基于空间分辨的飞片速度场测量系统及姿态动态表征方法
阅读说明：本技术 基于空间分辨的飞片速度场测量系统及姿态动态表征方法 (Space resolution-based flyer velocity field measurement system and attitude dynamic characterization method ) 是由 刘寿先 李建中 赵新才 叶雁 雷江波 刘俊 袁树云 王荣波 朱礼国 于 2021-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于空间分辨的飞片速度场测量系统及姿态动态表征方法,显微PDV测速探头将多点PDV测速主机出射的激光按预设测点分布穿过透明窗口后投射到飞片表面；显微PDV测速探头收集飞片表面不同测点位置的返回光；多点PDV测速主机产生与飞片运动导致的多普勒频移相对应的光学干涉信号,将光学干涉信号转换成相对应的高频电信号；高宽带数字示波器用于记录多点PDV测速主机输出的高频电信号；数据处理装置用于对电信号进行解析处理,得到不同测点的飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口的界面粒子速度历程。本发明能够同时实现飞片自由面速度及界面粒子速度历程精确测量,实现飞片姿态的连续时间分辨表征。(The invention discloses a flying piece velocity field measuring system based on spatial resolution and a posture dynamic characterization method.A microscopic PDV speed measuring probe distributes laser emitted by a multi-point PDV speed measuring host machine according to preset measuring points, penetrates through a transparent window and then is projected onto the surface of a flying piece; the micro PDV speed measuring probe collects the return light of different measuring point positions on the surface of the flyer; the multi-point PDV speed measurement host generates an optical interference signal corresponding to Doppler frequency shift caused by the movement of the flyer, and converts the optical interference signal into a corresponding high-frequency electric signal; the high-broadband digital oscilloscope is used for recording high-frequency electric signals output by the multi-point PDV speed measurement host; the data processing device is used for analyzing and processing the electric signals to obtain the speed of the free surface of the flyer at different measuring points and the speed history of the interface particles when the flyer impacts the transparent window. The invention can simultaneously realize the accurate measurement of the speed of the free surface of the flyer and the speed process of the interface particles, and realize the continuous time resolution characterization of the attitude of the flyer.)
