工作于非标准环境下体吸收型激光能量计的研制

研究了能直接工作于非标准环境下的体吸收型激光能量计.由能量计热传导、热对流、热辐射的单位时间热交换方程推导出单位时间内能量计升温过程中热能损失的数学模型,根据数学模型对能量计整个升温过程的热损失进行补偿,使得能量计对于不同脉冲长度入射激光的测量结果重复性由4.7%提高到了0.6%,消除了能量计热损失给测量带来的不利影响.针对环境温度从-40℃变化到70℃测温用铜-康铜热电堆对1℃温差响应电压剧增30%的问题,在环境试验箱进行不同环境温度下的激光能量测量实验,得出了能量计不同环境温度下测量结果的修正系数,并利用最小二乘法建立了修正系数同环境温度之间的函数关系,使得环境温度对测量结果的影响得到了修正.     

水流吸收型高能激光能量计溯源方法及其溯源体系研究

提出了一种利用电加热丝作为校准源的高能激光能量计校准方法,将水流从吸收腔前端导入至加热容器,在加热后流入吸收腔。通过精确计量水流吸收的热能并与能量计测量结果进行比较,达到对高能激光能量计校准的目的。研究表明校准系统的热交换模型与吸收腔内的热交换模型一致,均经历了储能和功率平衡两个阶段。水流及相变气体的散射效应对测量结果的影响较小,经过修正后可以忽略其影响。通过深入分析各个环节的测量不确定度表明,残留能量和流量变化对测量不确定度的影响最显著,增加水箱的容积可以有效降低残留能量对测量不确定度的影响。在对各个环节的影响修正后估算出系统的测量不确定度约为4.8%(k=2),被校高能激光能量计校准后的测量结果与其他类型的参考高能激光能量计进行比对,两者具有很好的一致性,修正因子仅为1.006,标准偏差为1.4%。     

绝对吸收式激光能量计高准确度校准技术研究

采用量热法的高能激光能量计用于测量能量大于50 kJ的连续波高能激光能量,通常用已知功率的连续激光开展激光能量计的光电校准需要激光照射时间超过20 min,而由于热损失等原因,进行长时间激光能量校准时,校准不确定度高达12%。以量热式平面吸收高能激光能量计为模型,从理论上分析了热辐射、热对流对连续波高能激光能量测量结果的影响,得到了较准确的平面吸收腔激光能量计冷却数学模型,实现了能量计热损失补偿,并通过建立相应的实验装置验证了该模型,用其对装置的测量结果加以修正,可使光电校准的测量不确定度减小到1%以下。     

用于激光吸收和散射光能量测量的4π盒式卡计

报道了国内第一台用于ＩＣＦ实验散射光和激光吸收能量精密测量的４π盒式卡计。性能测试表明，该盒式卡计的性能优于国外用热电堆作传感元件的盒式卡计的性能。     

基于双LED光源积分球的硅探测器宽动态范围响应线性定标

介绍了一种硅探测器宽动态范围线性测量系统,系统以光通量叠加为基础,通过时间逻辑控制LED点亮、熄灭和采集数据,在2.2×10-6~0.57A的LED注入电流调节范围内,标定了硅探测器响应电流在3.92×10-11~10-2 A范围内近9个量级的线性。实验结果表明,硅探测器在9个量级的动态范围内测量时探测器非线性引入的误差可达0.23%,通过非线性修正因子对其测量值进行修正很有必要,并给出了非线性修正因子,其数值范围为1~1.0023。分析了测量结果的测量不确定度,列出影响系统测量精度的因素,并定量分析了LED光源的光谱漂移对系统测量精度的影响。给出了线性测量系统的相对合成不确定度,硅探测器响应电流范围分别为39.2pA~0.326nA、0.326~81.6nA、81.6nA~20.4μA、20.4μA~10.2 mA时的测量不确定度分别为0.269%、0.0116%、0.00536%和0.00320%。结果表明该系统可以用于高精度硅探测器的宽动态范围响应线性定标。     

用于激光等离子体测量的X光量热计

 由于X光量热计具有体型吸收、线性响应及抗电磁干扰能力强等优点，可用于对激光等离子体辐射的X光总量测量。介绍了X光量热计的原理和结构，量热计主要由吸收体、热电堆、恒温体和外壳4个部分组成；量热计吸收体接收X光能量后，在瞬时内温度迅速上升，同时又通过热传导或辐射而损失能量。电加热法作为X光量热计的传统标定方法，标定结果不可靠。为此采用经过绝对标定的XRD阵列谱仪（SXS）对X光量热计在神光-Ⅱ装置上进行了在线绝对标定。结果表明：X光量热计性能稳定，其灵敏度为(84.1±3.4) μV/mJ，X光能量测量的相对合成标准不确定度约为31%，可用于X光定量测量。     

