飞行时间技术范文

飞行时间技术范文（精选9篇）

飞行时间技术 第1篇

在目标测试试验中,目标飞行时间,即对飞行目标启动和停止时刻的精确时间测量以及飞行时间的测量,是评价的目标性能重要参数之一。传统的目标飞行时间测量的方法主要有:目测法、声音或震动传感器探测法、光电测量法[10]。这些方法均属于本地测量,即利用同一个本地时钟源对目标的飞行启动和停止进行统一的时间测量。由于距离越远信号失真越严重,时钟源信号和探测信号的有线传输距离不能超过1 000 m,因此,受到时钟源和探测能力的限制,以上方法仅能测量近程的飞行目标的飞行时间。

对于远程目标飞行时间的测量,可将目标启动点和停止点视作在异地发生,其飞行距离超出了本地测量方法的测量范围。针对这一缺陷以及目标在启动和停止时会有火光信号产生的特点,本文设计利用GPS进行时间统一的测量系统,由两个带有独立高精度本地时钟源的光电测量子系统,分别测量目标的启动点和停止点,摆脱了传统目标飞行时间测量探测距离近的束缚,实现了对超远程(几十公里)的目标飞行时间的精密测量。

1 目标微弱光信号探测与提取

由于目标距离达3 000 m以上,因此信号十分微弱;同时在白天背景光很强的情况下,火光信号的信噪比极低。在这种情况下,光电探测器直接输出的原始被测信号已经完全淹没于噪声当中,无法辨别和提取;因此,这种探测得到信号无法直接利用高精度A/D进行采样处理或是通过比较电路直接对电压幅值进行比较,必须先对原始信号进行处理来提高信噪比,最终实现对微弱信号的提取,并将处理的信号传给主控制电路进行进一步的处理工作。本系统测量的火光信号都是闪光一次即结束,不具有连续性和周期性,因此从电特性角度来看,火光信号属于非周期的单脉冲微弱信号。对这类单脉冲信号的检测和提取,其所应用的对信号处理方式与周期信号相比,需要特殊处理技术。本文采用针对性的滤波调理技术。在最前级,通过隔直电路,先去掉大的直流背景光信号;通过多阶多级的带通滤波和放大,取出火光信号的上升和下降频谱带宽内的成份,滤除其他高频和低频成份,获得光电信号的上升和下降沿的对应的高阶微分波形。尽管在3 000 m以外类似于照相机闪光灯的光信号已经十分微弱,人眼无法看见,但是本系统仍然在白天强背景光条件下成功提取了有效信号。

2 异地目标飞行时间测量系统设计

本地探测时,探测距离有限,一般在4 000 m左右。而探测的目标飞行距离可达几十公里,这时就不能在一个地点同时探测目标的启动光信号和停止光信号。本文的方案是使用两套探测系统,分别放置在目标光信号启动点附件和停止点附近进行独立探测,探测各自信号到标准时标的时间差。当两个系统通过标准时标相同时,就可以得出目标启动和停止光信号的精确时间差。探测方案如图2所示,采用GPS作为标准时标。

2.1 GPS和本地晶振的时钟分析

本文采用GPS授时模块,可输出两种时间信号[3]:1)时间间隔为1 s的脉冲信号1 pps,其脉冲高电平宽度500 ms,上升沿为秒时间基准,精度高,其脉冲前沿与国际标准时间UTC的同步误差不超过1µs;2)通过串口输出NMEA0183标准[1]的UTC标准时间,1 pps为低电平时标准时间数据可读,超前于对应时刻的1 pps脉冲(500±2)ms产生。秒脉冲与UTC标准时间串行数据的对应关系如图3所示。

GPS授时的最小时间单位是秒,无法达到测量毫秒级时间的要求,因此,本文利用GPS的秒脉冲进行时间同步,将GPS提供的UTC标准时间与本地温补晶振相结合,进行微秒级的时间测量。其中,本地晶振采用210-7的16 MHz温补晶体振荡器时钟源,1 000 s内的时间精度为0.2 ms。本系统使用可编程逻辑器件将温补晶振时钟源分频为1 MHz的时钟用于计时器时钟,将GPS模块pps的上升沿转换为1µs宽度的秒脉冲触发信号。

