用于弹丸速度测量的激光多普勒测速技术研究

摘要

随着兵器工业的快速发展，现代工程测试技术在武器性能参数的评估与检验中扮演着重要的角色。在火炮研制过程中，对其出膛速度的精确测量，不但能为弹道研究提供可靠的数据，而且还能对武器的毁伤效果给出准确的评估。现有的测速方式(如区间测速、雷达测速系统等)中存在平均误差、远距离失对准等缺点，已经不能满足高精准武器日益发展的需求。激光多普勒测速系统具有高精度、动态响应快、测量范围广、空间分辨率高以及非接触测量等优点，已成为速度测量技术领域的重要发展方向。
　　论文分析了已有弹丸速度测量方式中的不足，考虑将激光多普勒测速技术应用于弹丸测速系统中，并从实际工程应用的角度出发，对运动固体表面的激光多普勒测速技术进行了研究，进而阐明了多普勒系统用于弹丸速度测量的可行性。
　　介绍了激光多普勒测速的基本原理及多普勒频移的检测方式。比较并分析了四种常见多普勒测量光路的主要特点，选择了双光束差动模式作为基本光路；利用光波的(夫琅禾费)衍射理论，分析了固体散射表面在运动过程中多普勒信号产生及变化过程，并在此基础上研究了固体表面上散射光斑大小与信号对比度之间的关系；利用条纹模型、随机散射原理建立了数学模型，对运动固体表面的多普勒信号进行了模拟，并通过数值计算分析了探测体内粒子数量与信号对比度之间的关系，通过对比表明数值计算与衍射分析的结果一致；在此基础上，分别设计了扩展光束型激光多普勒测速系统和点列式激光多普勒测速系统，解决了差动系统中因弹体偏移导致的探测失效问题；分析并设计了信号预处理硬件电路。
　　设计了FIR型动态频带滤波器，提高了输出多普勒信号的信噪比；对已有的信号处理方法进行了优化，即将自相关函数谱用于频谱细化和频谱校正算法中，既解决了进行 FFT分析时测量精度不高的问题，同时又提高了校正算法的可靠度；对激光多普勒测速系统中存在的误差进行了简要分析，并针对不同测量情况提出了减小和控制误差的相应措施。
　　进行了扩展光束型激光多普勒测速系统测量转盘切向速度的实验，并将测量结果与转盘基准速度相比较，扩展系统平均测量精度优于1.4％；分别搭建了一维和二维点列式激光多普勒测速装置并进行了速度测量实验，将测量结果与基准速度进行比较，点列式测速系统的平均测量精度分别为1.52%和0.98%；针对二维点列式激光多普勒测速系统，进行了弹丸速度的模拟测量实验；综合以上实验结果表明本文所设计的激光多普勒系统用于弹丸速度测量是潜在可行性。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 固体表面速度测量的光学检测方法

1.3 激光多普勒测速技术的基本原理

1.4 激光多普勒测速技术的研究概况与国内外发展现状

1.5 论文的结构安排

第二章 用于弹丸速度测量的激光多普勒测速系统设计

2.1 激光多普勒测速结构的基本模式

2.2 双光束差动模式下固体表面多普勒信号的研究

2.3 多普勒测速系统的光学结构设计

2.4 多普勒信号预处理电路设计

2.5 本章小结

第三章 多普勒信号处理系统研究及误差分析

3.1 信号处理系统概述

3.2 窄带滤波器的设计

3.3 数字相关处理技术

3.4 快速傅里叶变换

3.5 频谱细化技术

3.6 频谱校正技术

3.7 信号仿真分析

3.8 系统误差分析

3.9 本章小结

第四章 激光多普勒测速实验研究

4.1 扩展光束系统测速实验研究

4.2 一维点列式系统测速实验研究

4.3 二维点列式系统测速实验研究

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文研究的主要内容和创新工作

5.2 展望

参考文献

发表论文及科研情况说明

致谢