Loading [MathJax]/jax/output/SVG/jax.js

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

体布拉格光栅滤波片及其光谱成像应用

段佳著 赵祥杰 胡奇琪 吴凡 骆永全 张大勇

陶雪峰, 刘昆. 补偿脉冲发电机放电波形优化方法[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30: 095001. doi: 10.11884/HPLPB201830.170325
引用本文: 段佳著, 赵祥杰, 胡奇琪, 等. 体布拉格光栅滤波片及其光谱成像应用[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30: 079001. doi: 10.11884/HPLPB201830.180023
Tao Xuefeng, Liu Kun. Pulse shaping method for compulsator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2018, 30: 095001. doi: 10.11884/HPLPB201830.170325
Citation: Duan Jiazhu, Zhao Xiangjie, Hu Qiqi, et al. Volume Bragg grating filters and its spectral imaging application[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2018, 30: 079001. doi: 10.11884/HPLPB201830.180023

体布拉格光栅滤波片及其光谱成像应用

doi: 10.11884/HPLPB201830.180023
基金项目: 

国家自然科学基金项目 61575179

中国工程物理研究院科技发展基金项目 2015B0401082

详细信息
    作者简介:

    段佳著(1989-),男,硕士,助理研究员,主要从事光束精密控制和光谱成像方面的研究;jzduan_oe@163.com

    通讯作者:

    张大勇(1975-),男,博士,研究员,主要从事激光与物质相互作用领域研究;zdywxl874@sohu.com

  • 中图分类号: O436

Volume Bragg grating filters and its spectral imaging application

  • 摘要: 利用厚体布拉格光栅的波长选择特性对目标光场进行窄带滤波,是实现高光谱成像的一种新途径。基于严格耦合波理论,设计了体布拉格光栅结构,探索了厚体布拉格光栅的制作工艺,搭建系统光路验证了体布拉格光栅的光谱成像能力。研究结果表明:要获得较窄滤波谱宽,需要提高体布拉格光栅的厚度周期比,并严格控制入射光束发散角;刻写光束质量、震动和偏振会极大地影响制作的光栅条纹面质量,需要从优化写入光的光束均匀性、采用防震措施以及调整两刻写光束偏振一致性等方面优化刻写过程,以提高光栅的衍射效率和质量;验证了体布拉格光栅滤波片进行空间二维面阵成像的能力,宽谱光源透射条件下,通过对入射光束进行准直,滤波谱宽5 nm左右,空间分辨率约4 lines/mm;漫反射条件下,使用体布拉格光栅对进行色散补偿,能够实现较为清晰的成像,空间分辨率约4.9 lines/mm。
  • 随着现代科技的发展,越来越多的先进技术被应用到国防领域中。近年来,各国在新概念武器方面加大了投入,发展迅速。新概念武器主要包括电磁炮、高功率微波武器、高能激光武器、电热化学炮等。虽然这些高能武器的工作机理不同,但它们都需要高功率脉冲电源(PPS)的激励或驱动。脉冲电源的种类很多,它们的储能方式及放电机理不同,都有各自的特点[1]。就目前的发展水平来看,实际使用的脉冲电源系统(主要为脉冲电容器)体积大、质量大,往往超过武器系统本身,因此发展小型化、轻型化的高功率脉冲电源是新概念武器走向实战的重要保证[2]。补偿脉冲发电机(CPA)是一种特殊的同步电机,通过补偿屏蔽筒、补偿线圈等结构实现磁通压缩,能够极大地降低放电时电机的瞬态电感,从而实现大电流、高功率输出[3]。CPA采用飞轮惯性储能方式,通过机械能与电能之间的转换,能够达到极高的储能密度,且能量转换效率高,是非常有发展前景的脉冲电源方案[4]。补偿脉冲电机类型多种多样,也可驱动不同类型的武器系统。由于不同负载的阻抗特性不同,对放电波形的需求差异也很大,CPA的脉冲波形灵活调节的能力十分重要[5]。电机结构确定后,单相电枢的放电波形一般是固定的。通常将补偿脉冲电机设计成多相结构,通过各相点火角的控制及相电流组合实现总脉冲的调节[6]。以往的研究通常集中在调波方法的定性分析上,较少涉及最优化问题。文献[6]以一台四相电机为研究对象,使用遗传算法对放点波形进行优化,但未能得到很好的结果。通过建立CPA放电数学模型,在放电仿真中可对电枢转子转速、励磁电流、点火角等参数进行灵活更改,结合智能优化算法,可以找到最优控制量组合,得到优化脉冲波形。本文以一台空心补偿脉冲发电机为对象,开展两相电机脉冲波形调节的最优化问题研究。

