[发明专利]一种超高速时频傅里叶激光测速方法及系统

说明书

本发明公开了一种超高速时频傅里叶激光测速方法及系统，利用光栅对进行光谱展宽，表面镀有反射膜的高速运动物体在三维光谱内运动，被反射的信号光s_1按原路返回，用于计算运动速度分量v_y，透射的两路信号光s_2与信号光s_3分别用于计算v_x以及v_z，三路信号光均被探测器响应，探测信号被示波器记录。本发明通过对高速运动物体的快速扫描，将频谱进行编码，可以实时计算出物体的运动速度并判断运动轨迹方向，从而获得目标物体的加速度a、角速度ω以及角加速度α等物理量。实现对高速运动物体的位置跟踪，克服了电子设备采样速度和带宽限制，实现连续、超快、逐帧采集光信号的方法和系统，应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及的是超快超短脉冲激光测速技术。

背景技术

测速系统的设计应用已渗透到了武器、航天、工业等诸多领域。如在武器系统的研发过程中，弹丸飞行速度的测量；在风洞试验中，飞行器模型流体力学参数的研究；在高速机车的研制开发过程中，同样需要对其速度加以检测。湍流、复杂流动、非定常流动等现象一直是流体力学中重要的研究对象及疑难问题，因此开发适于流体运动研究的方法与技术也始终是一个重要的课题。其中，对于高速运动物体的物理状态检测(速度、加速度、角速度、角加速度等)，是瞬态过程及效应物理研究中的一个有待发展的领域，可能会导致极端条件下的新物理效应，在高速碰撞等方面有着直接的应用背景，也给检测和控制技术提出了更高的挑战。

测量物体运动速度的方法越来越多，激光测速凭借着其非接触测量、不干扰目标运动、空间分辨率高、响应速度快、测量精度高以及量程大等优点在测速系统中脱颖而出。该技术的发展始终围绕着提高精度，扩大测量范围，缩短测量时间和对人眼安全等方面展开。

目前实现激光测速的技术主要有以下几种方法。

多普勒测速法。利用波传播中多普勒效应进行测速的方法，当光源和运动物体发生相对运动时，从物体散射回来的光会产生多普勒频移，这个频移量的大小与运动物体的速度、入射光和速度方向的夹角都有关系。虽然这是一种比较有效的测量速度方法，但设备庞大，价格昂贵。

激光光幕测速法。在测量目标前进方向放置两道光幕，通过测试高速运动物体穿过两光幕间的时间间隔Δt及两光幕间的距S，由平均速度公式v＝S/t计算测量目标的速度。但在使用双光幕的平均速度测量法中，由于每个光幕及其后处理电路在工作中的处理速度和延时不可能完全一致，这样就会造成难以避免的误差。在要求高精度的测量中，这些误差会对结果产生附加的负面的影响。另外，两个光幕射出的光要求严格平行，否则测量结果也会产生误差，而严格平行在现实测量中也很难做到。

脉冲激光测速是在测距的基础上实现测速。脉冲法测距是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离的，其换算公式为:S＝ct/2。式中S为待测距离，c为激光在大气中传播的速度，t为激光在待测距离上的往返传播时间。这里，c作为已知量，t作为待测量。时间t的测量则是由硬件电路部分和软件处理部分进行记录和计算。该方法的关键是如何精确稳定的确定t的起止时刻和精确测量t，其中涉及较为复杂的电路系统。并且对于测量角度要求非常高，测速系统应该正对运动物体的运动方向，测量偏差角度应该小于10度，才能保证准确测量。

激光相位测速由相位测距法多次测量距离来实现。激光相位测距的方法是通过对激光的强度进行调制实现的。相位调制的方法有连续激光直接调制、光调制(包括声光调制AOM和电光调制EOM)以及模间拍频调制。虽然激光相位测速方式的测量精度比脉冲激光测速方式要高，但是相位法对光路要求非常严格，同样要求测量偏差角应该小于10度。

粒子图像测速，是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图像，从而测出流动速度的方法。其基本原理是在流场中布撒示踪粒子，并用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片上或CCD相机上。该方法是在传统流动显示技术基础上，利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术，但是该系统的使用成本极高，价格昂贵。