2.2 系统的基本测量原理及实现方案

整个测量系统由两个完全独立且参数一致的测量子系统组成,每个子系统主要包括光电探测单元、高精度时钟计数单元、GPS授时单元、控制单元以及数据无线传输单元。

将子系统分别置于目标飞行的起始位置和停止位置附近(半径为3 km的范围内),利用光学探测技术分别捕获目标启动和停止时刻所产生的火光信号,该信号触发各自的本地高精度计时器单元,之后等待触发后的第一个秒脉冲触发信号来停止计时器单元,从计时器单元可以得出目标启动或是停止时刻与秒脉冲之间的精确时长TJSA和TJSB,如图5所示。并结合该时刻的GPS标准时间信息,共同推算出飞行目标启动和停止时刻的“绝对时间”。并且通过无线传输单元对将两地的“绝对时间”进行汇总,由于两个子系统以GPS为时标实现了时间同步,因此可以由“绝对时间”直接计算出目标的飞行时间。

2.3 系统的时间同步方案

本系统的高精度时钟计数单元共有三个内部计时/数器,包括:内部秒脉冲生成计时器,该计时器用于产生内部秒脉冲信号;内部秒脉冲计数器,用来对内部产生的秒脉冲个数进行计数;以及内部精密计时器,该计时器用来进行秒级的计时,当有GPS秒脉冲1 pps到来时,证明此时刻的GPS信号有效,可以进行时间同步,此时,对内部计时器和计数器进行清零。15 ms后,由于该此时刻的GPS有效,因此必会产生一个15 ms延时的秒脉冲同步信号,系统利用这个信号进行系统的时间同步,来触发本地精密计时器以及本地的秒脉冲计数器,从而有效的保证了系统在对高精度时钟计数单元进行操作时总能与GPS实现同步,避免由于GPS信号的失效而使而对时钟计数单元的误操作。

由于系统采用的是高精度的时钟源,因此在测量阶段即使使用的是内部自己产生的秒脉冲标准信号,但仍然能够保证很高的精度。

3 测量精度分析

系统的测量误差主要由光电探测器响应时间、信号处理电路上升沿时间、时统对时误差和本地触发计数误差等来源决定。以标准光脉冲仪的信号为基准,对处理系统的各环节节点进行对比检测,检测结果与分析结果吻合。各部分误差如表1所示。

由表1可得出每个子系统的测量总时间为400 s时所累积的误差不大于120µs,则总系统的误差不大于240µs,完全满足测量误差不超过300µs的要求。

该系统与高精度的时间校准仪(误差小于20µs)进行比较的结果如表2所示。靶场的实验数据为敏感数据,这里没有列出。

4 结论

本文详细阐述了一种基于GPS对时的异地目标飞行时间测量系统的设计方法,克服了本地目标飞行时间测量系统测量距离近而无法测量远射目标的缺陷。采用高精度GPS授时模块和本地温补晶振时钟源,实现了子系统之间的时间统一,为光电探测提供了精确的时间信息,设计了可靠的时间同步方案,满足了测量精度要求。为超远程的目标飞行时间的测量提供了一种可行有效的测量方式。

摘要：针对远程目标异地作用的特性以及异地时间测量对时间统一标准的严格要求,提出了一种基于GPS的高精度异地目标光信号时间测量系统。该系统将GPS授时与本地温补晶振时钟结合起来,利用GPS授时秒脉冲1pps进行时间同步,由本地时钟结合GPS的标准时间测量出飞行目标启动和停止的精确时间及时间间隔;同时设计了高精度的授时方案,对GPS秒脉冲进行监控和补偿,有效提高了系统的可靠性。实验表明,该系统测量在400s内所产生的累积测量误差小于300μs,等效精度达到7.5×10-7。

关键词：GPS授时,本地温补晶振时钟,时间同步,异地目标飞行时间测量

参考文献

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[8]王庆有.光电技术[M].北京:电子工业出版社,2005.