    CPA的放电仿真方法多样,各有优缺点:场路耦合仿真方法将电机有限元模型和放电控制电路模型结合,开展联合仿真[7]。这种方法计算准确,且能够得到电磁场分布情况,但是需要消耗大量计算资源,效率较低;将电机模型进行简化,例如将被动补偿CPA简化为电压源加电感、电阻的形式,在电路仿真软件中分析其放电特性[8]。这种方法有一定局限性,对于等效电感随转子位置变化的情况不能有效模拟;建立放电过程的数学模型,通过解微分方程组的方法求解各物理量的变化。这种方法在建模阶段工作量较大,但精确的数学模型一旦建立,就能通过数值方法进行快速仿真,具有很强的灵活性[6]。本文研究的波形调节最优化问题需要大量计算,故采取建立数学模型的方法实现放电仿真。

    本文的两相四极空心CPA剖面如图 1所示,a,b两相电枢绕组正交放置,消除电磁耦合。不使用补偿屏蔽筒或补偿绕组等专门的补偿结构,放电工作时由励磁绕组实现补偿作用。

    图  1  补偿脉冲发电机剖面图
    Figure  1.  Cross section of compulsator

    由于空心电机不使用铁磁材料,需要很强的励磁电流激励。为减轻系统质量,通常采用自励磁方法。自励磁及放电原理如图 2所示。先由一个电容器为励磁绕组充电,得到种子电流,随即将电枢绕组与励磁绕组连接,形成正反馈过程,励磁电流呈指数增大。当励磁电流达到要求时,打开放电主开关为负载供电。

    图  2  自励磁及放电等效电路图
    Figure  2.  The equivalent circuit of excitation and discharge process

    电流正方向以图 2标注为准,根据基尔霍夫定律可列写方程组

    {dψadt=iaRa+(ia+ib)Rload +dLload (ia+ib)dtdψbdt=ibRb+(ia+ib)Rload +dLload (ia+ib)dtdψfdt+ifRf=0iload =|ia+ib| if: sign(iaib)>0,{dψadt=iaRa+(iaib)Rload +dLload (iaib)dtdψbdt=ibRb(iaib)Rload dLload (iaib)dtdψfdt+ifRf=0iload =|iaib| if: :sign(iaib)<0 (1)

    式中:ψ为磁链;iRL分别为电流、电阻、电感;下标a,b,f,load分别表示a, b两相电枢绕组、励磁绕组和负载;sign(·)为符号函数。

    通过磁共能Wm可计算电磁转矩

    Wm=12[iaibif][La0maf0LbmbfmafmbfLf][iaibif] (2)

    式中:mafmbf分别为a,b两相电枢绕组与励磁绕组的互感;Lf为励磁绕组的自感。

    对四极电机,电磁转矩

    T=2Wm/θ=2if(Mafiasinθ+Mbfibcosθ) (3)

    式中:q为转子的电角度,本文中为机械角度的2倍;MafMbf分别为互感mafmbf在电机旋转过程中的最大值。

    综合式(1)~(3),经整理可写出完整的状态方程

    {p[iaibif]=[(La+Lload )SLload mafSLload (Lb+Lload )mbfmafmbfLf]1[Ra+Rload +˙Lload S(Rload +˙Lload )˙maf S(Rload +˙Lload )Rb+Rload +˙Lload ˙mbf˙maf˙mbfRf][iaibif]˙θ=ω,˙ω=2TJ (4)

    式中:p表示微分算子;S=sign(ia·ib);˙maf,˙mbf为互感的变化率;˙Lload 为负载电感变化率;J为转子的转动惯量;˙θ=ω,为电角速度,˙ω为电角加速度。

