二级轻气炮弹丸速度过程测量实验技术研究

 针对二级轻气炮发射管的特性，设计了测量景深长达13 m的光纤探头，选择条纹常数为100 m/s的高灵敏度激光干涉测速仪，结合任意反射面激光干涉测速技术进行了实验，测量了发射口径Φ32 mm、长度12 m的二级轻气炮弹丸发射过程，测得弹丸运动距离11.3 m时的速度为3 960 m/s，与磁测速的结果一致，通过实验测得的速度历史，进而获得弹丸在发射管内的加速度过程，为炮内弹道研究提供了更直接的实验数据。     

二级轻气炮遮挡式激光光幕测速系统

 研制了用于测量二级轻气炮毫米级弹丸速度的遮挡式激光测速系统。该系统主要包括测速平台和激光测速仪,采用红光半导体激光器作光源,硅光电二极管为光电探测器。测速平台安装于炮管测速段,具有结构简单紧凑、抗振动、激光光幕易于准直和测量等特点。激光光幕高度为20 mm,避免了弹丸偏离轴线过多时因无法遮断光束导致的测速失败。运用该测速系统进行了一系列二级轻气炮测速实验,成功测量了金属弹丸和非金属弹丸的速度,测速范围为1.58～4.51 km/s。将测量数据与磁测速系统测量数据进行比较,结果表明,该激光测速系统的测量精度高、稳定性好、灵敏度高、抗干扰性强、适用范围广。     

超高速炸药加速器炮口弹丸速度的测量

炸药驱动器超高速(>3000m/s)弹丸速度的测量是超高速发生器及超高速碰撞现象研究等领域内一个必不可少的环节,本文在传统电测法及X光闪先照相技术的基础上,提出了改进的测量技术,使测量中尽量避免各种因素对测试的干扰,成功地获得了弹丸的炮口速度。实验表明,该技术为超高速驱动器及超高速撞击现象研究提供了一种可靠而方便的测试手段。     

基于法布里-珀罗干涉仪的瑞利散射测速技术研究

基于法布里-珀罗干涉仪的干涉瑞利散射测速技术原理,结合种子注入Nd∶YAG脉冲激光器、ICCD相机和高光谱分辨法布里-珀罗干涉仪,建立了一套干涉瑞利散射速度测量系统,系统的速度测量准确度为10m/s.对拉瓦尔喷管产生的超声速自由射流开展干涉瑞利散射速度测量,得到气流的流动速度为366m/s.在不需要外加任何示踪粒子的条件下,利用流场气体分子本身的瑞利散射,实现了对超声速流场速度的非接触测量.     

时分复用激光干涉测速技术研究

为了探索和发展瞬态激光干涉测量技术,本文从理论上对激光差频干涉测速度技术进行了分析,并对该技术的应用基础和发展前景进行了剖析.基于对该技术中关键技术的分析、讨论,提出了时分复用激光干涉测速技术的概念.充分利用了激光差频干涉测速技术中的延迟时间τ,在时间段0~τ和τ之后,激光干涉分别体现的是测位移技术和测速度技术,从而可较好地确定冲击与爆轰等物理过程中的第一冲击前沿的速度值(解决条纹丢失的不确定性);同时在硬件要求不太高(降低对记录用示波器等的带宽和采样率的要求)的情况下,保证有较高的速度测量上限.结合爆轰与冲击物理过程特性的考虑,通过选择合适的干涉测试技术参量,设计并建立了光纤时分复用激光干涉测速系统,进行了时分复用激光干涉测速技术的初步应用研究,获得了较好的应用结果,从而验证了该技术的有效性.     

激光外差干涉快速超精密测量模型研究

为了精确地描述激光外差干涉在快速超精密测量中的位移测量．建立了激光外差干涉快速超精密测量模型。传统外差干涉测量模型采用舍去高阶误差的方法,便于分析与快速计算,但存快速纳米精度测量中,高阶误差已经影响到测量精度．根据多普勒频移公式,通过分析激光外差干涉的测量原理．在已有的激光干涉测量模型上增加了u^2/c的积分项．相当于将传统测量模型进行了高阶误差补偿。通过理论分析可知,当最高测量速度为1m/s,运行位移为3m时,该测量模型能够减小约18nm的测量误差,解决了传统测量模型存存的残余误差累计问题,从而为激光外差干涉在快速超精密测量领域的应用提供了一种理论依据。     

