤环形器的第二端ロ，另一部分输出至运动靶面；并将从运动靶面反射回的信号光发送至光纤环形器的第二端ロ； 所述探测器用于探测所述參考光和信号光产生的差拍干涉信号，并发送至示波器； 所述示波器用于记录所述差拍干渉信号，并将所记录的差拍干涉信号发送至速度计算系统。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在干， 所述光纤激光多普勒干涉测速系统还包括光电转换�？椤⑾允灸？�、第一分光�？楹偷诙�分光�？椋凰�述聚焦透镜、光纤环形器、探測器和第二分光�？橐灰欢杂Γ�均为N个，N大于等于I ; 所述第一分光�？榈娜攵擞胨�述激光器相连，所述第一分光�？榈腘个出端分别与N个光纤环形器的第一端ロ相连，将所述激光器发射的通讯激光均分给N个光纤环形器；每个第二分光�？榈娜攵朔直鹩攵杂Φ墓庀嘶沸纹鞯牡谌�端ロ相连，所述第二分光�？榈末`个出端与对应的探測器相连，另ー个出端与光电转换�？橄嗔�； 所述光电转换�？橛糜诮�接收到的光信号转换成电信号，并发送给显示�？榻�行显/Jn ο
全文摘要
本发明公开一种针对具有低速且高加速度特征的质点速度测量方法及装置，对于速度为100～101m/s量级，并且加速度在109m/s2以上量级的质点表速度，本发明采用光纤激光多普勒干涉测速硬件系统与采用特定流程的短时傅里叶变换或连续小波变换时频变换数据处理相结合的方法，实现具有上述特征运动靶面质点速度的高时间分辨率和速度分辨率测试，其中时间分辨率为0.2ns，速度精度为误差不超过0.1%。而且，本发明可以同时测试多路质点速度，测试效率高，成本较低，易于实现。
文档编号G01P3/36GK102721824SQ201210216938
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月27日 优先权日2012年6月27日
发明者吴先前, 宋宏伟, 王健, 魏延鹏, 黄晨光 申请人:中国科学院力学研究所