一種基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統和方法與流程

本發明屬于測量技術領域，尤其涉及一種基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統和方法。

背景技術：

制導精度是反導武器系統的核心指標，制導精度評定需要獲取每次有效攔截試驗的制導誤差數據，獲取其制導誤差的關鍵是測出飛行器被攔截撞擊的準確部位，結合攔截器和飛行器的速度、姿態信息，可以解算出穿過撞擊點的相對速度矢量到目標彈頭形心的距離，即制導誤差。因此，高精度的撞擊部位測量在高速飛行器攔截試驗中具有廣泛的應用需求，可為反導武器系統制導精度和毀傷效果評估提供了關鍵技術支撐。由于飛行器具有一定的飛行高度，在遭受攔截器毀滅性撞擊時飛行器距離地面遙測站較遠，且高速撞擊能量大導致飛行器生存時間短，采用傳統的遙測或光測的方式只能定性的判斷是否攔截成功，而無法實現撞擊部位的準確測量。為了實現對飛行器的撞擊部位精準的定量測量，通常需要在飛行器上搭載撞擊部位測量系統，在毀滅性高速撞擊瞬間獲取飛行器被撞擊部位的信息，并及時存儲或借助高速遙測實時下傳。

國內外靶場現有較為先進的測量手段在高空超高速碰撞條件下均難以實現厘米級撞擊部位測量，如光測多站同幀畫幅脫靶量測量系統，在觀察斜距300km時，精度大約為3m，觀察斜距更遠時精度進一步下降；無線電步進頻寬帶脫靶量測量系統在不考慮體效應的情況下測量精度大約為0.3m；高重頻窄脈沖激光測距脫靶量測量系統在不考慮體效應的情況下測量精度約為0.2m；由于這些方法響應時間過長，因此不適用于遠距離攔截碰撞測量。此外，新興的撞擊部位測量系統如電網格靶線撞擊點測量系統和多點超聲波撞擊點測量系統響應時間均在十毫秒級，均無法在最短約十微秒的系統生存時間內完成厘米級撞擊部位測量任務，且易受電磁干擾，嚴重影響測量效果，甚至導致測量失敗。而且，現有的測量方案還存在器件多、結構復雜和成本較高的問題。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統和方法，避免了撞擊過程中產生的電磁干擾對測量過程的影響，同時利用光電高速轉換特性，適應毀滅性撞擊條件下的測量需求，提升了響應速度，簡化了系統結構，降低了系統成本。

為了解決上述技術問題，本發明公開了一種基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統，所述系統包括：光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、傳感光纖、第一探測器、第二探測器和處理器；

光源輸出第一光信號；

第一耦合器對所述第一光信號進行耦合處理，得到第二光信號和第三光信號，將所述第二光信號輸入至所述第二耦合器，將所述第三光信號輸入至所述第三耦合器；

傳感光纖的一端與所述第二耦合器的輸出端連接，傳輸所述第二耦合器輸出的第二光信號；傳感光纖的另一端與所述第三耦合器的輸出端連接，傳輸所述第三耦合器輸出的第三光信號；其中，所述傳感光纖設置在待測對象的測試區域；

第一探測器對經由所述傳感光纖傳輸、通過所述第二耦合器返回的第三光信號進行探測，根據探測結果輸出第一電壓信號；

第二探測器對經由所述傳感光纖傳輸、通過所述第三耦合器返回的第二光信號進行探測，根據探測結果輸出第二電壓信號；

處理器根據所述第一電壓信號和所述第二電壓信號，確定所述待測對象的受撞擊部位。

在上述基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統中，處理器根據所述第一電壓信號和所述第二電壓信號，確定所述待測對象的受撞擊部位，包括：處理器根據第一電壓信號和第二電壓信號分別確定第一電壓的下降沿對應的第一響應時間和第二電壓的下降沿對應的第二響應時間；根據所述第一響應時間和所述第二響應時間的差值，結合設置的傳感光纖總長度確定傳感光纖的斷裂位置；根據確定的傳感光纖的斷裂位置和傳感光纖在待測對象的測試區域的設置位置，確定所述待測對象的受撞擊部位。