[9]曾庆勇.微弱信号检测[M].杭州:浙江大学出版社,2002.

飞行时间技术 第2篇

拓展基体辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪的检测范围

选用多壁碳纳米管(CNT)作为基质辅助激光解吸电离化飞行时间(Matrix-assisted laser desorption ionization/ time of flight,MALDI-TOF)质谱仪的基质,对分子量小于0.8 ku的小分子化合物进行检测,克服了MALDI-TOF MS 中的基体干扰,适合进行小分子分析.实验先在正离子模式下检测氨基酸及其衍生物,在正电场条件下清晰地观察到样品的.碱金属加合峰[M+K]+和[M+Na]+分子离子峰,几乎看不到加氢的离子峰[M+H]+.又在负离子模式下以CNT作为基质对氨基酸样品进行质谱分析,得到单一[M-H]-负的分子离子峰,所得到的谱图几乎没有背景干扰,信噪比高.结果证实在负离子模式下可以方便快捷地进行氨基酸检测,从而拓宽了MALDI-TOF MS的应用范围.

作 者：陈晋安 黄慧英 黄河清 CHEN Jin-an HUANG Hui-ying HUANG He-qing 作者单位：厦门大学生命科学学院分析测试中心,福建,厦门,361005刊 名：厦门大学学报(自然科学版) ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF XIAMEN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)年，卷(期)：46(6)分类号：O657关键词：MALDI-TOF MS 基质 小分子化合物 负离子模式

飞行时间技术 第3篇

回眸PET技术发展的跨世纪的20余年, 从中或许可以得到一些粗浅的结论。20余年的技术历程本质上是业界孜孜不倦追求更好临床图像质量、更快扫描速度的过程:在PET技术的幼年时期, 虽然意识到了“飞行时间”技术在理论上的可能性, 但受各种条件的局限, 技术进展只能在非TOF技术的范围内展开, 这个时期的产品以2D技术 (2D采集+2D重建) 为代表, 主要应用在神经系统和心脏;ADAC (Philips NM前身) 在这个时期已经注意到了2D重建技术对图像质量的巨大限制, 投入巨大力量研发3D重建。随着PET应用范围从神经系统、心脏转向全身肿瘤系统, 围绕图像质量和采集速度这两个中心点, 快速晶体和快速电路成为研发的重点。这个时期的技术以3D技术 (3D采集+3D重建) 为代表。对如何提高图像质量, 各个厂家从不同的角度进行了不懈的努力。Philips采取了齐头并进的方法, 更换为第二代快速晶体GSO-Zr的同时, 在图像处理上研发成功了第二代3D LOR重建算法。

2006年, 飞利浦率先推出采用“飞行时间”技术 (Time of Flight, TOF) 的GEMII TF PET/CT, 不但因此成为第一个在商品化PET/CT上采用这一梦想技术的厂家, 也同时证明了, 晶体只是提升图像质量的一个基础环节, 利用好的晶体最大限度实现其固有性能完成提升图像质量才是整体系统设计的灵魂。而目前提升图像质量的最有效途径, 已经被证明是利用TOF技术通过缩小信号定位的区域, 从根本上降低噪声水平。这意味着, PET技术以后的研发方向, 不管用何种晶体, 将会转移到TOF的平台上。因此, 可以预言, 第三代PET技术是在3D基础上的TOF技术。

1 PET探测中的“飞行时间”技术

传统的PET图像上是由一条条的响应线为基础用统计概率分布的方法重建出来的。由于响应线包含了大量的不确定信息 (把一个点的信息表达成一条线) , 据此重建PET图像, 会产生大量的导致图像质量下降的噪声, 这是非TOF技术固有的缺陷。PET图像中噪声的另一个来源是放射性计数固有的统计噪声, 其与总计数平方根的倒数成正比。为了弥补定位不精确导致的高噪声, 一般用增加总计数, 即降低统计噪声的方法来得到相对比较满意的信噪比, 获得好的图像质量。这就是PET系统性能中灵敏度非常重要的原因。在一定范围内, 注射放射性药物的量和灵敏度大致成比例增加。