技术领域
本发明属于火工品性能测试技术领域，具体涉及一种基于空间分辨的飞片速度场测量系统及姿态动态表征方法。
背景技术
冲击片雷管最早由美国劳伦斯-利弗摩尔国家实验室的科研人员Stroud在1976年提出，用桥箔电爆炸驱动飞片起爆低感度炸药，具有对电磁干扰不敏感、可以提供精确时序以及输出稳定压力的优点，因此在军事领域、航空航天、石油、采矿等行业有着非常广泛应用。冲击片雷管能量传递及作用过程主要包含三个紧密联系的阶段：金属桥箔电爆炸、电爆炸等离子体驱动飞片加速和飞片冲击起爆始发药。飞片撞击始发药的姿态（完整性、平面性）、动能（速度场、厚度场分布）是最关键的物理量，它受之前放电回路、桥箔、飞片和炮膛等诸多因素的耦合影响，又决定着是否能够可靠激发始发药，进而引爆后续爆轰序列。为了实现对冲击片雷管的性能表征和优化设计，必须对动作全过程中的飞片姿态进行诊断。由于冲击片雷管尺寸较小（炮膛直径约400-1000 μm，炮膛长度约200-1000 μm），动作时间极短（约200-500 ns），且电爆炸驱动过程复杂，如何表征飞片姿态一直以来都是个难题。
早在1989年，美国LLNL国家实验室的Boberg.R.E就采用扫描相机记录冲击片雷管飞片撞击有机玻璃表面发光时刻来评估飞片的形状。2017年英国AWE实验室的科研人员采用可见光高速摄影技术从迎着飞片运动方向和垂直于飞片运动方向的两个方向进行拍摄飞片形貌及姿态，受限于高速相机5 ns曝光时间导致的动态模糊，以及可见光有限的穿透能力不能区分桥箔电爆炸的等离子和飞片，未能给出定量的飞片速度及姿态定量数据。基于同步辐射源的X光照相技术的进步，使得更好的研究冲击片雷管的飞行过程成为可能。2016年在美国Argonne国家实验室的先进光子源（APS）装置上，科研人员采用具有相对较强穿透能力的X光相衬计算机层析成像技术，首次获得了4个时刻的冲击片雷管飞行过程的飞片弯曲、破裂与拉伸的2D和3D动态图像。X光成像技术是目前在冲击片雷管飞片姿态诊断领域较为成功的技术，其优点是图像直观，以投影成像的方式在一定程度上获得多个时刻的飞片的姿态信息，缺点是这种技术是线积分投影的，在单方向诊断虽然空间分辨较高，但是沿着投影方向信息是重叠在一起的，而如果采用多角度投影并结合计算机层析技术进行三维重建，则对X光源、X光分幅相机等硬件要求极高，否则难以获得高分辨的位置Z(x，y，t)和厚度h(x，y，t)三维数据，另外成像技术只能得到多个时刻飞片的平均速度，无法实现飞片速度历程的连续高精度的测量，对于后续评估飞片撞击始发药的性能是极其不利的。
因此迫切需要发展一种飞片姿态性能动态表征技术，即能够实现飞片姿态定量表征，又具有较高的经济性，服务于冲击片雷管动作过程性能表征，进而满足冲击片雷管动作机理研究、裕度评估及优化设计的需求。
发明内容
本发明提供了一种基于空间分辨的飞片速度场测量系统，能够同时实现飞片自由面速度及界面粒子速度历程精确测量，进而实现飞片完整性、平面性、以及厚度等姿态的连续时间分辨表征。
本发明通过下述技术方案实现：
基于空间分辨的飞片速度场测量系统，包括透明窗口、显微PDV测速探头、多点PDV测速主机、高宽带数字示波器和数据处理装置；
所述透明窗口安装于冲击片雷管组件的炮膛出口处；
所述显微PDV测速探头将所述多点PDV测速主机出射的激光按预设测点分布穿过所述透明窗口后投射到炮膛内的飞片表面；
所述显微PDV测速探头收集飞片表面不同测点位置的返回光并传输给所述多点PDV测速主机；
所述多点PDV测速主机产生与飞片运动导致的多普勒频移相对应的光学干涉信号，将光学干涉信号转换成相对应的高频电信号并将其传输给所述高宽带数字示波器；所述多点PDV测速主机具有匹配所述显微PDV测速探头测点数的测量通道；
所述高宽带数字示波器用于记录所述多点PDV测速主机输出的高频电信号；
所述数据处理装置用于对所述高宽带数字示波器记录的高频电信号进行解析处理，得到不同测点的飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口的界面粒子速度历程以进行飞片姿态表征。
优选的，本发明的透明窗口采用氟化锂、有机玻璃或蓝宝石加工而成。
