本發(fā)明涉及激光測速，尤其涉及一種基于密集陣列光纖探頭的矢量速度測量方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、在動(dòng)高壓物理和材料力學(xué)研究領(lǐng)域，通過測量飛片、結(jié)構(gòu)件等在動(dòng)高壓加載下的感興趣區(qū)域內(nèi)的矢量速度面陣或線陣分布，相比僅測量縱向速度分布可以獲得更精細(xì)的被測目標(biāo)性能參數(shù)和動(dòng)高壓加載特性。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，對某一測量點(diǎn)進(jìn)行矢量速度測量，一般需要三個(gè)探頭同時(shí)對準(zhǔn)該點(diǎn)進(jìn)行測量，如果要對n個(gè)測量點(diǎn)的陣列矢量速度進(jìn)行測量，則需n倍數(shù)量的三個(gè)探頭，并且每組的三個(gè)探頭都需要對準(zhǔn)同一個(gè)測量點(diǎn)，導(dǎo)致測量系統(tǒng)復(fù)雜化，且給光路調(diào)試帶來困難。另外，由于每個(gè)測量點(diǎn)都需要三個(gè)探頭，并且三個(gè)探頭需要以不同的角度對準(zhǔn)同一測量點(diǎn)，導(dǎo)致布設(shè)探頭占據(jù)的空間進(jìn)一步增大，因此每三個(gè)一組的多組探頭難以實(shí)現(xiàn)密集陣列探頭排布。再者，隨著待測目標(biāo)相對探頭的距離改變，原先對準(zhǔn)同一點(diǎn)的三個(gè)探頭不再對準(zhǔn)同一點(diǎn)，而是對準(zhǔn)三個(gè)不同的點(diǎn)，導(dǎo)致測量誤差增大以及可測量的景深較短。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于密集陣列光纖探頭的矢量速度測量方法及裝置，以解決現(xiàn)有測速方案所需探頭數(shù)量較多，難以實(shí)現(xiàn)密集陣列探頭排布，且由于每三個(gè)探頭需同時(shí)對準(zhǔn)同一測量點(diǎn)，導(dǎo)致光路調(diào)試復(fù)雜和測量景深較短，以及由于測量目標(biāo)相對探頭的距離改變，測量誤差增大的問題。

2、本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明的第一方面，提供了一種基于密集陣列光纖探頭的矢量速度測量方法，包括：

4、s1，從不同角度向待測目標(biāo)上同一測量區(qū)域發(fā)射不共面的3束照明激光，3束所述照明激光的頻率各不相同；

5、s2，通過密集陣列光纖探頭的每一子探頭接收所述測量區(qū)域中對應(yīng)測量點(diǎn)的反射光，其中，每一子探頭對準(zhǔn)所述測量區(qū)域中的一個(gè)測量點(diǎn)；

6、s3，獲取參考激光，并使其與每一子探頭收集的反射光干涉，生成每一所述測量點(diǎn)的干涉光強(qiáng)信號(hào)；

7、s4，根據(jù)每一所述測量點(diǎn)的干涉光強(qiáng)信號(hào)，計(jì)算得到每一所述測量點(diǎn)的矢量速度。

8、本發(fā)明基于密集陣列光纖探頭的矢量速度測量方法，將現(xiàn)有技術(shù)中對一個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行測量需要的三個(gè)光纖探頭替換為一個(gè)光纖探頭，在對多點(diǎn)進(jìn)行測量時(shí)，所需的光纖探頭數(shù)量減少了2/3，簡化了測量系統(tǒng)。通過一個(gè)光纖探頭收集3束具有不同頻率和不同入射角的照明激光在測量點(diǎn)的反射光，再通過反射光與參考光的干涉生成一個(gè)時(shí)間序列上疊加在一起的具有不同頻率特征的多組信號(hào)，再通過信號(hào)提取和數(shù)據(jù)處理得到測量點(diǎn)的矢量速度，由此避免了每三個(gè)探頭對準(zhǔn)一點(diǎn)的復(fù)雜光路調(diào)試，同時(shí)保證了在待測目標(biāo)相對光纖探頭的距離改變時(shí)，光纖探頭所對準(zhǔn)的測量點(diǎn)不會(huì)發(fā)生變化，從而提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

9、進(jìn)一步地，3束照明激光均為錐形激光。

10、進(jìn)一步地，3束照明激光均為平行激光。

11、進(jìn)一步的，所述參考激光滿足：|v0-v1|、|v0-v2|、|v0-v3|的值各不相同，且均大于測量點(diǎn)運(yùn)動(dòng)引起的反射光多普勒頻移絕對值的最大值；其中，v0為參考激光的頻率，v1、v2、v3分別為3束照明激光的頻率，|·|表示絕對值。

12、進(jìn)一步的，在參與干涉的參考激光和3束照明激光的反射光中，所述參考激光的光強(qiáng)遠(yuǎn)大于任意一束照明激光的反射光光強(qiáng)，以突出參考激光與反射光的干涉光強(qiáng)信號(hào)而壓制3束反射光之間的交叉干涉光強(qiáng)信號(hào)。

13、進(jìn)一步的，所述根據(jù)每一所述測量點(diǎn)的干涉光強(qiáng)信號(hào)，計(jì)算得到每一所述測量點(diǎn)的矢量速度，包括：

14、s4-1，利用短時(shí)傅里葉變換或小波變換對所述干涉光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到fm01(t)、fm02(t)和fm03(t)；