实际上, 光子的传输是以光速进行, 发生湮灭的位置不同, 一对光子到达两端探测器的时间也不同。理论上, 如果我们能够知道这个时间差, 就能够算出来信号到底在这条响应线上的哪个点上, 也即知道信号发出的更精确的位置, 这样准确的信号定位非常有利于提高探测的效率和精度。测量出光子到达两端探测器的时间差, 然后计算出信号的实际发生位置 (或范围) , 这就是PET中的“飞行时间”技术。

要想在产品中实现“飞行时间”技术, 最大的技术挑战是系统的时间分辨率的提高和相应的重建算法的实现。要提高系统的时间分辨率, 需要从晶体、探测器设计、光电倍增管、电子线路四个方面进行开发与优化。

1.1 TOF PET的晶体

晶体将光子转为可见光, 是决定系统时间分辨率的基础环节。晶体最重要的性能指标有4项, 分别是密度 (阻截能力) 、能量分辨率、光输出量和衰减时间。TOF PET必须选择衰减时间短、时间分辨率短的晶体, 这样才能保证系统的时间分辨率。

目前, 可能用于PET的晶体当中, 飞利浦最终选择了LYSO, 是因为LYSO在正电子信号探测能力上与GSO-Zr一样表现突出, 但在时间分辨率上 (<450 ps) 则可以达到“飞行时间”的实用水平。多种晶体材料的性能比较可见, LYSO是最适于TOF PET的晶体。

1.2 TOF PET的探测器结构

探测器结构是指晶体的组成排列方式以及晶体与光电倍增管的连接方式, 是决定系统时间分辨率的关键环节。传统PET的探测器结构采用晶体块 (Block) 设计, Block结构是在一块大晶体上切割成48或88个深浅不一的槽, 这些深浅不一的槽作为光子的光导通路, 晶体后面连接着4个光电倍增管。在传统PET中, Block结构不仅节省了大量的光电倍增管, 而且提高了灵敏度和空间分辨率, 但由于光子在Block结构中通行时间较长, 光子通行时间的一致性差, 系统的时间分辨率难以小于纳秒, 所以Block结构不适于TOF PET。

飞利浦TOF PET的探测器结构采用其独有的像素点 (PIXELAR) 设计, 由638个小晶体均匀地排列, 其后紧接着20个光电倍增管。PIXELAR结构最大的优点是光子通行时间短, 光子通行时间的一致性好, 而且能量分辨率更好, 减少了边缘效应, 无需几何校正等。

1.3 TOF PET的光电倍增管

“飞行时间”技术要求要有极高的时间响应均匀性和最快的响应速度。光电倍增管 (PMT) 是决定系统时间分辨率的关键环节。PMT由光阴极、电子聚焦系统、多级倍增极和阳极组成, 其作用是将晶体产生的可见光信号转换、放大成电信号。PMT时间分辨率取决于渡越时间和渡越时间分散。渡越时间决定PMT时间分辨率的长短, 渡越时间分散反映PMT时间分辨率的一致性。

传统PMT的渡越时间较长, 且渡越时间分散大, 无法用于TOF PET。在Philips TF PET/CT系统, Philips摒弃了传统的平底光电倍增管, 研发硅制成的新一代光电倍增管SiPM的渡越时间极短, 可以用于TOF PET提高系统的时间分辨率。而曲面PMT是将PMT的光阴极制成均匀的曲面, 保证不同入射角电子到达第一倍增极的时间相同, 从而渡越分散时间小。曲面PMT可以用于TOF PET大幅减少系统时间分辨率的不确定性。

1.4 TOF PET的电子线路

PET的电子线路是PET采集的关键部分。在TOF PET中, 电子线路是决定系统时间分辨率的最关键环节。传统PET的电子线路, 最好的时间分辨率也高达500 ps, 无法用于TOF PET。