体吸收型激光能量计能量损失补偿方法的研究

借助传热学基本理论对体吸收型激光能量计因热辐射、热对流和热传导造成的热能损失进行了分析，在此基础上建立了能量计热能损失的数学模型。根据数学模型采用最小二乘法对测量数据进行了曲线拟合，得到与实际降温曲线非常接近的拟合曲线。利用拟合曲线对测量数据进行补偿修正后使得能量计的测量重复性得到了很大提高。该方法对于体吸收型激光能量计的研制具有一定的理论意义。     

基于可调谐激光的光谱辐射照度响应度定标

探测器的光谱辐射照(亮)度响应度是辐射定标中最重要的参数之一。传统的光谱辐射定标采用宽谱段光源和单色仪装置测量,新建的激光辐射测量装置采用激光和探测器测量,可以大大降低测量的不确定度。该装置首先将可调谐激光耦合进入积分球生成均匀的朗伯体单色光源,然后采用低温辐射计量传的标准陷阱探测器和面积已知的光阑,进行400～900 nm探测器的光谱辐射照度响应度标定。研究主要集中在四个方面：(1) 低温辐射计仅在某些分立激光波长定标标准探测器,其他激光波长下的光谱响应度必须进行插值,通过对比光谱响应度直接测量方法推导的陷阱探测器量子吸收效率,可以计算插值在其他波长带来的光谱响应度偏差,结果表明400～900 nm数据插值算法的总体偏差小于0.074%;(2) 实验采用电荷积分法测量标准探测器和被测探测器的电荷信号,并采用监视探测器消除激光功率起伏以降低激光功率稳定性的影响,测量重复性优于0.1%;(3) 针对标准探测器在向低温辐射计溯源和进行光谱辐射照度响应度量传时的激光功率差异,采用激光双光路叠加法测量探测器不同波长下的非线性系数,分析标准探测器光谱非线性带来的测量不确定度,在450,632.8和850 nm波长下,当探测器电流从0.2 mA变到3 nA时的非线性修正小于1.000 25;(4) 针对标准探测器定标时的功率模式和量传时的辐射照度模式差异,采用二维电控位移平台测量探测器的均匀性并进行修正,测量得到的标准探测器中心直径5 mm的非均匀性小于0.03%。最终采用可调谐激光辐射照度响应度测量装置,可以实现400～900 nm辐射照度响应度测量不确定度0.14%～0.074%(k=1)。实验对比了激光辐照度响应度装置和标准灯-单色仪装置两种方法测量的探测器的光谱辐射照度响应度。测量结果表明两种装置在400～900 nm的响应度标定近似等价,测量偏差全部位于标准灯-单色仪装置的测量不确定度范围内, 验证了激光辐照度响应度测量装置的实用性。     

现场激光能量计量技术的研究

由于激光能量计传感器的灵敏度与温度条件有关，在温差较大时，有的传感器灵敏度偏差可达到16%，因而在靶场、野外现场温度条件下，现有的激光能量计无法进行准确测试。为了解决这一问题，研制了一种新型的现场激光能量计。在现有激光能量计的基础上，通过选择相对透明、吸收层相对较厚(毫米量级)、热敏面不易损伤的激光吸收材料，对激光能量计内置温度传感器及数字处理电路进行了重新设计，满足了不同温度条件下现场能量测量的需求。     

新型全吸收式高功率微波能量计

为解决高功率微波源传输线内能量的测量,研制了一种全吸收式液体高功率微波能量计。能量计采用乙醇、去离子水等混合液作为吸收液,吸收液吸收微波后体积膨胀,探测器内的液面升高,通过控制系统得到液面升高引起的电压变化值,从而得到被测能量的大小。该套能量计具有结构简单、测量准确度高等特点,经过实验,测得能量计端口的电压反射系数小于-20 dB,具有较好的匹配性,能够开展10~600 J能量的测量,5次测量结果标准偏差优于3%,可满足高功率微波源传输线内或空间辐射能量的测量。     

