一种太赫兹波多普勒干涉测量仪及方法

摘要

本发明涉及测试领域，尤其是涉及一种太赫兹波多普勒干涉测量仪及方法。本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种干涉测量仪及方法。本发明包括参考光调节装置、目标探测装置及数据处理装置等，其通过THz滤波器对THz波分束器处理后的干涉信号滤波，并将滤波后的干涉信号通过THz波探测器探测；然后通过示波器记录THz波探测器输出的信号，最后通过处理器对示波器获取数据进行分析处理，得到目标靶相对干涉仪运动的距离与速度。本发明采用的太赫兹波波长比烟尘颗粒要大，因此对烟尘具有较好的穿透性。与微波相比太赫兹波波长较短，因此具有位移分辨率高的优点。另外，干涉条纹频率较低，可有效降低所需探头及示波器的带宽。

说明书

技术领域

本发明涉及测试领域，尤其是涉及一种太赫兹波多普勒干涉测量仪及方法。

背景技术

炮弹在膛内的速度、加速度以及弹底压力是火炮及炮弹发射系统设计的 关键参数，对于发展内弹道理论、研究新型火炮和轻武器以及对武器进行校验 等具有重要的意义。确定弹丸在膛内连续运动时弹道参数的主要实验技术有微 波干涉测量技术和激光干涉测速技术。微波干涉技术受限于微波本身的波长 (厘米级或毫米级)，当被测弹丸的速度较小时，如弹丸在挤进段的运动，由 于弹丸的速度较低，运动距离较小，微波干涉测量结果的不确定度相对较大。 激光干涉测量技术是以激光为信息载体的测量系统，能以较高的速度分辨率连 续测量炮弹从起飞到出炮口的速度历程，进而得到位移、加速度及弹底压力， 为火炮和炮弹发射系统的设计与检测提供重要的实验参数，具有广泛的应用前 景。但是激光干涉测量技术易受炮管内烟尘的影响，往往会在弹丸运动中段由 于烟尘遮挡而丢失位移信息。而且该技术采用红外(1550nm)激光或者可见光 作为光源，干涉信号的频率较高(例如速度2km/s的干涉信号需要示波器带宽 ≥2.6GHz)，对示波器带宽及采样率具有很高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提出了一种用于测 量物体运动速度及位移的太赫兹波多普勒干涉测量仪及方法。THz波光源装置、 THz波分束器、参考光调节装置、目标探测装置以及数据处理装置，用于通过 THz滤波器对THz波分束器处理后的干涉信号进行滤波，并将滤波后的干涉信 号通过THz波探测器探测；然后通过示波器记录THz波探测器输出的信号，最 后通过处理器对示波器获取数据进行分析处理，得到目标靶朝向干涉仪运动的 距离与速度。

本发明采用的技术方案如下：

一种太赫兹波多普勒干涉测量仪包括：

THz波光源装置，用于产生太赫兹光；

THz波分束器，用于将太赫兹光反射为参考光，同时透射为信号光；并将参考 光调节装置调节并反射的参考光与目标探测装置调节并反射的信号进行合成， 形成干涉信号；

参考光调节装置，用于对THz波分束器产生的参考光进行全反射处理；

目标探测装置，用于通过移动的目标靶反射处理后信号光；

数据处理装置，包括THz滤波器、THz波探测器、示波器以及处理器；用于通 过THz滤波器对THz波分束器处理后的干涉信号进行滤波，并将滤波后的干涉 信号通过THz波探测器探测；然后通过示波器记录THz波探测器输出的信号， 最后通过处理器对示波器获取数据进行分析处理，得到目标靶朝向干涉仪运动 的距离与速度；数据处理装置处理过程为：

具体处理过程包括：

步骤1：示波器记录由THz波探测器输出的电压值V(T)，所述V(T)幅值正 比于THz干涉信号功率，且满足：

通过短时傅里叶变换，对公式(1)进行处理，得到多普勒频移f_d(t)；其中A 代表干涉信号直流分量，B代表干涉信号交流分量幅度，且有A＝V_r+V_s， 其中V_r和V_s分别为与参考光功率和信号光功率成正比的电压值，为目标靶未启动时的0时刻参考光和信号光的位相差，所述相位差由参考光与 信号光的初始光程差决定，λ为THz光源波长；所述目标靶为朝向干涉测量仪 的单向运动；其中多普勒频移f_d(t)是当目标靶以速度u(t)运动时，其反射回来 的光(太赫兹波)的频率f会由于多普勒效应发生变化，其频率变化量；