用于毫米级弹丸速度测量的光电检测装置

 为了满足二级轻气炮毫米级弹丸的测速需求,研制了一套利用激光光幕测量毫米级弹丸飞行速度的测试系统。采用光阑限光、光谱滤光和低阻滤波等复合抗干扰技术,解决了从强背景光中捕获快速变化的弱光扰动信号的技术问题,获得了较高的信噪比。在二级轻气炮上进行了直径为4 mm的球形金属弹丸测速实验,结果表明该装置的测量结果与线圈测速法实时监测结果的不一致性小于2%,可以满足毫米级弹丸速度测量的要求。     

用激光干涉仪测量弹丸在膛内的速度

测量弹丸在炮管中的运动速度是研究发射药内弹道效率的重要手段;是炮、弹设计所关心的重要问题之一。弹丸在炮管内经过发射,其速度从零到出炮口时每秒1千多米,速度变化大,在几毫秒内完成此过程。因为弹丸在炮管内运动,直接观察、测量是较困难的。     

基于FPGA反射式激光双速测量系统的设计与实现

物体在运动时旋转,可以减小物体运动过程中的空气阻力,增加运动运动稳定性,提高发射效率。而在一些发射系统中,弹丸在运动的过程中,也会发生旋转。通过测量弹丸的旋转速度和运动速度,可以更好的了解弹丸运动规律、调控运动行为,获取即时环境信息。文中提出了一种高灵敏度反射式测速系统,该测速系统采用高速响应数字激光传感器作为测量器件,采用FPGA编程进行控制和运算,具有抗低频电磁干扰的优点。应用该测速系统可以同时测量电磁发射系统中弹丸在出口处的水平运动速度和旋转速度。     

基于改进型六幕光幕靶的弹道测量技术研究

现有的六幕光幕靶测量系统实现了近距离弹丸速度、姿态以及着靶坐标的测量,而在实际工程应用中需要计算的是弹丸整个飞行过程中的速度、姿态以及远距离的落点坐标。针对现有系统工程部署中的不足,提出了双交叉结构的六幕光幕靶的设计原理。利用双交叉结构的六幕光幕靶的测量结果以及外弹道计算原理,通过四阶龙格-库塔方程建立了弹道测量模型,实现了弹丸飞行全过程的弹道测量和计算。通过使用弹道系数1.0的标准弹丸进行仿真实验和分析,计算出其射程和射高分别可以达到16 269m和3 672m,证明了其与实际的弹丸运动曲线相吻合,能够实际应用于工程部署。     

一种新型全光纤速度干涉仪

 基于传统速度干涉仪(VISAR)和光纤速度干涉仪(AFVISAR)的特点，提出了一种由光纤和光纤耦合器组成的工作波长为532 nm的新型全光纤速度干涉仪（NAFVISAR）。该干涉仪采用多模光纤器件构成分离系统,单模光纤器件组成核心部分。由于有两路携带不同信息的光束经不同路径传输到耦合器中，当这两路光束满足干涉条件时，可利用它们的干涉场信息来调解出被测靶的信息，从而区分波面的加减速变化。用该系统进行了Hopkinson森杆一维应力加载下的入射杆端面的速度剖面测试，实测速度最大值为49.36 m/s，与理论速度的最大值50.16 m/s基本符合，实现了全光纤速度干涉仪的实用化。     

全光纤多模速度干涉仪的研究

针对传统全光纤单模速度干涉仪在爆炸冲击试验中,前端的单模准直器对高速运动的物体的漫反射光难以有效收集,提出了全光纤多模速度干涉仪的装置。利用超辐射发光二极管作为光源,初步验证了全光纤多模速度干涉仪的可行性。主要阐述了全光纤多模速度干涉仪的原理和结构,并将其与全光纤单模速度干涉仪在喇叭振动速度的实验中进行比较,取得了一致的结果,最后还进行霍普金森压杆撞击实验,实测的速度最大值为10.49 m/s,与理论值10 m/s符合较好。     

成像型任意反射面速度干涉仪研制

成像型任意反射面速度干涉仪是激光驱动冲击波研究的重要诊断设备,主要应用于惯性约束聚变脉冲整形实验、高压状态方程实验研究和材料特性研究.基于传统任意反射面速度干涉仪的特点,研制了一台基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪,该系统可用于测量自由面速度及透明介质中的冲击波速度.给出了成像型任意反射面速度干涉仪的详细设计要点.对系统性能进行了分析及测试,结果表明时间分辨优于30 ps,物方空间分辨约为10 μm,测速范围为6～45 km/s.     