在上述基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統中，處理器根據所述第一響應時間和所述第二響應時間的差值，結合傳感光纖長度確定傳感光纖的斷裂位置，包括：處理器根據如下公式確定傳感光纖的斷裂位置：其中，L為設置在待測對象的測試區域的傳感光纖總長度，l為傳感光纖的斷裂位置距離第二耦合器的長度，Δt為所述第一響應時間和所述第二響應時間的差值，c為光在真空中的傳播速度，n為傳感光纖纖芯的折射率。

在上述基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統中，所述傳感光纖呈Z型、按照設定間隔距離設置在所述待測對象的測試區域。

在上述基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統中，光源為激光光源或發光二級管LED光源；第一探測器和第二探測器為PIN_FET探測器，或，為雪崩光電二極管APD探測器；第一探測器和第二探測器的響應帶寬為1MHz～100GHz。

在上述基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統中，當傳感光纖為單模光纖時，第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器為單模光纖耦合器；當傳感光纖為多模光纖時，第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器為多模光纖耦合器。

在上述基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統中，所述系統為一個或多個；其中，當所述系統為兩個時：第一系統中的第一傳感光纖與第二系統中的第二傳感光纖橫縱交錯、呈網格狀設置在待測對象的測試區域。

相應的，本發明還公開了一種基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量方法，所述方法包括：

接收光源輸出的第一光信號；

通過第一耦合器對所述第一光信號進行耦合處理，將耦合得到的第二光信號輸入至第二耦合器，將耦合得到的第三光信號輸入至第三耦合器；

通過第一探測器對由第三耦合器輸入、經傳感光纖傳輸、并通過第二耦合器返回的第三光信號進行探測，根據探測結果輸出第一電壓信號；通過第二探測器對由第二耦合器輸入、經傳感光纖傳輸、并通過第三耦合器返回的第二光信號進行探測，根據探測結果輸出第二電壓信號；其中，所述傳感光纖的兩端分別與第二耦合器和第三耦合器連接，所述傳感光纖設置在待測對象的測試區域；

根據所述第一電壓信號和所述第二電壓信號，確定所述待測對象的受撞擊部位。

在上述基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量方法中，根據所述第一電壓信號和所述第二電壓信號，確定所述待測對象的受撞擊部位，包括：根據第一電壓信號和第二電壓信號分別確定第一電壓的下降沿對應的第一響應時間和第二電壓的下降沿對應的第二響應時間；根據所述第一響應時間和所述第二響應時間的差值，結合設置的傳感光纖總長度確定傳感光纖的斷裂位置；根據確定的傳感光纖的斷裂位置和傳感光纖在待測對象的測試區域的設置位置，確定所述待測對象的受撞擊部位。

在上述基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量方法中，根據所述第一響應時間和所述第二響應時間的差值，結合設置的傳感光纖總長度確定傳感光纖的斷裂位置，包括；根據如下公式確定傳感光纖的斷裂位置：其中，L為設置在待測對象的測試區域的傳感光纖總長度，l為傳感光纖的斷裂位置距離第二耦合器的長度，Δt為所述第一響應時間與所述第二響應時間的差值，c為光在真空中的傳播速度，n為傳感光纖纖芯的折射率。

本發明與現有技術相比的優點在于：

(1)本發明公開的方案，基于光纖環雙向探測實現對飛行器的高速撞擊部位的測量，而光纖具有體積小、質量輕、強度高、不需電源、不受電磁波干擾等優點，因此，本發明所述的方案有效克服了高速撞擊瞬間產生的電磁干擾對測量過程的影響，保證了測量的正常進行以及測量結果的準確性。

(2)本發明公開的方案，可以根據第一探測器輸出的第一電壓信號和第二探測器輸出的第二電壓信號的下降沿時間差，結合設置的傳感光纖總長度準確確定傳感光纖的損傷位置；進而，結合傳感光纖在待測對象的測試區域的安裝位置，可以準確確定待測對象(如，飛行器)的受撞擊部位，簡化了系統的結構復雜度，降低了測量成本，為本發明方案的批量應用提供了條件。

(3)本發明公開的方案，對光源、耦合器、探測器、傳感光纖等器件沒有特殊要求，使方案具有很好的兼容性，利于大范圍推廣。

附圖說明

圖1是本發明實施例中一種基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統的結構示意圖；

圖2是本發明實施例中一種傳感光纖的布設示意圖；

圖3是本發明實施例中一種基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量方法的步驟流程圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明公共的實施方式作進一步詳細描述。