步骤2：根据多普勒频移f_d(t)和目标靶速度u(t)的关系得到目标 速度u(t)；

步骤3：利用目标板位移L(T)和速度u(t)的关系得到目标靶总位 移。

进一步的，所述THz波光源装置包括用于发射连续太赫兹波的THz波发生 器以及防止太赫兹波反射或后向散射光返回的隔离器；所述隔离器至于THz波 产生器及THz分束器之间。

进一步的，所述参考光调节装置包括：

THz全反射镜，用于将THz分束器反射出作为参考光的太赫兹波反射；

THz可调衰减器，用于将THz全反射镜反射回的太赫兹波通过THz分束器 进入THz探测器。

进一步的，所述目标探测装置包括THz扩束器、Thz偏振器以及THz波准 直及收集器；

THz扩束器，用于将THz波分束器投射后的信号光进行扩束，以及对THz波准 直及收集器返回的信号光进行缩束并收集；

THz偏振器，用于将THz扩束器扩束后的信号光进行偏振态调节；以及将THz 波准直及收集器反射回的信号光进传递给THz扩束器；

THz波准直及收集器，用于对THz扩束器处理后的信号光进行准直调节，以及 对目标靶返回的信号光进行收集。

进一步的，所述数据处理装置还包括；用于减少杂散光干扰干涉信号的THz 波汇聚透镜；所述THz波产生器还包括用于对太赫兹波光束进行准直，减小光 束发散角的准直透镜，所述准直透镜放置于THz波产生器与隔离器之间。

一种太赫兹波多普勒干涉测量方法包括

步骤1：通过THz波产生装置产生太赫兹光；经过THz波分束器将太赫兹光反 射为参考光，同时透射为信号光；并将参考光调节装置调节并反射的参考光与 目标探测装置调节并反射的信号进行合成，形成干涉信号；

步骤2：通过参考光调节装置对THz波分束器产生的参考光进行全反射处理； 同时目标探测装置通过移动的目标靶反射处理后信号光；THz分束器将参考光 调节装置调节并反射的参考光与目标探测装置调节并反射的信号进行合成，形 成干涉信号；

步骤3：通过数据处理装置的THz滤波器对THz波分束器处理后的干涉信号进 行滤波，并将滤波后的干涉信号通过数据处理装置的THz波探测器探测；然后 通过数据处理装置的示波器记录THz波探测器输出的信号，最后通过数据处理 装置的处理器对示波器获取数据进行分析处理，得到目标靶朝向干涉仪运动的 距离与速度；

具体处理过程包括：

步骤31：示波器记录由THz波探测器输出的电压值V(T)，所述V(T)幅值正 比于THz干涉信号功率，且满足：

通过短时傅里叶变换，对公式(1)进行处理，得到多普勒频移f_d(t)；其中A 代表干涉信号直流分量，B代表干涉信号交流分量幅度，且有A＝V_r+V_s， 其中V_r和V_s分别为与参考光功率和信号光功率成正比的电压值，为目标靶未启动时的0时刻参考光和信号光的位相差，所述相位差由参考光与 信号光的初始光程差决定，λ为THz光源波长；所述目标靶为朝向干涉测量仪 的单向运动；其中多普勒频移f_d(t)是当目标靶以速度u(t)运动时，其反射回来 的光(太赫兹波)的频率f会由于多普勒效应发生变化，其频率变化量； 步骤32：根据多普勒频移f_d(t)和目标板速度u(t)的关系得到目 标速度u(t)；

步骤33：利用目标板位移L(T)和速度u(t)的关系得到目标靶总位 移。

进一步的，所述THz波光源装置包括用于发射连续太赫兹波的THz波发生 器以及防止太赫兹波反射或后向散射光返回的隔离器；所述隔离器至于THz波 产生器及THz分束器之间。