FBG传感器在空腔爆炸压力测量中的应用研究

光纤光栅(FBG)传感器具有灵敏度高，测量量程大，抗电磁干扰能力强，耐高温能力强等诸多优点，在爆炸冲击测试领域具有广泛的应用前景。针对空腔爆炸压力变化历程对压力传感器的性能要求，设计了一种抗冲击FBG压力传感器。传感器采用圆平膜片作为承压面，利用均匀压力作用下的挠度拉伸FBG产生位移。对传感器的力学模型进行了理论计算，并进行了有限元仿真，理论分析与数值模拟计算结果误差小于2%。使用标准压力源对传感器进行了标定，获得最终的压力灵敏度为545.187 kPa/nm，线性度相关度为99.998%。根据空腔爆炸现场防护需求，设计了有效的抗爆防护装置，并将该传感器成功用于空腔爆炸爆后气体压力变化历程测量，取得很好的测试效果。     

Volume absorption laser energy meter for high energy laser by water absorption

Since the energy density of high energy laser can be extremely high and destructive, it is difficult to directly measure the laser energy with custom methods. A volume absorption method directly using water as absorption substance is introduced. In the energy meter, water is pumped into an absorption cavity sealed by a quartz window, and energy increment of water by laser is calculated. The new energy meter has excellent power and energy linearity and is almost not affected by power, energy and flow, its relative deviation to norm middle-power energy meter is 1.9 %, which infers that the new energy meter can measure higher laser energy and maintain higher precision as well.     

高能激光能量计测温电阻温度标定研究

对绝对量热式高能激光能量计测温电阻丝的温度特性进行了研究.以锥形吸收腔高能激光能量计为实验模型，分别对处于自由状态下以及缠绕于能量计吸收腔表面后的测温电阻丝的温度电阻特性进行了实验分析.结果表明,两种状态下测温电阻丝的电阻随温度变化规律并不相同.用最小二乘法对测温电阻丝的电阻与温度实验数据进行数据处理并建立补偿模型，从而对缠绕于吸收腔表面后的测温电阻丝的电阻温度关系标定，经修正后能量计的测温电阻和Pt100电阻的偏差小于0.01 Ω，温度偏差小于0.02 ℃，从而提高了能量计测温准确度.     

现场用激光能量计校准方法的实验研究

在激光功率能量测量当中,军用激光现场检测环境温度和实验室环境温度相差很大,而激光能量计的传感器灵敏度与环境温度条件有关,不对激光能量计进行温度灵敏度校准,将严重影响测量结果。针对目前存在的问题,本文提出将激光能量计放置于温控制箱中,脉冲激光器输出的激光经过分光镜分束后分为2束激光,其中透射光由标准能量计或现场激光能量计接收,反射光由参考能量计接收,在-50℃～70℃的温度范围内进行校准的一种新方法,并进行原理性的验证实验及结果分析,得到了能量计灵敏度系数关于环境温度的函数关系,使得能量计在非标准环境下进行准确测量成为可能。为激光能量计现场测试校准技术的研究提供了一种可靠的新途径。     

利用地球红外辐射的旋转飞行体姿态估计方法

针对导航控制系统对姿态测试技术多元化、新型化和低成本的要求, 提出了一种基于地球红外辐射的旋转飞行体姿态估计方法. 首先, 根据地球红外辐射的产生机理, 结合红外辐射在大气中的传播规律, 建立了地球红外辐射模型. 然后, 分析了旋转飞行体的运动特征, 构建了红外传感器的测量模型. 为了探索红外传感器的输出信号与旋转飞行体的姿态信息之间的内在联系, 研究了不同姿态角和视场角下的传感器输出信号特征. 最后, 为了提高旋转飞行体的姿态测试精度, 设计了基于三轴红外传感器的扩展卡尔曼滤波算法来估计姿态角和横滚角速度. 结果表明: 利用地球红外辐射场进行姿态测试的方法有效可行, 俯仰角估计误差在±0.1°, 横滚角估计误差在±0.05°, 横滚角速度估计误差在±1 rad/s. 该姿态测量方法简单有效, 能够满足旋转飞行体的姿态测量要求.     

高能高功率激光参数测量技术研究

简述了高能高功率激光技术的发展现状及其计量测试需求，介绍了近年来开展的高能高功率激光参数计量测试研究取得的进展，给出激光功率能量、时域参数和空域参数等测量原理和方法。指出了高能高功率激光参数测量面临的主要问题及需要突破的关键技术，包括大动态范围功率能量“无畸变”衰减技术、激光功率能量现场测量技术和功率能量计溯源及后向散射补偿方法等。