二维点列式激光多普勒速度测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种二维点列式激光多普勒速度测量装置，该装置包括发射模块和接收模块，其中：发射模块包括单频激光源（1），分光棱镜（2）、可移动分光片（3）、透射型衍射光栅（5）、光栅架（6）及光栅架移动导轨（4）、反射镜（8）、反射镜架（9）及反射镜架移动导轨（7）、水平移动台（10）、旋转台（11以及垂直移动导轨（12）；接收模块包括接收透镜（15）、探测器（16）及信号处理模块（17），该模块与装置整体分离。本发明的有益效果是，可实现弹丸瞬时速度的测量，并且解决了单点差动式多普勒系统在测量时因弹道偏差所导致的失对准的问题。系统测量精度高，结构稳定易于调节。
【专利说明】二维点列式激光多普勒速度测量装置
【技术领域】
[0001]本发明属于速度测量领域，尤其涉及一种可测量高速弹丸瞬时速度的二维点列式激光多普勒速度测量装置。
【背景技术】
[0002]现有技术中，弹丸出膛后的速度，对弹丸推力、弹道设计以及武器毁伤效果的评估等都具有重要的意义。同时，也是产品合格验收的必要环节和重要指标，因此对弹丸速度的精确测量具有重要的研究价值。
[0003]弹丸出膛后的速度测量主要有接触式测量和非接触式测量两类。接触式测量包括:铜丝网靶、箔靶、铜丝惯性靶等。接触式测量方法具有结构简单、制造方便、抗干扰能力强等优点。但其最大的缺点是会影响飞行物体的弹道，此外接触式测量方法操作复杂，效率低且无法实现连发测量，已经不能满足现代弹丸的检测要求。目前，使用更多的是非接触式测量方法，测量时弹丸不与靶面接触，因此不影响弹丸飞行速度及姿态，具有效率高，重复性好等优点。常见的有:线圈靶、高速摄影法、GPS测速、天幕靶、光幕靶等。
[0004]I)线圈靶:在外界环境中，很容易受到磁场干扰，影响测速系统的可靠性和稳定性，而且无法对非磁感应材料表面的弹丸进行速度测量。
[0005]2)高速摄影法:根据记录信息判读速度并估算误差，但高速摄影装置属于光机装置，与光电装置相比，体积大、操作繁琐、易震动等问题，而且后续图像处理较复杂。
[0006]3) GPS测速:具有较高的实时性以及单点测速精度，但GPS测速计算复杂，且不适合精度较高的场合。
[0007]4)天幕靶:其优点在于以天幕为背景，系统结构简单，有效靶面大，可以实现非接触、连发、多向的测量。但由于其光源是自然光，因此受环境影响较大，在夜间和阴雨天等自然光较弱的时候无法测量，即使在晴天，弹丸进入天幕靶产生的光变化也很微弱，因此天幕靶的信噪比较低，容易产生误判，尤其是在测量小口径弹丸时会产生漏判。
[0008]5)光幕靶:其优点在于使用激光器作为光源，因此不受环境光的影响，而且系统结构简单稳定。
[0009]天幕靶及光幕靶，其测量的速度都是弹丸经过一段距离的速度平均值，因此弹丸的加速度越大其测量的精度越低。激光多普勒测速法可以实现弹丸瞬时速度的测量，且其测量精度高，尤其适用于加速度较高的弹丸速度测量。但该系统探测体积小，测量时会出现因弹道的偏差而使系统探测失败的情况。
【发明内容】
[0010]为了克服现有技术存在的问题，本发明提出了一种二维点列式激光多普勒速度测量装置，该测量装置利用单频激光器、衍射光栅组及反射镜组构造了一个二维的点列探测区域，可以根据弹丸口径的大小来调整测量点列的间距，实现了探测范围的扩展，解决了单点差动多普勒测速系统在测量时会因弹丸的扰动而无法对准的问题。[0011]本发明提出的一种二维点列式激光多普勒速度测量装置，该装置包括发射模块和接收模块，其中:
[0012]发射模块包括单频激光源I，分光棱镜2、可移动分光片3、透射型衍射光栅5、光栅架6及光栅架移动导轨4、反射镜8、反射镜架9及反射镜架移动导轨7、水平移动台10、旋转台11以及垂直移动导轨12 ；