进一步的，所述参考光调节装置包括：

THz全反射镜，用于将THz分束器反射出作为参考光的太赫兹波反射；

THz可调衰减器，用于将THz全反射镜反射回的太赫兹波通过THz分束器 进入THz探测器。

进一步的，所述目标探测装置包括THz扩束器、Thz偏振器以及THz波准 直及收集器；

THz扩束器，用于将THz波分束器投射后的信号光进行扩束，以及对THz波准 直及收集器返回的信号光进行缩束并收集；

THz偏振器，用于将THz扩束器扩束后的信号光进行偏振态调节；以及将THz 波准直及收集器反射回的信号光进传递给THz扩束器；

THz波准直及收集器，用于对THz扩束器处理后的信号光进行准直调节，以及 对目标靶返回的信号光进行收集。

进一步的，所述数据处理装置还包括；用于减少杂散光干扰干涉信号的THz 波汇聚透镜；所述THz波产生器还包括用于对太赫兹波光束进行准直，减小光 束发散角的准直透镜，所述准直透镜放置于THz波产生器与隔离器之间。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

目前基于多普勒频移技术的干涉测量仪所采用光源一般为可见光、红外光 或者微波。在内弹道炮弹速度测量应用中，炮管内会存在烟尘。采用微波进行 测量，可以有效穿透烟尘的阻挡，但由于受到波长较长的限制，其测量位移分 辨率较低。而采用可见光或红外光进行测量，虽然其位移分辨率较高，但由于 可见光和红外光无法穿透烟尘，因而会造成信号丢失，测量失败。另外采用可 见光或红外光进行干涉测量，其干涉频率往往在1GHz以上，对探头及示波器 所需的带宽要求也极高。

本发明所采用的光源为太赫兹波，这是一种频率处在0.1THz-30THz (1THz＝1×10¹²Hz，对应波长为300μm)范围内的电磁波。相对于微波，本发 明采用的太赫兹波波长较短，因此具有位移分辨率高的优点。而且由于太赫兹 波波长比烟尘颗粒要大，因此对烟尘具有较好的穿透性。另外，干涉信号的频 率较低，可有效降低所需探头及示波器的带宽。

本发明通过利用太赫兹波作为光源，基于多普勒干涉原理对目标靶的移动 进行精确的测量，且具有可有效穿透烟雾环境、带宽低的优点。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1本发明结构示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互 相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除 非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非 特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

工作原理：太赫兹源产生器发射的连续太赫兹辐射首先经准直透镜进行准 直，主要目的是减小光束发散角，改善其方向性。准直后的太赫兹波接着经过 一个隔离器，主要目的是为了防止光路中反射或后向散射光返回进太赫兹光源， 对其功率或频率等进行干扰，从而影响测量结果。然后由一块THz分束镜将太 赫兹波分为两束，其中反射的一束作为参考光，透射的一束作为信号光。参考 光垂直入射到THz全反射镜上进行反射，并经THz分束镜透射后入射到太赫兹 波探测器上。在THz全反射镜和THz分束镜之间加了一个可调衰减器，目的是 根据实际情况平衡信号光和参考光的功率，以尽量减少由于干涉的两束光光强 不同造成的干涉条纹对比度下降。信号光在从干涉测量仪(本发明)出射前要 先进行准直，这可通过THz波扩束器(两块透镜)组合来实现，THz波扩束器 中的两个透镜具体参数要根据测量目标的距离来确定。另外，为保持太赫兹波 的偏振态，需要在干涉测量仪(本发明)出射口加一块THz起偏器。最后，在 目标靶前，还需要一个THz波准直及收集器(两个透镜组合)来实现太赫兹波 的聚焦和收集反射回的太赫兹波。另外，为使合束后的干涉信号更好得被探测 器记录，在THz分束器和THz探测器之间加了一块THz汇聚透镜，为减少杂散 光对测量结果的影响，并在探测器前加了一个太赫兹滤波器。从THz探测器输 出的与干涉信号对应的电压值变化由示波器显示并记录，最后信号存储在计算 机上，并利用时频分析或相位处理的方法进行干涉信号处理，得到目标靶的位 移或速度随时间的变化。

一、太赫兹波干涉测量仪的具体包括：

太赫兹波光源，准直透镜，隔离器，THz分束器，THz可调衰减器，THz 全反射镜，THz波扩束器，THz波偏振器，THz波准直器与收集器，目标靶，THz 波探测器，示波器，计算机。结构示意图如图1所示。