參照圖1，示出了本發明實施例中一種基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統的結構示意圖。在本實施例中，所述基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統系統包括：光源1、第一耦合器201、第二耦合器202、第三耦合器203、傳感光纖3、第一探測器401、第二探測器402和處理器5。其中，第一耦合器201的輸出端分別與第二耦合器202的輸入端和第三耦合器203的輸入端連接；所述第二耦合器202的輸出端與傳感光纖3的一端連接，所述第三耦合器203的輸出端與傳感光纖3的另一端連接，傳感光纖3位于第二耦合器202和第三耦合器203之間，構成一個光纖環結構；第一探測器401的輸入端與第二耦合器202的輸出端連接；第二探測器402的輸入端與第三耦合器203的輸出端連接；處理器5分別與第一探測器401的輸出端和所述第二探測器402的輸出端連接。

在本實施例中，所述基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統中的各部件的具體應用如下：

光源1輸出第一光信號。

在本實施例中，所述光源1可以但不僅限于為：激光光源或發光二級管LED(Light Emitting Diode)光源。

第一耦合器201對所述第一光信號進行耦合處理，得到第二光信號和第三光信號，將所述第二光信號輸入至所述第二耦合器202，將所述第三光信號輸入至所述第三耦合器203。

傳感光纖3的一端與所述第二耦合器202的輸出端連接，傳輸所述第二耦合器202輸出的第二光信號；傳感光纖3的另一端與所述第三耦合器203的輸出端連接，傳輸所述第三耦合器203輸出的第三光信號。

第一探測器401對經由所述傳感光纖3傳輸、通過所述第二耦合器202返回的第三光信號進行探測，根據探測結果輸出第一電壓信號。

第二探測器402對經由所述傳感光纖3傳輸、通過所述第三耦合器203返回的第二光信號進行探測，根據探測結果輸出第二電壓信號。

在本實施例中，光源1輸出的第一光信號在第一耦合器201處被分成兩路光信號(第二光信號和第三光信號)，兩路光信號分別經過第二耦合器202和第三耦合器203耦合處理后入射到傳感光纖3的兩端，兩路光信號在傳感光纖3中傳輸后分別從傳感光纖3的對端出射，出射的兩路光信號經第二耦合器202和第三耦合器203后分別入射至第一探測器401和第二探測器402，第一探測器401和第二探測器402可以對出射的兩路光信號的通斷變化進行探測，根據探測結果將光信號轉換為電壓信號。例如，當傳感光纖3受到撞擊斷裂時，傳感光纖3中的光信號將出現從有光到無光的變化，第一探測器401和第二探測器402均可以探測到這一變化，進而，在將光信號轉換為電壓信號輸出時，輸出的電壓信號在該時間位置(光信號從有光到無光)處存在一個下降沿。

處理器5根據所述第一電壓信號和所述第二電壓信號，確定所述待測對象的受撞擊部位。

在本實施例中，傳感光纖3設置在待測對象的測試區域，當撞擊事件發生時，處理器5可以根據所述第一電壓信號和所述第二電壓信號下降沿時間差，結合設置的傳感光纖3總長度確定所述待測對象的受撞擊部位。具體的，

處理器5根據第一電壓信號和第二電壓信號分別確定第一電壓的下降沿對應的第一響應時間和第二電壓的下降沿對應的第二響應時間；根據所述第一響應時間和所述第二響應時間的差值，結合設置的傳感光纖總長度確定傳感光纖3的斷裂位置。如前所述，當傳感光纖受3到撞擊斷裂時，傳感光纖3中的光信號將出現從有光到無光的變化，兩路探測器的輸出電壓信號中將會有一個明顯的下降沿變化，由于在傳感光纖3斷裂瞬間，光信號仍然可以在傳感光纖3中傳播，光信號從撞擊位置傳播到兩個探測器的時間存在一定時延，因此，通過檢測第一探測器輸出的第一電壓信號中的下降沿和第二探測器輸出的第二電壓信號中的下降沿的響應時間差，同時結合光信號在傳感光纖3中的傳輸速度和設置在待測對象的測試區域的傳感光纖總長度，即可以計算出傳感光纖3的斷裂位置。具體的，可以根據如下公式計算傳感光纖3的斷裂位置：