    对于结构已经固定的CPA,只能通过外部控制调波,且控制量有限。但是电枢点火角、放电周期选择对单相脉冲影响很大,通过点火角控制以及多相脉冲组合是可以得到理想波形的。

    本文讨论三种典型负载:电磁轨道炮、脉冲激光器和电热化学炮。这三种负载均可用CPA驱动,但它们的负载特性以及对脉冲波形的需求差异很大。因此,有必要对负载特性进行深入分析,进而研究CPA与负载的匹配问题。

    本文电磁轨道炮属于阻感负载,其电阻、电感值与弹丸位移成正比,弹丸所受电磁推力F与负载电流的平方成正比[9],即

    Rload =Rx,Lload =Lx,F=Li2load /2 (5)

    式中:L′,R′分别为电磁炮导轨的电感梯度和电阻梯度;x为弹丸位移。

    电磁轨道炮的弹丸能够承受的最大过载(加速度)是有限制的。因此,在放电过程中尽量保持加速度均匀能够最大限度地加速弹丸,提高发射效率,达到最大炮口速度[10]。为量化脉冲波形是否适用于电磁轨道炮,通常会计算放电过程平均加速度与峰值加速度的比值[11],本文简称为“加速度比”。设弹丸加速度为a,加速过程中最大加速度为amax,放电起始和终止时间分别为t0tf,则加速度比AR的表达式为

    AR=tft0a(t)dt/[amax(tft0)] (6)

    需要说明的是,加速度比与电流幅值无关,仅仅表征电流形状。加速度比越大,则说明波形越接近平顶波。设a,b两相电枢点火角分别为θaθb,其组合决定了放电脉冲波形,加速度比也就随之确定,亦即加速度比是点火角的函数

    AR=AR(θa,θb) (7)

    这样,CPA驱动电磁轨道炮的波形优化问题可转化为如下函数优化问题

    {maxAR(θa,θb) s. t. θLjθjθUj,j=a,b (8)

    式中:θjLθjU分别为点火角取值的上下界,由预先设定的放电周期决定。

    找到使加速度比最大的点火角组合,也就找到了最接近平顶脉冲、加速过程最平缓的放电波形。使用差分进化算法对该函数求最大值,仿真基本条件设置见表 1。令两相电枢各放电一个周期,优化后的波形如图 3所示,优化结果为:[qa, qb]=[1.546, 1.571],AR=0.513。根据优化结果可知,当两相点火角在π/2附近时,合成后的波形最接近平顶脉冲。

    表  1  仿真参数设置
    Table  1.  Simulation parameters
    initial rotor speed/(r·min-1) initial field current/kA rotor’s moment of inertia/(kg·m2) mass of projectile/g inductance gradient/(μH·m-1) resistance gradient/(mΩ·m-1) discharge period
    18 000 8 0.177 5 5 1 0.5 1
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格
    图  3  电磁轨道炮优化放电波形
    Figure  3.  Optimized discharge pulse for EM gun

    本文电磁轨脉冲激光器是一种非线性电阻性负载,阻值在整个放电过程中呈先下降再上升的U型曲线[12],稳定放电时,有[13]

    Rload =K0/iload  (9)

    式中:K0是脉冲氙灯的阻抗系数,与其物理结构有关。

    脉冲激光器需要尖顶脉冲驱动。虽然没有弹丸加速过程,但同样可使用“加速度比”的概念来量化波形效果,求解加速度比最小值即可。设阻抗系数K0=5时,优化结果为:[qa, qb]=[4.015, 3.142],AR=0.293。优化后的波形如图 4所示,可见,将加速度比的计算方法应用于脉冲激光器的脉冲优化是可行的,能够得到尖顶脉冲。

    图  4  脉冲激光器优化放电波形
    Figure  4.  Optimized discharge pulse for flashlamp

    电热化学炮的核心部件为毛细管,也可以看作非线性电阻。本文使用文献[14]建立的物理模型表示

    Rload =0.22lβ8/11α13/11i6/11load  (10)