TOF PET的电子线路在数字脉冲处理模块 (DPPM) 的基础上增加了恒比定时电路 (CFD) 与现场可编程门阵列电路 (FPGA) 。DPPM执行脉冲分拣、能量筛选、堆积检查、符合计算等多项功能, CFD进行精确定时, FPGA进一步提高CFD定时的精确性。

由于极大地提高了真符合, 减少了随机符合, TOF PET的电子线路的时间分辨率在20 ps, 这样才能保证系统时间分辨率足够小。

2 TOF PET的临床优势

To F PET和Non-ToF PET技术的区别: (1) 利用光子的飞行时间信息将正电子的位置限定在小范围内, 减少了重建该事件涉及到的体素数量, 局部信息浓度高; (2) 对重建范围内各体素的信息量有正确的预判使信息分布更合理。由此, 最终重建图像的信噪比得到提到, 将使定量更精确、显像更快、注射剂量更低、信噪比或临床图像的分辨率更高。而且TOF PET对图像质量的改进在肥胖患者要更显著。

NEMA2001模型研究表明, 直径40 cm的模型PET扫描所获数据中, 散射事件和随机事件的比例分别为40%和47%。用直径50 cm的模型 (浓度0.1μci/mL (1μci=3.7104 Bq) ) 模拟肥胖患者计数特性, 其散射分数可达59%, 而随机事件更是达到了97%。TOF技术在PET图像噪声方面的降低效应不止局限于真实事件, 对随机、康普顿散射事件也同样有效。而且由于随机事件和散射事件的重建范围比真实事件大, 因此TOF技术对源于重建随机和散射事件导致的噪声放大效应降低幅度更大。另外, TOF技术还有改善轴向分辨率和加快重建收敛速度的优势。

TOF PET初步临床应用表明, 由于信息分布更准确, TOF PET对于同一病灶计算得到的标准摄取值 (SUV) 和靶本比 (L B) 要高于Non-TOF PET系统, 这或许将有利于发现代谢活性略高于正常组织的病灶。

理论上, 如果TOF PET时间分辨率达到20 ps, 晶体切割合理, 那么正电子湮没辐射范围的定位精度可以达到3 mm。这种情况下, PET将彻底去除图像重建的需要。

TOF PET是PET技术上的一次革命。目前, 临床型TOF PET的系统时间分辨率是580 ps, 对正电子的定位精度达到了8 cm, 临床应用已经有了突飞猛进, 图像质量更好, 注射剂量更低, 扫描速度更快。有人预见, 如果采用LaBr3 (溴化镧) 晶体, TOF PET的系统时间分辨率有望达到300 ps之内, 图像质量、扫描速度和注射剂量都会进一步。

正如Wagner教授指出, TOF PET是一条可持续发展的路, 随着科技进一步发展, 时间分辨率会越来越小, 对正电子的定位精度越来越高, TOF PET将飞得更高。

如对飞利浦的PET CT感兴趣, 并希望索取更多有关信息, 请联系我们。

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飞行技术专业体检要求 第4篇

5.久治不愈的皮肤病，如头癣、湿疹、牛皮癣、慢性荨麻疹等;

6.慢性肠胃道疾病;

7.肝炎或肝脾肿大，HBsAg阳性;

8.肾炎或血尿，蛋白尿;

9.有传染病史、精神病家族史、癫痫病史;

10.颜面五官明显不对称;

11.晕车、晕船;

12.口吃;

13.耳朵流过脓，听力差，经常耳鸣;

14.视力低于0.5(环形C字表)(其中由中国民用航空飞行学院负责面试的体检规定为裸眼视力低于0.3或者矫正视力低于1.0或者屈光度超过300度)、做过角膜手术、斜视、色盲、色弱;

15.肺结核;

