基于光子多普勒測速的長景深動態(tài)測試研究

司 宇,劉 吉,武錦輝,馮進寶,劉 昊,嚴賽美

(中北大學信息與通信工程學院,山西 太原 030051)

1 引 言

光子多普勒測速技術(Photonic Doppler Velocimetry,PDV)是采用外差法進行速度測量的技術[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)諧激光器進行光學降頻、微波混頻進行電信號降頻,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、爆轟測量的實驗應用中成果顯著,達到了國際領先水平[2,9],近年馬鶴立等在PDV光路結(jié)構(gòu)基礎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)設計了景深±2 cm的振動位移傳感器用于測量防護體受沖擊波的形變位移[11],王韻致等公布了一種復合光纖的馬赫-增德爾外差干涉位移在線測量系統(tǒng),100 μm位移測量標準差為6 nm。

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

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)光電探測器的光強響應原理,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260 μW,經(jīng)過EDFA放大濾波后可滿足探測器響應條件。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放大后進入保偏環(huán)形器,耦合進入工作距離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,反射信號光耦合進入非球鏡,通過帶0.4 nm帶通ASE濾波的預放EDFA進行放大,再經(jīng)由衰減器接入10GHz響應率的PD探測器(科揚光電,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,通過上位機處理；被測物設置方面,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)測量的應用可行性,搭建PDV干涉測速系統(tǒng),系統(tǒng)包括光學模塊和軟件模塊兩部分,并設置符合條件的速度源進行實驗測試,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閥門開關來推動滑塊從起點位置開始運動,以滑塊撞擊氣缸導軌另一端為止停止運動。

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動速度范圍進行粗略測量(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(SQP)、LED和光電二極管構(gòu)成滑塊運動的外觸發(fā)信號,如圖3所示。

圖3 無桿氣缸實驗設置

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

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

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

由于空壓機氣體通過二位三通手動氣動開關和無桿氣缸相連,在空壓機高壓氣體涌入無桿氣缸一端時,滑塊運動狀態(tài)表現(xiàn)為自A點開始速度急速上升,滑塊高速運動擠壓氣缸另一端的空氣,使滑塊運動速度在到達極大值后下降,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志出現(xiàn)運動速度為零的B點。由于該PDV結(jié)構(gòu)光路不具有判斷被測物運動方向功能,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)測量中應用的可行性。實驗恢復出了滑塊完整速度曲線,且對于加速度突變的反彈點運動狀態(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,光學設計可靠,速度分辨率高,展現(xiàn)出PDV在工業(yè)控制、長景深動態(tài)測速領域,例如監(jiān)測槍械自動機運動狀態(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用前景。