[发明专利]一种高速光学测速装置

说明书

技术领域

本测量装置体积小、成本低、时间分辨率高（优于40ns），涉及雷电观测，并可广泛应用于瞬变光脉冲信号的时域测量和高速运动物体（通过涂抹荧光粉等光反射材料）的速度测量。

背景技术

当前，雷电先导-回击过程的研究非常广泛，但由于其中的部分过程大都出现在亚微秒尺度，采用常规的技术手段无法充分捕捉其细节特性，使得对地面目标附近局部放电过程的深入探讨仍有缺失。虽然利用高速摄像机可以有效地捕捉此过程，但对于速度为10⁷m/s 量级的直窜先导过程和10⁸m/s量级的回击过程，高速摄像机的时间分辨率限制了对地闪直窜先导过程和回击过程的细致观测以及更进一步的研究。与高速摄像相比，高灵敏度的光电二极管阵列不仅可以对雷电的起始过程以及先导-回击过程进行捕捉，且具有更高的时间分辨率，可以分析回击电流的上升时间等特征，进而可以对雷电物理机制进行更为深刻的分析，成本也较低；更重要的是，优于5μs时间分辨率的高速摄像机是西方国家对我国的禁运产品，因此研制高速光学测速装置的需求更为迫切。目前，集供电模块、信号捕捉模块、噪声抑制模块、信号调理模块、信号采集存储模块以及电磁屏蔽模块于一体的高速光学测速装置，未见报道。本发明涉及的高速光学测速装置时间分辨率优于40ns，观测结果稳定可靠。此外，测量装置的数据存储能力可以适应野外观测的需求，对于雷电先导-回击连接过程以及其它瞬变光脉冲信号细节特征的研究有积极意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速光学测速装置，该测速装置可应用于闪电等瞬变光脉冲信号的时域测量和高速运动物体的速度测量，并可将采集的光信号存储于本地；供电模块、噪声抑制模块、信号调理模块以及电磁屏蔽模块等的应用确保了其稳定可靠的运行。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种高速光学测速装置包括供电模块、信号捕捉模块、噪声抑制模块、信号调理模块、信号采集存储模块以及电磁屏蔽模块；

供电模块包含双输出的小型变压器及双输出的稳压单元用于向感光阵列单元、信号调理模块及信号采集存储模块提供稳定独立的低纹波电源；

信号捕捉模块包含光学镜头及感光阵列，光信号通过镜头被感光阵列分别捕捉，经由噪声抑制模块去噪后引出短信号线电性接入信号调理模块；

信号调理模块主要包含一个由宽带运算放大器和电阻、电容构成的T型反馈网络互阻抗放大电路，对输入的弱电信号进行放大，作为信号采集模块的驱动信号。运放同相输入端接地，反向输入端连接噪声抑制模块。运放的同相输入端接地，为反向输入端提供了理想的“虚地”，使得信号调理模块对感光阵列为零阻抗负载，提高了其响应速度。此外，运放的“虚断”特性又使得输入信号通过T型反馈网络流向输出端，得到正比于T型网络等效反馈阻抗和被测光信号乘积的电压输出。采用T型反馈网络的优点在于：远距离的被测光信号较弱，致使信号捕捉模块的输出幅度很小，为了增加输出的幅度，通常需要增大感光器件的面积和高阻值的转换电阻，然而这种组合却会降低感光器件的偏移、带宽以及稳定性。而且，电流-电压转换器通常会由一个类似于并联L-C电路的输入电路引起双极反应，导致电路输出不稳定，需进行相位补偿，而精确的相位补偿，需要精确地控制较小的反馈电容。一般而言，高增益要求的反馈电阻会使最优的反馈电容取值微小，进而导致寄生电容可以明显的改变相位补偿结果。即使电路电容的冗余可使反馈电容进行调谐，但同时会引入互寄生电容，使小反馈电容值情况更为复杂。而利用较小阻值的T型网络替换电流-电压转换应用中的髙阻值电阻可以减小偏移，并使补偿电容增大进而降低对寄生效应的敏感性；

信号采集存储模块用于数据的记录保存，可采用同轴电缆连接置于室内，也可将微处理器集成于信号调理模块，更高的集成化程度使得后者更适于野外观测；

电磁屏蔽模块构建了信号捕捉模块、噪声抑制模块、信号调理模块以及信号采集存储模块的小型屏蔽室，用以屏蔽空间中的电磁干扰，提高信号采集的可靠性及准确性。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、  设计了可用于闪电等瞬变光脉冲信号的时域测量以及高速运动物体速度测量的装置；

2、  T型反馈网络的应用确保了该装置信号调理模块的高效运行，为信号采集存储模块提供可靠的驱动信号；

3、  噪声抑制模块、电磁屏蔽模块确保了该装置的抗干扰性；

4、  该装置时间分辨率高，利于研究被测光脉冲信号的细节特征，且设备结构简单、紧凑，易于进行野外观测。

附图说明