1比特激光飞行时间测量方法 第5篇

脉冲激光测距法以其电路结构简单、功率大等优点, 在长距离激光测距仪 (Laser Rangefinder) 中得到广泛的应用。

脉冲激光测距系统的基本原理是测量激光飞行时间 (TOF, Time-of-Flight) 。常用的时间测量方法有直接测量法和等效测量法。直接测量法即直接精确测量脉冲发射瞬间和脉冲回波到达瞬间的时间间隔。这类方法通常简单、明确, 但是对硬件电路的要求高, 往往由于精度要求太高而需要使用昂贵的物料。等效测量法即通过各种等效的手段, 以低成本、低精度的测量电路实现高精度的测量精度。这类方法相对复杂而且往往是通过牺牲测量的速度性能而获得高精度。

本文提出一种适合大批量手持式激光测距仪使用的结合1比特技术和多次平均技术的直接测量方法。在低成本的硬件结构下, 又保持测量的精度和测量的速度。

2. 脉冲激光测距原理

脉冲激光测距原理是测量激光飞行时间, 通过测量激光回波到达时刻点与发射时刻点之间的间隔即可以得出激光飞行距离。

飞行一次的时间。分析上式可知D的精度和误差完全取决于对T测量的精度和误差。

对于数字式直接测量法

其中Fclk为数字式计数器的计数频率, N为T时间内测出的时钟个数。由式 (2) 可以知数字式直接测量法的测量精度、误差以及最大量程, 由计数器的计数频率、频率稳定度和最大计数值确定。以精度为1米、量程为1000米计算, 要求计数频率为150MHz、最大计数值1000。

根据上面的讨论可知实现廉价而可靠的数字式直接测量法需要解决以下两个主要问题:

(1) 在较低的功耗下尽量提升测量频率。

(2) 提升信号信噪比, 减少误判。

3.1 比特激光飞行时间测量方法

3.1 测量方法原理

如图1描述, 信号检测电路将激光回波的光信号转变为电信号并进行约10万倍的放大;信号积分电路产生回波电信号的背景参考电平。两路信号同时输入高速比较器后, 当回波信号偏离背景参考电平时就产生回波数字脉冲。调节信号积分电路使背景参考电平与回波信号背景真值非常接近时, 高速比较器进入高灵敏状态, 即使很弱的光信号都可以被检测出来。

3.2 高速直接测量

图1所示的数据处理电路部分由高速低功耗FPGA实现。在现有技术下, 200MHz左右的数字电路已经可以用廉价的低功耗FPGA实现。数据处理电路以150MHz的速率记录高速比较器的输出信号并储存在内部SRAM中, 稍后通过处理器进行数据分析。整个数据处理电路的功耗可以控制在15m W左右。

3.3 数值平均方法

当高速比较器处在高灵敏状态是, 很弱的光信号可以被检测出来的同时, 很弱的电噪声信号也会被检测出来, 这样导致输出信号的信噪比恶化甚至使有效信号被淹没在电噪声产生的脉冲之中。

使用多次平均法, 可以有效提升信号的信噪比, 使系统有更强的抗干扰能力。对输入信号进行N次采样求平均后获得输出信号, 其信噪比为输入信号的。实现的前提是输入信号携带的噪声为随机噪声, 其数学期望为0。

4. 测试结果分析

4.1 等效采样精度

实测中在设计量程0-1000m上, 分别在10-20m, 100-110m, 200-210m, 300-310m以1m为间隔分别对测距仪的测量精度进行测试, 平均误差为0.5m。下图为200-210m上的误差曲线。

4.2 多次平均技术对信噪比的改善

下图给出了分别在30db信号和10db信号下多次平均技术对信号信噪比的改善, 可以看到信号得到了明显改善。

4.3 扫描速度

1比特技术最大的优势是扫描速度, 在10db信号下获取500米外墙体目标的平均时间是0.5秒, 较等效采样技术提升约3倍的时间。

5. 结论

本文在利用廉价低功耗FPGA硬件平台下以直接测量方式实现了激光飞行时间测量系统。在保持了1米的测量精度的前提下, 将系统的最小可检测信噪比从15-20d B压缩到5d B, 而平均测量速度提升3倍。本文所做工作已经通过实验室测试和实地测试并已经投入量产。