[0013]透射型衍射光栅5固定在光栅架6上，与光栅架6和光栅架移动导轨4实现动配合，其上下位置可调节；反射镜8固定在反射镜架9上，反射镜架9与反射镜架移动导轨7动配合，反射镜架9上配有定位螺杆可以实现反射镜的俯仰角及左右方位角的调节，一方面使得每组衍射光在同一平面内，另一方面对相交光束的夹角进行微调，使其达到一致；反射镜架移动导轨7固定在旋转台11上，通过旋转台的旋转可以改变光束相交的角度；旋转台11固定于水平移动台10上；水平移动台10置于相互交叉的垂直移动导轨12、水平移动导轨13两个移动导轨上，两个移动导轨固定在装置的底板14上，通过两个移动导轨可以使水平移动台10在一定范围内进行粗调；
[0014]激光束通过分光棱镜2及可移动分光片3产生多束光强近似相等的平行相干光，将这些平行相干光分别投射到相应的透射型衍射光栅5上，产生多组衍射光；调整水平移动台10，使反射镜8接收衍射光，完成初始定位；然后固定水平移动台10并调节旋转台11的角度，使经反射镜8反射的衍射光在空间某一位置相交，形成一二维的探测区；
[0015]接收模块包括接收透镜15、探测器(APD) 16及信号处理模块17，该模块与装置整体分离。
[0016]所述探测区由多组探测体阵列组成，每一组探测体列都由多个探测体构成；，所述探测区的横向z轴探测范围由探测体个数及单个探测体长度决定，同时相邻两探测体有一小部分重叠区；另外，在探测区的纵向y轴相邻两组探测体阵列的间距8要小于被测弹丸截面的直径d。
[0017]所述可移动分光片3可上下移动且具有不同的分光比。
[0018]所述光栅架6、反射镜架9在相应的导轨上进行移动，配合分光片的移动来共同完成探测体阵列组间距的调节。
[0019]与现有技术相比，本发明在不降低系统测量精度的前提下，扩展了探测范围；不但可以实现弹丸瞬时速度的测量，同时还解决了单点差动式多普勒系统测量时因弹道偏差所导致的失对准的问题。此外，单频激光器使得各级衍射光束的发散度得到了有效抑制，同时探测体的分布式结构也使光能得到了有效的利用，从而为实现高精度的远距离探测提供了保障。系统结构的模块化使得整个装置更加稳定、可靠，调节更加方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的结构示意图；
[0021]其中:1、单频激光器,2、分光棱镜,3、可移动分光片,4、光栅架移动导轨,5、透射型衍射光栅，6、光栅架，7、反射镜架移动导轨，8、反射镜，9、反射镜架，10、水平移动台，U、旋转台，12、垂直移动导轨，13、水平移动导轨，14、底板，15、接收透镜，16、探测器，17、信号处理模块；
[0022]图2为系统探测区域点列结构示意图。【具体实施方式】
[0023]下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0024]如图1所示，将整个装置分为发射模块T和接收模块R。
[0025]发射模块T包括单频激光源1，分光棱镜2及可移动分光片3、透射型衍射光栅5、光栅架6及光栅架移动导轨4、反射镜8、反射镜架9及反射镜架移动导轨7、水平移动台10、旋转台11及垂直移动导轨12 ;透射型衍射光栅5固定在光栅架6上，与光栅架6光栅架移动导轨4动配合，其上下位置可根据实际情况调节；反射镜8固定在反射镜架9上，反射镜架9与反射镜架移动导轨7动配合，反射镜架9上配有定位螺杆可以实现反射镜的俯仰角及左右方位角的调节，一方面可以确保每组衍射光在同一平面内，另一方面可以对相交光束的夹角进行微调，使其达到一致；反射镜架移动导轨7固定在旋转台11上，通过旋转台的旋转可以改变光束相交的角度。
[0026]旋转台11固定于水平移动台10上；水平移动台10置于相互交叉的垂直移动导轨12、水平移动导轨13两个移动导轨上，两个移动导轨固定在装置的底板14上，通过两个移动导轨可以使水平移动台10在一定范围内进行粗调；接收模块R包括接收透镜15、探测器(APD) 16及信号处理模块17。
[0027]该装置的工作过程为:
