测量角度对激光干涉测速的影响分析

　　0　引言

　　任意反射面激光干涉测速系统(VelocityInterferometer System for Any Reflector,VISAR)及其技术,经过最初的发明[1]到大量的推广,逐渐成熟,目前已经广泛应用于冲击波物理与爆轰物理研究领域,可对高速运动事件进行非接触的连续性测试,研究冲击与爆轰状态下材料的动态特性[2-5],并大量应用于相关研究工作中,如氢气炮实验[6-7]、爆轰实验[8]、内弹道测量、电炮测试[9-10]等,为相关课题研究提供了大量翔实的实验数据.

　　随着研究的深入,对测试结果的精度提出了越来越高的要求.本文从测试系统中的光纤探头入手,就光纤探头测试角度对测试的影响进行了分析讨论,并结合分析设计了实验,实验结果与理论预期吻合.

　　1多普勒频移与入射角和反射角的关系

　　光源O、运动靶P和静止的光检测器S之间的相对位置如图1.照射光的频率为fo,靶P的运动速度矢量为U,fS是散射光的频率,es是散射光单位向量,eo是入射光单位向量,则有[11]

　　2　激光干涉测速中几种测量角度分析

　　2.1　垂直入射/垂直测量对测量结果的影响

　　实际应用中这种情况较多,也是实验者设计时追求的,如图2.照明光源照射的是靶上的一个质点,该质点在靶上没有横向的运动,测量的结果可以较好地代表靶的整体运动速度.此时,es=-eo,U与(es-eo)之间的夹角为零度,则式(3)可写为

　　W = U

　　由于测量方向与靶运动方向一致,因而,测量到的速度W即是靶的运动速度U.

　　2.2　斜入射/斜探测(同侧)对测量结果的影响

　　如图3,此时,之间的夹角为θ,则式(3)可写为

　　式中,由于cosθ<1,因而,探测器测量到的速度W比靶的运动速度U小.图4是根据上式绘制的W/U随θ变化的曲线.由图可见,在θ<8°的情况下,探测器测量到的速度W与靶的运动速度U的偏差可以控制在1%以内.

　　2.3　垂直入射/斜探测对测量结果的影响

　　如图5.此时,U与eo在同一直线上(反向),es与eo之间的夹角为θ,则式(3)可写为

　　与2.3节不同的是,随着靶的运动,θ也随之变化,且越来越大,因而探测器测量到的速度W也比真实的U越来越小,二者偏离的幅度与探测器的摆放位置和测量距离有关.

　　以激光干涉测速中的实际应用进行估算.初始时刻,探测器(光纤探头)一般放在偏离靶面法线方向约10 mm的横向位置,距离靶80 mm,其能测量的最近工作距离约在50 mm,则初始时刻cosθ=cos (arctan (10/80))=0.992,W =0.996U,最近工作距离时cosθ=cos (arctan (10/50)) =0.981,W =0.991U,偏差都在1%以内.