参考文献

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基于FPGA的飞行时间测量系统 第6篇

1 激光脉冲的噪音特性

激光三维视觉系统中影响系统探测性能的有4种常见噪音:光子噪音、散斑噪音、热噪音和背景噪音[2]。噪音以一定的信噪比叠加在激光脉冲上,给飞行时间测量引入误差,激光脉冲在时域是一个高斯脉冲分布:

式(1)中,fp为激光器重复频率,Pavg为激光器平均功率,τ为激光脉冲脉宽因子。根据4种噪音服从的分布,结合具体场景确定统计参量,利用MATLAB提供的ICDF函数可以仿真不同信噪比下的噪音时域分布,据式(1),30d B下的激光脉冲信号时域分布如图1所示。

2 时差测量方案仿真分析

时差测量的第一步是将含噪音脉冲整形成前沿极快的逻辑脉冲以触发高速计数器进行时差测量,这种整形技术就是定时技术。目前主流的定时技术有前沿定时法、过零定时法、恒比定时法和波形型形心法[3,4]。

利用含噪音的激光脉冲模型结合MATLAB仿真技术,分析在不同场景下4种定时技术的误差特性。图2仿真不同信噪比噪音对定时误差的影响,可知恒比定时对噪音抑制能力最强。图3仿真回波脉冲幅度变化对定时误差影响,由于探测目标在距离维有一定延展性,从而回波脉冲会有幅度变化,要求定时技术对幅度变化不敏感。图3结构表明,恒比定时和波形形心定时对回波脉冲幅度变化不敏感。综上,选取恒比定时作为飞行时间测量系统的定时方案。恒比定时的实现可以采用模拟电路,也可以采用数字电路。数字电路实现的优点是稳定性好,便于调试和集成化,本文采用数字方式实现。

定时模块输出的触发信号触发高速计数器进行时差测量,为进一步提高测量的精度,在时基计数的基础上,采用放大精测处理。即在一定的时基计数测量的基础上,通过内插细化定时点附近的波形来提高测量精度。

3 FPGA测量系统设计

本文搭建了以高速AD和FPGA为核心的飞行时间测量系统。硬件系统分为5个部分:(1)模拟前端,其是光电探测器与高速AD的接口,主要设计考虑包括阻抗匹配、放大倍数和带宽;(2)高速AD,采用的是TI公司的ADC08500,采样率高达500MHz,采样位宽8Bit;(3)高速时钟发生器,该文采用专门的时钟发生芯片CDCM61001搭建采样时钟电路,以降低相位噪音,提高测量精度;(4)FPGA信号处理,采用的是xilinx公司的Spartan-6系列的XC6SLX16;(5)电源和接口,为系统提供与控制PC通信的USB接口。

在该硬件平台上,采用VHDL语言实现飞行时间测量算法。回波信号经采样后时差信息包含在数字序列中,通过FPGA的算法提取出来,数据处理的算法框图见图4。输入到FPGA的数据时500MSPS的高速数据流,在如此高速率下,FPGA很难实现处理算法的时序收敛,进行实时处理。因此,本文采用乒乓处理结构,输入的数据流分时地输入2个FIFO缓存器内。每个FIFO缓存器都对应着一个定时处理模块(Timing Processor),这样每个定时处理模块的处理的数据流速率可降到250MSPS,较容易实现时序收敛。由于存在2个定时模块都可以触发高速计数模块进行计时,因此必须保证2个模块之间时序的协调和防止重触发。本文通过在控制模块(Control Block)中设置标志寄存器、进行偏移修正来实现。

每个定时模块内部如图5所示,除了进行数字恒比处理(DCFD)外,还需要对数据进行预处理:去基线处理,由于前端模拟温漂和AD采样的固有基线,输入信号基线不稳,会造成数字运算时有效位宽减小、截断误差增大,且有可能造成叠峰而引起脉冲误判,去基线可解决该问题,具体采用数据平均法实现;滤波处理,通过频域滤波提高信号信噪比,为了防止数字信号的时间信息的畸变,需采用线性相位的FIR滤波器。定时处理模块的数据率很高,为保证数据吞吐量,FIR滤波器采用并行结构实现。