优选的，本发明的显微PDV测速探头在0.45 mm-0.60 mm炮膛直径内布置7-81个测点，且测点分布要求在炮膛高度范围内不重叠。
优选的，本发明的显微PDV测速探头采用基于透镜阵列的非成像方式或基于单个镜头或者镜头组的成像方式。
优选的，本发明的透明窗口采用氟化锂窗口，窗口厚度为毫米量级，双面镀增透膜。
优选的，本发明的显微PDV测速探头采用紧凑型光纤阵列探头，共分布19个测点，该19个测点能够覆盖桥箔的特征区域。
优选的，本发明的高宽带数字示波器满足所述PDV测速主机测量飞片撞击前速度的带宽和采样率要求。
第二方面，本发明提出了一种飞片姿态动态表征方法，包括：
采用本发明所述的飞片速度场测量系统同时测量得到不同空间位置的飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口界面粒子速度历程；
对不同空间位置的飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口界面粒子速度历程进行时间、空间关联解析，即可得到飞片的姿态信息。
优选的，本发明的对不同空间位置的飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口界面粒子速度历程进行时间、空间关联解析具体包括：
根据飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口界面粒子速度历程得到自由面速度、界面粒子速度、撞击时刻、撞击脉冲宽度；
根据不同空间位置处测点信号的有无来表征飞片的完整性；
根据不同空间位置处飞片撞击透明窗口的时间差来表征飞片的平面性；
根据每个空间位置处的脉冲宽度计算得到此空间位置处的飞片厚度；
根据多个不同空间位置处飞片撞击透明窗口的脉冲宽度来表征不同空间位置处飞片厚度的相对差异。
优选的，本发明的方法还包括：
根据飞片的完整性、平面性、飞片厚度、飞片厚度的相对差异重构飞片撞击透明窗口时的三维姿态。
本发明具有如下的优点和有益效果：
相较于X光成像技术相对直观但不够定量的诊断方式，本发明采用显微PDV测速探头进行空间分辨的速度场测量，采用透明窗口作为目标，可同时实现飞片自由面速度及界面粒子速度历程精确测量，进而得到界面粒子速度起跳时间、界面粒子速度大小及撞击脉冲宽度，从而表征飞片撞击时刻、飞片撞击压力、飞片撞击脉冲宽度等关键物理量信息。
相较于X光成像技术，本发明的实验成本低、周期短。
本发明基于空间分辨的自由面速度和界面粒子速度历程测量结果的分析解读，实现飞片完整性、平面性、以及厚度的连续时间分辨表征，进而实现冲击片雷管飞片姿态真正意义上的三维的、定量的表征。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的测量系统原理框图。
图2为本发明的测量光路布局示意图。
图3为本发明的测速光斑分布示意图。
图4为本发明的测速光斑分布实测图。
图5为本发明测量得到的飞片自由面全速度历程示意图。
图6为本发明测量得到的飞片界面粒子速度历程示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-底座，2-桥箔，3-飞片，4-炮膛，5-透明窗口，6-显微PDV测速探头，7-激光，8-测点。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种基于空间分辨的飞片速度场测量系统，包括透明窗口5、显微PDV（Photonic Doppler Velocimeter，光子多普勒测速仪）测速探头、多点PDV测速主机、高宽带数字示波器和数据处理装置。
其中，透明窗口5安装于冲击片雷管组件的炮膛4出口处。
本实施例的透明窗口5用于取代真实冲击片雷管组件中的始发药，模拟飞片撞击始发药的过程，可以采用氟化锂、有机玻璃、蓝宝石等材料加工而成。
显微PDV测速探头将多点PDV测速主机出射的激光按需（按照预设的光斑分布）穿过透明窗口5后投射到炮膛4内的飞片3表面；并收集飞片3表面的返回光再传输回多点PDV测速主机。
本实施例的显微PDV测速探头进行空间分辨的速度场测量，根据实际需要可以在0.45 mm-0.60 mm炮膛直径内布置7-81个测点，实现极高空间分辨测量,。显微PDV测速探头的实现方式包括但不限于基于透镜阵列的非成像方式或基于单个镜头或者镜头组的成像方式。
多点PDV测速主机，基于光学多普勒效应，产生与飞片3运动导致的多普勒频移相对应的光学干涉信号，并将光学干涉信号转换成相对应的高频电信号，且具有匹配显微PDV探头测点数的测量通道。