[0028]激光束通过分光棱镜2及可移动分光片3产生多束光强近似相等的平行相干光，将这些平行相干光分别投射到相应的透射型衍射光栅5上，产生多组衍射光。调整水平移动台10，使反射镜8接收衍射光，完成初始定位。然后固定水平移动台10并调节旋转台11的角度，使经反射镜8反射的衍射光在空间某一位置相交，形成一二维的探测区。该探测区由多组探测体阵列组成，其结构如图2所示:每一组点列都由多个探测体构成，其横向(z)探测范围由探测体个数及单个探测体长度决定，同时相邻两探测体有一小部分重叠区，这是为了避免信号丢失。另外，在纵向(y)相邻两组探测体阵列的间距8要小于被测弹丸截面的直径d，如图2中位置Pl所示，探测区域的纵向范围可由图2中位置P2及位置P3确定。因此，这一结构的设计可以保证弹丸在探测区域内任意位置经过时都能够与某一探测体接触，从而解决了单点多普勒系统的探测体与弹丸表面因弹道偏差所导致的失对准的问题。
[0029]接收模块R采用与装置整体分离的形式，这样更加便于散射光的收集，也有利于光路的调整。尤其在探测区域扩展较大的情况下，可以设置两组接收模块对散射光进行独立采集，并将两输出信号分时上传到计算机进行处理，最终选择对比度较好的一个作为测量结果。这样可以有效解决单个接收模块因弹丸弧面不同位置散射而导致的接收光弱的问题。
[0030]可移动分光片3可上下移动且具有不同的分光比，以此来确保入射到光栅组上的平行相干光具有近似相等的光强，同时可根据弹丸的口径对探测区域内点列组间距进行调
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[0031]光栅架、反射镜架可以在相应的导轨上进行移动，从而配合分光片的移动来共同完成探测体阵列组间距的调节。
【权利要求】
1.一种二维点列式激光多普勒速度测量装置，其特征在于，该装置包括发射模块和接收模块，其中: 发射模块包括单频激光源(1)，分光棱镜(2)、可移动分光片(3)、透射型衍射光栅(5)、光栅架(6)及光栅架移动导轨(4)、反射镜(8)、反射镜架(9)及反射镜架移动导轨(7)、水平移动台(10)、旋转台(11以及垂直移动导轨(12)； 透射型衍射光栅(5 )固定在光栅架(6 )上，与光栅架(6 )和光栅架移动导轨(4 )实现动配合，其上、下位置可调节；反射镜(8 )固定在反射镜架(9 )上，反射镜架(9 )与反射镜架移动导轨(7)动配合，反射镜架(9)上配有定位螺杆可以实现反射镜的俯仰角及左右方位角的调节，一方面使得每组衍射光在同一平面内，另一方面对相交光束的夹角进行微调，使其达到一致；反射镜架移动导轨(7)固定在旋转台(11上，通过旋转台的旋转可以改变光束相交的角度；旋转台(11)固定于水平移动台(10)上；水平移动台(10)置于相互交叉的垂直移动导轨(12)、水平移动导轨(13)两个移动导轨上，两个移动导轨固定在装置的底板(14)上，通过两个移动导轨可以使水平移动台(10)在一定范围内进行粗调； 激光束通过分光棱镜(2)及可移动分光片(3)产生多束光强近似相等的平行相干光，将这些平行相干光分别投射到相应的透射型衍射光栅(5)上，产生多组衍射光；调整水平移动台(10 )，使反射镜(8 )接收衍射光，完成初始定位；然后固定水平移动台(10 )并调节旋转台(11)的角度，使经反射镜(8)反射的衍射光在空间某一位置相交，形成一二维的探测区； 接收模块包括接收透镜(15)、探测器(16)及信号处理模块(17)，该模块与装置整体分离。
2.如权利要求1所述的二维点列式激光多普勒速度测量装置，其特征在于，所述探测区由多组探测体阵列组成，每一组探测体列都由多个探测体构成；，所述探测区的横向z轴探测范围由探测体个数及单个探测体长度决定，同时相邻两探测体有一小部分重叠区；另夕卜，在探测区的纵向y轴相邻两组探测体阵列的间距8要小于被测弹丸截面的直径d。
3.如权利要求1或2所述的二维点列式激光多普勒速度测量装置，其特征在于，所述可移动分光片(3)可上下移动且具有不同的分光比。
4.如权利要求3所述的二维点列式激光多普勒速度测量装置，其特征在于，所述光栅架(6)、反射镜架(9)在相应的导轨上进行移动，配合分光片的移动来共同完成探测体阵列组间距的调节。
【文档编号】G01P3/68GK103777034SQ201410031997
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】黄战华, 李秀明, 李翔宇, 龙宁波 申请人:天津大学