    式中:l为毛细管长度,β为比例常数,α为毛细管截面半径。

    电热化学炮所需波形是分段上升的,很难找出一个简单的计算量来表征其优劣。文献[15]电热炮对电流的要求,即

    idesire (t)=12p0A1m(γ1)tRload  (11)

    式中:idesire表示需求电流,p0为炮膛加速压力,A为炮膛截面积,m为弹丸质量,γ为气体绝热常数。

    电流幅值可以通过励磁电流大小、转速等调节。为消除幅值影响,表征实际电流与需要电流波形的匹配程度,本文提出“形状方差”的概念,计算方法如下。

    (1) 设定点火角,计算实际放电电流iload(t)= iload(qa, qb),Rload(t)=Rload(qa, qb)。根据式(10)~(11)计算需求放电电流idesire(t),其中,t1tk分别对应放电初始时刻和结束时刻。

    (2) 将放电时间适当离散化,取k个时间点:t′=[t1, t2, t3, …, tk]。其中,t1tk分别对应放电初始时刻和结束时刻。

    (3) 求出各时间点处实际电流iload(tk)与需求电流idesire(tk)的比值,虚拟的统计量

    Rld (k)=iload (tk)/idesire (tk) (12)

    (4) 计算电流比值的方差,定义为“形状方差”SV,可表示为

    SV=var(Rld ) (13)

    这样,得到的形状方差能够描述实际电流与需求电流形状的匹配程度。在相同的初始励磁电流、转速等条件下,形状方差越小,说明波形越符合要求。优化结果为:[qa, qb]=[2.005, 4.712]。优化的放电波形如图 5所示,图 6显示了需求电流与实际电流的对比情况。可见,实际电流与需求电流有一定差别,但基本符合电热化学炮的要求。

    图  5  电热化学炮优化放电波形
    Figure  5.  Optimized discharge pulse for ETC
    图  6  需求电流与实际电流对比
    Figure  6.  Comparison of desired and actual current

    本文建立了两相空心补偿脉冲发电机放电过程的数学模型,在此基础上开展了放电模型最优化研究。针对三种不同负载,分析负载特性及需求波形,提出相应的优化指标。优化结果表明,采用加速度比作为优化指标,可以有效得到适合电磁轨道炮和脉冲激光器的放电脉冲。对于电热化学炮,本文定义的“形状方差”可较好地对放电脉冲进行优化。基于电机数学模型的仿真具有很高的灵活性。但是,文中建立的数学模型是否准确,提出的波形优化方法是否合理,则需要进一步的实验验证。根据实验结果对仿真模型进行修正,可以得到更加精确的模型。两相电机具有较强的波形调节能力。可以推论,随着相数进一步增加,电机放电波形调节的灵活性将进一步增强。

  • 图  1  体布拉格光栅结构和波矢关系示意图

    Figure  1.  Structure scheme of volume Bragg grating (VBG) and vector relations in it

    图  2  (a) 不同厚度周期比时的波长选择性曲线;(b)沿光栅厚度方向不同位置处各级次衍射光相对强度

    Figure  2.  (a)Wavelength selectivity curves of VBGs under different ratio of grating thickness and period; (b)diffraction efficiency of different diffraction orders along the direction of grating thickness

    图  3  不同发散角时滤波谱宽比较

    Figure  3.  Filter spectral bandwidth under different divergence angles

    图  4  实验光路示意图和PQ/PMMA聚合物透过率曲线

    Figure  4.  Experimental optical path distribution and transmission ratio of PQ/PMMA polymer

    图  5  (a) 震动和(b)偏振一致性对衍射效率的影响

    Figure  5.  Effect of (a) vibration and (b) polarization on the diffraction efficiency

    图  6  (a) 光束质量对衍射效率的影响;写入光束优化(b)前(c)后的体光栅的衍射光斑

    Figure  6.  (a) Effect of writing light beam quality on the diffraction efficiency, diffraction light facula with grating (b) before and (c) after the writing light beam quality optimization

    图  7  基于体布拉格光栅的滤波成像系统图

    Figure  7.  Spectral imaging system based on VBG

    图  8  (a) 透射式分辨率板成像结果;(b)滤波谱宽测量结果

    Figure  8.  (a) Imaging results of transmission resolution plate and (b) measurement of filtered bandpass