THz波光源：发射出某一频率的连续太赫兹波。

准直透镜：对太赫兹波光束进行准直，减小光束发散角，改善其方向性。

隔离器：防止光路中太赫兹波的反射或后向散射光返回进太赫兹光源，对 其功率或频率等进行干扰，从而影响测量结果。

THz分束器：将THz波分为两束，其中反射的一束作为参考光，透射的一 束作为信号光。

THz全反射镜：用于将作为参考光的太赫兹波反射进入THz波探测器。

THz可调衰减器：对透过其的太赫兹波参考光的功率进行调节。

THz波扩束器：将作为信号光的THz波进行扩束。

THz波偏振器：用于保持太赫兹波的偏振态。

THz波准直与收集器：用于对信号光从干涉仪出射前的准直，以及从目标 靶返回的信号光的收集。

THz波探测器：用于探测THz波的光强。

示波器：记录THz波探测器输出的信号。

计算机：用于示波器获取数据的记录及后期分析。

二、测量原理：

1、基本知识

1.1速度以u(t)表示，位移以L(t)表示。二者的关系为

$u\left(t\right)=\frac{dL\left(t\right)}{dt}=\frac{L(t+\Delta t)-L\left(t\right)}{\Delta t}---\left(0.1\right)$

其中第二个等号为微分的定义。位移与速度的关系还可以表示为积分的形式

$L\left(t\right)={\int }_0^{t}u\left(y\right)dy---\left(0.2\right)$

其中y代表积分式中的时间变量。上面两个式子表明，速度与位移只要知道其 中一个，就可以通过微分或者积分的形式计算出另一个。

1.2一束光(如太赫兹波，设频率为f₀，波长为λ，c＝λf₀为光速)照射 到目标靶上，当目标靶以速度u(t)运动时，其反射回来的光(太赫兹波)的频 率f会由于多普勒效应发生变化，其频率变化量称为多普勒频移，与目标靶的 运动速度成正比：

$f_d\left(t\right)=f-f_0=\frac{2u\left(t\right)}{\lambda }---\left(0.3\right)$

1.3若有一束参考光与从目标靶反射回来的信号光(此处即是太赫兹波) 进行干涉，在示波器上记录得到的电压信号将是如下形式：

其中V_r,V_s分别是与参考光功率和信号光功率成正比的电 压值，为目标靶未启动时的0时刻参考光和信号光的位相差。

2、数据处理方法

已知量：干涉信号V(t)，太赫兹波波长λ，太赫兹波频率f₀

求解：速度u(t)，位移L(t)

求解过程：1)将曲线V(t)按时间分成许多小段，通过短时傅里叶变换，得 到f_d(t)；

2)利用多普勒频移与速度的关系，即公式(1.3)，便可得到目标靶速度u(t)；

3)得到速度u(t)后，利用公式(1.2)便可得到目标靶总位移L(t)。

三、测量方法包括

步骤1：通过THz波产生装置产生太赫兹光；经过THz波分束器将太赫兹 光反射为参考光，同时透射为信号光；

步骤2：通过参考光调节装置对THz波分束器产生的参考光进行全反射处 理；

同时目标探测装置通过移动的目标靶反射处理后信号光；THz分束器将参 考光调节装置调节并反射的参考光与目标探测装置调节并反射的信号进行合 成，形成干涉信号；

步骤3：通过THz滤波器对THz波分束器处理后的干涉信号进行滤波，并将滤 波后的干涉信号通过THz波探测器探测；然后通过示波器记录THz波探测器输 出的信号，最后通过处理器对示波器获取数据进行分析处理，得到目标靶朝向 干涉仪运动的距离与速度；具体处理过程包括：

步骤31：示波器记录由THz波探测器输出的电压值V(T)，所述V(T)幅值正 比于THz干涉信号功率，且满足：

通过短时傅里叶变换，对公式(1)进行处理，得到多普勒频移f_d(t)；其中A 代表干涉信号直流分量，B代表干涉信号交流分量幅度，且有A＝V_r+V_s， 其中V_r和V_s分别为与参考光功率和信号光功率成正比的电压值，为目标靶未启动时的0时刻参考光和信号光的位相差，所述相位差由参考光与 信号光的初始光程差决定，λ为THz光源波长；所述目标靶为朝向干涉测量仪 的单向运动；其中多普勒频移f_d(t)是当目标靶以速度u(t)运动时，其反射回来 的光(太赫兹波)的频率f会由于多普勒效应发生变化，其频率变化量；

步骤32：根据多普勒频移f_d(t)和目标板速度u(t)的关系得 到目标速度u(t)；

步骤33：利用目标板位移L(T)和速度u(t)的关系得到目标靶 总位移。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露 的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的 组合。