其中，L為設置的傳感光纖3的總長度，l為傳感光纖3的斷裂位置距離第二耦合器402的長度，Δt為所述第一響應時間和所述第二響應時間的差值，c為光在真空中的傳播速度，n為傳感光纖3纖芯的折射率。

需要說明的是，所述傳感光纖3可以設置在待測對象的測試區域，當確定傳感光纖3的斷裂位置之后，處理器5可以根據確定的傳感光纖3的斷裂位置和傳感光纖3在待測對象的測試區域的設置位置，確定所述待測對象的受撞擊部位。

在本實施例的一優選方案中，如前所述，本實施例所述的系統是通過對兩路探測器輸出的電壓信號中的下降沿的響應時間進行分析，確定下降沿的時延差，并基于確定的時延差來計算撞擊位置。可見，時延差的精確度將直接影響最終計算得到的撞擊位置的準確性，因此，為了更準確的獲得時延差，實現對撞擊部位更精準的判斷，可以對兩路探測器的輸入光功率進行控制，使得兩路探測器的入射光功率近似相等。為了實現兩路探測器的入射光功率近似相等，可以選用分光比為50：50的耦合器分別作為上述第一耦合器201、第二耦合器202和電耦合器203。

在本實施例的一優選方案中，為了保證兩路探測器輸出的電壓信號中的下降沿的響應幅度和斜率，可以選擇零位電壓及線性度近似一致的兩個探測器分別作為上述第一探測器401和第二探測器402，進而，當入射到探測器的光信號從有到無變化時，兩路探測器的輸出電壓下降幅度及斜率近似一致，有利于時延差的提取。例如，所述第一探測器401和第二探測器402可以是PIN_FET探測器；或，是雪崩光電二極管APD(Avalanche Photo Diode)探測器。

在本實施例的一優選方案中，為了保證系統具有較高的響應靈敏度，可以選用響應帶寬為1MHz～100GHz(包括1MHz和100GHz)的探測器分別作為上述第一探測器401和第二探測器402。其中，響應帶寬的具體值可以根據系統的定位精度需求來確定，總體而言，響應帶寬越寬，探測器的時延響應靈敏度越高，系統的定位精度也越高。

在本實施例的一優選方案中，當傳感光纖3為單模光纖時，所述第一耦合器201、第二耦合器202和第三耦合器203則對應的均為單模光纖耦合器。當傳感光纖3為多模光纖時，所述第一耦合器201、第二耦合器202和第三耦合器203則對應的均為多模光纖耦合器。

在本實施例的一優選方案中，所述傳感光纖3的具體長度根據測試區域的面積及光纖布設密度確定，傳感光纖3可以通過預埋或表面粘貼等方式布設在測試區域。例如，所述傳感光纖3的長度可以為1m～1km(包括1m和1km)，所述傳感光纖3呈Z型、按照設定間隔距離設置在所述待測對象的測試區域。

需要說明的是，如圖1所示，撞擊位置A處的傳感光纖3發生斷裂，如前所述，處理器5可以根據兩路探測器輸出的電壓信號確定時延差，進而計算確定傳感光纖3的斷裂位置。然而，由于探測器的響應帶寬會造成一定的時延誤差，這將導致通過本實施例所述的系統計算得到的傳感光纖3的斷裂位置與傳感光纖3的實際斷裂位置存在一定的波動范圍。例如，在探測器的響應帶寬為1GHz的條件下，系統定位結果可能存在10cm的波動。因此，在實際應用中，為了進一步提高對受撞擊部位的快速準確的測量，可以將上述基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統兩兩結合使用。

在本實施例中，所述基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統可以為一個或多個。當所述基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統為兩個時，參照圖2，示出了本發明實施例中一種傳感光纖的布設示意圖；其中，第一系統中的第一傳感光纖301與第二系統中的第二傳感光纖302橫縱交錯、呈網格狀設置在待測對象的測試區域。