15、其中，fm01(t)是照明激光1被第m個(gè)測量點(diǎn)反射的反射光與參考激光干涉形成的干涉光強(qiáng)信號(hào)的時(shí)頻信號(hào)，fm02(t)是照明激光2被第m個(gè)測量點(diǎn)反射的反射光與參考激光干涉形成的干涉光強(qiáng)信號(hào)的時(shí)頻信號(hào)，fm03(t)是照明激光3被第m個(gè)測量點(diǎn)反射的反射光與參考激光干涉形成的干涉光強(qiáng)信號(hào)的時(shí)頻信號(hào)；

16、s4-2，根據(jù)fm01(t)、fm02(t)和fm03(t)計(jì)算第m個(gè)測量點(diǎn)的矢量速度：

17、

18、

19、其中，αm1，βm1，γm1為照明激光1指向第m個(gè)測量點(diǎn)的入射光線的逆入射方向分別與x、y、z軸的夾角；

20、αm2，βm2，γm2為照明激光2指向第m個(gè)測量點(diǎn)的入射光線的逆入射方向分別與x、y、z軸的夾角；

21、αm3，βm3，γm3為照明激光3指向第m個(gè)測量點(diǎn)的入射光線的逆入射方向分別與x、y、z軸的夾角；

22、z軸與子探頭光軸重合并指向子探頭，x、y、z軸滿足右手定則；

23、v0為參考激光的頻率，v1為照明激光1的頻率，v2為照明激光2的頻率、v3為照明激光3的頻率；

24、c為光速，a為反射光多普勒頻移絕對值的最大值。

25、進(jìn)一步的，如果激光頻率不夠穩(wěn)定，通過同時(shí)監(jiān)測3束照明激光和參考激光的光頻率ν1、ν2、ν3和ν0，或者同時(shí)監(jiān)測ν0-ν1、ν0-ν2、ν0-ν3，將監(jiān)測值代入所述矢量速度計(jì)算公式即可以消除激光頻率不穩(wěn)定的影響。

26、本發(fā)明的第二方面，提供了一種基于密集陣列光纖探頭的矢量速度測量裝置，包括：

27、三頻激光照明光源，用于從不同角度向待測目標(biāo)上同一測量區(qū)域發(fā)射不共面的3束照明激光，3束所述照明激光的頻率各不相同；

28、密集陣列光纖探頭，包括緊密排列的多個(gè)子探頭，每一所述子探頭用于接收所述測量區(qū)域中對應(yīng)測量點(diǎn)的反射光，其中，每一子探頭對準(zhǔn)所述測量區(qū)域中的一個(gè)測量點(diǎn)；

29、多點(diǎn)pdv系統(tǒng)，包括多路接收通道，每一所述接收通道用于將每一所述子探頭接收的反射光和參考激光進(jìn)行混合，生成干涉光強(qiáng)信號(hào)，其中，每一接收通道對應(yīng)一個(gè)子探頭；

30、所述多點(diǎn)pdv系統(tǒng)還用于提供參考激光；

31、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用于根據(jù)每一所述測量點(diǎn)的干涉光強(qiáng)信號(hào)，計(jì)算得到每一所述測量點(diǎn)的矢量速度。

32、進(jìn)一步地，所述三頻激光照明光源包括3個(gè)單頻激光器、3個(gè)環(huán)形器和3根照明光纖，每個(gè)所述單頻激光器發(fā)出的照明激光通過所述環(huán)行器耦合于所述照明光纖，從所述照明光纖的端面出射。從3根照明光纖端面反射的少量照明激光通過環(huán)形器分別耦合至多點(diǎn)pdv系統(tǒng)的3路接收通道，用于監(jiān)測ν0-ν1、ν0-ν2、ν0-ν3的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

33、進(jìn)一步地，所述三頻激光照明光源包括3個(gè)單頻激光器、以及與每個(gè)所述單頻激光器連接的激光擴(kuò)束裝置，每個(gè)所述單頻激光器發(fā)出的照明激光經(jīng)所述激光擴(kuò)束裝置擴(kuò)束成平行光。

34、進(jìn)一步地，所述多點(diǎn)pdv系統(tǒng)為單光源系統(tǒng)；測量時(shí)，將所述多點(diǎn)pdv系統(tǒng)內(nèi)部的激光器與所述多點(diǎn)pdv系統(tǒng)的光纖輸入輸出端口斷開連接，通過所述激光器提供參考激光。

35、進(jìn)一步地，所述多點(diǎn)pdv系統(tǒng)為雙光源系統(tǒng)；測量時(shí)，關(guān)閉所述多點(diǎn)pdv系統(tǒng)內(nèi)部的探測激光器，通過所述多點(diǎn)pdv系統(tǒng)內(nèi)部的參考激光器提供參考激光。

36、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

37、用一個(gè)探頭替換一組3個(gè)探頭，將所需光纖探頭數(shù)量減少2/3，同時(shí)將所需光電探測器(在多點(diǎn)pdv系統(tǒng)內(nèi))數(shù)量也減少2/3，節(jié)約器件，簡化了測量系統(tǒng)。

38、通過一個(gè)探頭對應(yīng)測量一個(gè)測量點(diǎn)的矢量速度，避免需要三個(gè)探頭對準(zhǔn)一點(diǎn)的復(fù)雜光路調(diào)試，簡化了測量流程。

39、縮小探頭占據(jù)的空間，實(shí)現(xiàn)密集陣列探頭排布，可以對密集排列的測量點(diǎn)進(jìn)行矢量速度測量。不存在隨著待測目標(biāo)相對探頭的距離改變，探頭無法對準(zhǔn)一點(diǎn)的情況，減小了測量誤差，增大了測量景深。

40、可以利用已有的多點(diǎn)pdv系統(tǒng)和密集陣列光纖探頭實(shí)現(xiàn)密集陣列矢量速度測量功能。