基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪

 介绍了基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)的系统结构和实验结果,详细阐述了为解决VISAR系统的光路对接调试、干涉仪零程差状态保持、探针激光方式、条纹相机触发时间等问题而采取的特殊手段。对系统性能进行了测试,结果表明:时间分辨力优于30 ps,空间分辨力优于10 μm,测速范围为10~50 km·s^-1。通过神光Ⅲ原型装置进行打靶实验,结果表明:该系统能获得透明材料中冲击波作用形成的清晰干涉条纹,能依据条纹分布情况来判断冲击波在空间不同位置的作用情况。对双灵敏度结构获得的两幅条纹图像进行处理,计算得到了冲击波在透明材料中的传播速度为36.5 km·s^-1。     

成像型任意反射面速度干涉仪的散斑抑制

成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)是激光驱动聚变实验中诊断冲击波速度的重要设备。由于采用了激光照明靶面的方式,所获得的速度条纹图中不可避免有激光散斑的干扰,严重影响动态条纹的质量。介绍了该系统的激光散斑形成原因和散斑对速度分析的影响,提出了一种频谱面滤波的方式去除高频散斑噪声的方法,并通过搭建散斑光路、合理设置滤波孔位置和大小,对该方法进行了验证。结果表明,该方法对影响条纹图的高频散斑噪声具有抑制作用,适合应用于成像型VISAR系统。     

用于激光驱动飞片诊断的线成像速度干涉仪

设计并建立了一套完整的线成像激光干涉测速系统,用于激光驱动技术中小尺寸飞片或样品一条线上所有点的速度测量。它将激光压缩为线状照射到靶面,用成像物镜收集靶面的漫反射光并传递到广角迈克尔逊干涉腔中形成干涉,产生的梳妆干涉条纹作为信号载体,用变像管扫描相机记录条纹随时间的变化,用不同位置的条纹移动量反推出不同位置的速度分布,实现空间分辨。系统具有50 ps响应时间和20μm空间分辨能力。用该系统测量了激光驱动飞片的速度场,清晰的扫描干涉图像直观显示了飞片的运动过程和各点的速度差异。用傅里叶变换方法对干涉图像进行处理,得到了靶面一条线的速度和位移分布。     

多点激光干涉测速系统和电探针技术在飞片速度测量中的应用对比

 多点激光干涉测速系统和电探针技术均可用于测量高速运动物体的运动参数,为了相互验证测试结果,分析测试系统各因素对测量精度的影响,在平面爆轰波驱动飞片的实验中,利用多点激光干涉测速系统和多组电探针,同时测量金属飞片的自由面速度。将多点激光干涉测速系统测得的飞片速度-时间曲线进行积分,得到飞片的位移-时间曲线,并与电探针测得的飞片到达预定位置的时刻进行对比。结果表明：多点激光干涉测速系统各测点测得的飞片自由面速度随时间的变化曲线一致,各测点测得的速度最大相对偏差为1.45%;对两套测试系统的零时及信号传输时间进行修正后得到,当飞片飞行至5、10、15 mm位置时,电探针测得的飞片到达时刻与多点激光干涉测速系统测试结果的最大偏差值分别为0.02、0.02、0.07 μs;两套系统在同一测点的测试差值随飞片飞行距离的增加而增加,其原因可能是,炸药透镜的波形差对飞片运动的影响随着飞片飞行距离的增加而增大。     

用于冲击诊断的成像速度干涉仪

为了诊断测量激光驱动冲击波,研制了具有空间分辨力的成像型速度干涉仪.该干涉仪主要包括输入部分、像传递部分及干涉部分,探测光采用波长为532 nm的单纵模激光.在靶位放置一分线板,经过测量,其空间分辨力小于10μm.基于天光KrF准分子激光系统的参数,设计并自制含有烧蚀层的单台阶金属靶,利用成像型速度干涉仪测量到了金属铝...     

激光驱动飞片的线面成像VISAR测速技术

以激光驱动飞片速度场诊断为例,展示线面同时成像任意反射面速度干涉仪(VISAR)技术在超高速碰撞研究中的应用前景。将传统VISAR改为成像干涉结构,用变像管扫描相机和高速光电分幅相机分别记录作为信号载体的梳状干涉条纹随时间的变化,实现靶面一条线上各点速度历程和多个时刻二维靶面上所有点速度相对分布的测量。所研制的线面同时成像VISAR具有10μm的空间分辨和约15m/s的速度分辨能力。用其测量了激光驱动铝膜飞片的速度场,直观给出飞片的演化发展过程。实验结果表明,线面同时成像VISAR技术可以为激光驱动飞片、超高速碰撞等领域的理论研究和数值模拟提供有效比对实验数据。