    图  9  典型的RGB谱段位置的反射式分辨率板光谱成像结果

    Figure  9.  Spectral images of reflection-type resolution plate at different RGB central wavelength

  • [1] Geissler P E, Greenberg R, Hoppa G, et al. Evolution of lineaments on Europa: Clues from Galileo multispectral imaging observa-tions[J]. Icarus, 1998, 135: 107-126. doi: 10.1006/icar.1998.5980
    [2] Colarusso P, Kidder L H, Levein I W, et al. Infrared spectroscopic imaging: From planetary to cellular systems[J]. Applied Spectroscopy, 1998, 52: 106-120. doi: 10.1366/0003702981942401
    [3] Levenson R M, Mansfield J R. Multispectral imaging in biology and medicine: Slices of life[J]. Cytom A, 2006, 69: 748-758.
    [4] Zhang L, Small G W. Automated detection of chemical vapors by pattern recognition analysis of passive multispectral infrared remote sensing imaging data[J]. Applied Spectroscopy, 2002, 56: 1082-1093. doi: 10.1366/000370202321274908
    [5] Hiraoka Y, Shimi T, Haraguchi T. Multispectral imaging fluorescence microscopy for living cells[J]. Cell Structure and Function, 2002, 27: 367-374. doi: 10.1247/csf.27.367
    [6] Shi T, DiMarzio C A. Multispectral method for skin imaging: development and validation[J]. Applied Optics, 2007, 46: 8619-8626.
    [7] Romier J, Selves J, Gastellu-Etchegorry J. Imaging spectrometer based on an acousto-optic tunable filter[J]. Rev Sci Instrum, 1998, 69: 2859-2867. doi: 10.1063/1.1149025
    [8] Shingu H, Homma K, Kurosaki H, et al. Field observation of surface conditions using LCTF spectro-polarimeter[C]// Proc of SPIE. 2003, 5017: 116-127.
    [9] Blais-Ouellette S, Daigle O, Taylor K. The imaging Bragg tunable filter: a new path to integral field spectroscopy and narrow band imaging[C]//Proc of SPIE. 2006: 62695H.
    [10] Verhaegen M, Lessard S, Blais-Ouellette S. Narrow band SWIR hyperspectral imaging: a new approach based on volume Bragg grating[C]//Proc of SPIE. 2012: 83740G.
    [11] Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram gratings[J]. Bell Syst Tech J, 1969, 48: 2909-2945. doi: 10.1002/j.1538-7305.1969.tb01198.x
    [12] 段佳著, 赵祥杰, 张大勇. 基于透射式体全息光栅的光学相控阵放大级研究[J]. 光学学报, 2014, 34: 0405002.

    Duan Jiazhu, Zhao Xiangjie, Zhang Dayong. Design of optical phased arrays amplifier stage based on volume holographic grating. Acta Optica Sinica, 2014, 34: 0405002
    [13] Moharam M G, Gaylord T K. Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction[J]. Journal of the Optical Society of America, 1981, 71(7): 811-818. doi: 10.1364/JOSA.71.000811
    [14] Moharam M G, Gaylord T K, Magnusson R. Criteria for Bragg regime diffraction by phased gratings[J]. Optics Communication, 1980, 32(1): 14-18.
    [15] Laskin A, Laskin V. π Shaper-refractive beam shaping optics for advanced laser technologies[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2011, 276: 012171.
  • 期刊类型引用(2)

    1. 张鹏,李海涛,胡长勇,孔令硕. 空心脉冲发电机剩磁能量回收方法. 强激光与粒子束. 2023(11): 118-125 . 本站查看
    2. 王勇,黄军高,管荑,马强,李雷. 具有脉冲负载波动的电力系统稳定性分析. 信息技术. 2020(06): 114-120 . 百度学术

    其他类型引用(3)

  • 加载中
图(9)
计量
  • 文章访问数:  1419
  • HTML全文浏览量:  401
  • PDF下载量:  206
  • 被引次数: 5
出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-19
  • 修回日期:  2018-03-19
  • 刊出日期:  2018-07-15

目录

/

返回文章
返回