高宽带数字示波器用于记录多点PDV测速主机输出的高频电信号，本实施例的高宽带数字示波器满足PDV测速主机测量飞片撞击前速度的宽带和采样率要求。
数据处理装置用于对高宽带数字示波器记录的高频电信号进行处理，得到不同测点的飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口4的界面粒子速度历程（与空间位置相关联的自由面速度及界面粒子速度），通过对不同测点速度历程的关联解读，给出飞片完整性、平面性、速度场及厚度场等姿态信息，还可输出飞片飞行加速过程的动画。
本实施例的测量系统工作原理具体为：
多点PDV测速主机出射激光，其经过光纤传递到显微PDV测速探头上，显微PDV测速探头将激光按照预设的光斑分布穿过透明窗口后投射到炮膛内的飞片表面；冲击片雷管组件动作时其桥箔2电爆炸产生等离子驱动飞片3在炮膛4内运动，飞片3会撞击到炮膛4出口的透明窗口5上，显微PDV测速探头投射到飞片3上的激光在飞片3运动且撞击到透明窗口5上时会导致激光的返回光发生多普勒频移，返回光被显微PDV测速探头收集后再由光纤传递回多点PDV测速主机，在多点PDV测速主机内形成的干涉信号由测速主机内的光电探测器转换成高频电信号；该高频电信号经过高频电缆传递到高宽带数字示波器记录；高宽带示波器记录的多个测点的高频电信号数据文件通过在线或离线方式传递到数据处理装置，由数据处理装置对这些高频电信号进行处理，给出速度历程、飞片完整性、平面性、厚度场等姿态信息以及动画。
实施例2
本实施例采用上述实施例1提出的测量系统同时测量炮膛内飞片自由面速度和飞片撞击透明窗口界面粒子速度。
本实施例采用氟化锂（LiF）窗口，将其安装在炮膛出口处，窗口厚度为毫米量级，例如约4mm，双面镀1550 nm增透膜，以提高PDV测速信号的信噪比。
在氟化锂窗口上方布置具有空间分辨能力的显微PDV测速探头，本实施例的显微PDV测速探头采用紧凑型光纤阵列探头，实验布局如图2所示，其测速光斑分布如图3所示，在炮膛内共分布19个测点，且该19个测点在炮膛高度范围内不重叠，正中心1个测点，第一圈半径为R1=100μm分布6个测点，第二圈半径为R2=200μm分布12个测点，R1和R2可以根据桥箔尺寸及炮膛直径调整，基本覆盖桥箔的特征区域，在一定程度上已经能够满足PDV飞片速度场时空分辨测量需求。在另外的优选实施例中，根据测量过程中所关注特征位置的变化，可以相应的改变光斑分布结构、光斑数量等。
如图4所示，本实施例采用红外相机对所研制的光纤探头光斑分布进行测量，通过调整探头与红外相机感光面的距离，可以得到光斑分布随靶面距离不同而变化的光斑图像，其结果表明在约0.4 mm炮膛高度范围内，光斑直径介于30-60μm之间，相互间不重叠，避免了各测点间PDV测速干涉信号的相互串扰。
本实施例采用3台多点PDV测速主机，每台多点PDV测速主句包括8个通道，实验共使用19个通道（对应19个测点），配套数字示波器共5台，每台数字示波器的宽带≥5GHz，采样率≥20GSa/s。
本实施例通过上述系统测量得到的飞片自由面速度及界面粒子速度频谱分别如图5和图6所示，从图5和图6可以看出，当飞片撞击到LiF窗口上时速度曲线存在明显跳变。通过对速度谱图进行处理，可以得到飞片在炮膛内飞行及撞击窗口的速度历程，并进一步解读出每一个测点位置飞片撞击时刻的自由面速度、撞击时刻、撞击脉冲宽度（飞片自由面速度可以反映出飞片加速过程。飞片撞击透明窗口的界面粒子速度可以判读出撞击时刻、撞击脉冲宽度等信息）。
基于撞击窗口（即LiF窗口）材料选定时所产生的加载脉冲宽度由飞片厚度及飞片撞击窗口的界面粒子速度（或飞片撞击速度）共同决定的机理，本实施例在获得飞片速度（或界面粒子速度）时，就可以根据脉冲宽度来表征飞片厚度。
本实施例通过在飞片表面上布置足够多的测点，则可实现不同空间位置的自由速度历程和界面粒子速度历程的测量，对这些数据进行时间、空间维度上的关联分析解读，则可以得到飞片完整性、平面性等姿态信息。
以不同空间位置处测点信号的有无来表征飞片的完整性（飞片的有效面积）；以各测点飞片撞击透明LiF窗口的时间差来表征飞片的平面性（碰撞面的形状）；以各测点飞片撞击LiF窗口的脉冲宽度来表征飞片厚度的相对差异（碰撞面到驱动面之间的厚度）。假定飞片没有层裂、分层等现象，则可以据此重构处飞片撞击前的三维姿态。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。