當待測對象受到外界撞擊時，位于撞擊位置B處的傳感光纖(第一傳感光纖301和第二傳感光纖302)將發生斷裂。此時，第一傳感光纖301對應的系統可以對所述第一傳感光纖301的斷裂位置進行計算；第二傳感光纖302對應的系統可以對所述第二傳感光纖302的斷裂位置進行計算。如前所述，考慮到探測器的響應帶寬帶來的時延誤差，對于第一傳感光纖301，假設系統定位結果在J1所示的范圍內；對于第二傳感光纖302，假設系統定位結果在W1所示的范圍內。則，由光纖交點的唯一性，可以得到撞擊位置B的坐標，有效提高了測量結果的準確性。

其中，需要說明的是，利用雙光纖(第一傳感光纖301和第二傳感光纖302)的經緯交點的唯一性進行系統定位的定位誤差與傳感光纖的布設密度有關。最大定位誤差為傳感光纖經緯度布設密度的倍，即當傳感光纖(第一傳感光纖301和第二傳感光纖302)的布設間距為d時，系統的定位精度可以達到

綜上所述，本發明實施例所述的一種基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量系統，基于第二耦合器、傳感光纖和第三耦合器形成的環路結構進行雙向探測，通過分析兩路探測器輸出的電壓信號中的電壓的下降沿的響應時延差，結合設置的傳感光纖總長度實現對待測對象的撞擊部位進行測量，有效簡化了系統的結構復雜度及系統成本。同時，克服了高速撞擊瞬間產生的電磁干擾對測量過程的影響，保證了測量的正常進行以及測量結果的準確性。

其次，本發明實施例所述的系統對光源、耦合器、探測器、傳感光纖等器件沒有特殊要求，使方案具有很好的兼容性，利于大范圍推廣。

進一步的，在實際應用時，多個系統之間可以的協同作業，如將兩個系統的傳感光纖按“Z”字型交叉布設，大幅度的提高了對待測對象的撞擊部位的快速準確的測量。

基于同一發明構思，下面對本實施例所述的基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量方法進行說明。參照圖3，示出了本發明實施例中一種基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量方法的步驟流程圖。在本實施例中，所述基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量方法，包括：

步驟302，接收光源輸出的第一光信號。

步驟304，通過第一耦合器對所述第一光信號進行耦合處理，將耦合得到的第二光信號輸入至第二耦合器，將耦合得到的第三光信號輸入至第三耦合器。

步驟306，通過第一探測器對由第三耦合器輸入、經傳感光纖傳輸、并通過第二耦合器返回的第三光信號進行探測，根據探測結果輸出第一電壓信號；通過第二探測器對由第二耦合器輸入、經傳感光纖傳輸、并通過第三耦合器返回的第二光信號進行探測，根據探測結果輸出第二電壓信號。

在本實施例中，所述傳感光纖的兩端分別與第二耦合器和第三耦合器連接，所述傳感光纖設置在待測對象的測試區域。

步驟308，根據所述第一電壓信號和所述第二電壓信號，確定所述待測對象的受撞擊部位。

在本實施例中，可以根據所述第一電壓信號和所述第二電壓信號的下降沿時間差，結合設置的傳感光纖總長度確定所述待測對象的受撞擊部位。具體的：根據第一電壓信號和第二電壓信號分別確定第一電壓的下降沿對應的第一響應時間和第二電壓的下降沿對應的第二響應時間；根據所述第一響應時間和所述第二響應時間的差值，結合設置的傳感光纖總長度確定傳感光纖的斷裂位置；根據確定的傳感光纖的斷裂位置和傳感光纖在待測對象的測試區域的設置位置，確定所述待測對象的受撞擊部位。

優選的，可以根據如下公式確定傳感光纖的斷裂位置：

其中，L為設置的傳感光纖總長度，l為傳感光纖的斷裂位置距離第二耦合器的長度，Δt為所述第一響應時間與所述第二響應時間的差值，c為光在真空中的傳播速度，n為傳感光纖3纖芯的折射率。

綜上所述，本發明實施例所述的一種基于光纖環雙向探測的撞擊部位測量方法，基于第二耦合器、傳感光纖和第三耦合器形成的環路結構進行雙向探測，通過分析兩路探測器輸出的電壓信號中的電壓的下降沿的響應時延差，實現對待測對象的撞擊部位進行測量，有效簡化了系統的結構復雜度及系統成本。同時，克服了高速撞擊瞬間產生的電磁干擾對測量過程的影響，保證了測量的正常進行以及測量結果的準確性。

以上所述，僅為本發明最佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員的公知技術。