该系统数据率高、信号繁多,保证每个信号时序正确对时差测量至关重要。除了严格设置每个信号寄存器的时序关系外,还可以利用Model Sim对VHDL程序进行时序仿真和微调(见图6)。

4 测量实验

利用信号发生器模拟激光发射信号和回波信号,输入到时差测量系统进行测试。使用AFG3252波形发生器产生两个时差确定的高斯脉冲波形,模拟发射信号和回波信号,输入到时差测量系统中,PC读出测量值。同时,DPO4054B示波器测量每个脉冲波形时差,对比示波器读出值和系统测量值(见图7)。

PC发出指令控制时差测量系统对高斯脉冲进行测量,通过USB接口上传数据到PC。时差测量系统的输出时差测量值由两部分组成:粗测值和精测值。粗测值的时间分辨率为2ns,精测值的时间分辨率为100ps。实验对10组不同的时差值进行测量,每次测量重复进行10次,得到的数据如表1所示。

表1中实际的时差值是示波器的测量值,波形发生器设置产生的脉冲时差与示波器测量得到的脉冲时差并不一致,这是由于波形发生器的任意波形设置的精度只有1ns原因所致。由表1数据可知,时差测量系统的测量平均误差为0.492ns,真空光速c=3×108m/s,测距误差∆s=∆t×c/2,则对应的测距误差为0.073 8m。误差存在的原因是硬件电路存在一定噪音,以及FPGA信号处理时存在的数据截断误差。

5 结语

本文分析激光三维视觉系统含噪音情况下时域波形特性,通过MATLAB仿真提出恒比定时与放大精测相结合的飞行时间测量方法。然后设计以FPGA为基础的硬件平台,用VHDL语言实现时差测量算法,经实验验证该系统的时差测量误差小于0.5ns,具有一定的实用价值。为提高测量精度,可考虑采用更高采样率的AD、优化算法等途径。

摘要：以直接探测体制的激光三维视觉系统为背景,分析距离维探测中激光脉冲的噪音特性,利用MAT-LAB仿真技术分析4种定时方案的误差特性,提出恒比定时技术结合内插放大技术的飞行时间测量方案,基于该方案设计以FPGA为基础的飞行时间测量系统。

关键词：飞行时间测量,FPGA,激光三维视觉

参考文献

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[3]Amann M C,Bosch T,Lescure M.A Critical Review of Usual Techniques for Distance Measurement[J].Optical Engineering,2001(1):10-19.

飞行时间技术 第7篇

飞行时间质谱仪自投入使用三年来,主要面向校内外科研工作者服务,利用率高,成果显著,为提升我校的科学研究水平做出了较大的贡献。如何激发飞行时间质谱仪的最大潜能,发挥其应有的科研价值,迫切需要我们一线设备管理人员深思和探索。为进一步提高飞行时间质谱仪的使用效率,拓宽生命科学前沿性技术的应用,提高国际创新性科研成果的产出,开放共享尤为重要。另外,飞行时间质谱仪属于大型精密贵重仪器,融合了光学、机械、电子、物理、化学以及计算机等方面的高精尖技术,运行成本高、维修费用昂贵,为保持其在整个生命周期内正常无故障运转,日常管理与维修、保养更显重要。

1 飞行时间质谱仪的开放共享

1.1 开放式共享管理模式

为了合理配置优质资源,提高仪器设备的使用效率,提升科学研究水平,我院于2011年建立了生命科学公共技术共享平台。该共享平台整合了全院原有的70多台大型仪器设备,新购置了飞行时间质谱仪等10余台“高、精、尖”大型仪器设备,科学化地建立了基因组学、蛋白质组学、细胞和影像分析学以及药物筛选学等4个技术服务体系。在充分调研和讨论的基础上,共享平台建立了“开放共享、协作共用”的科学管理机制,制定了《飞行时间质谱仪开放共享管理办法》和《飞行时间质谱仪使用预约守则》等规范性文件,为飞行时间质谱仪的使用提供了有效的依据和指导。共享平台还自主研发并创建了基本信息管理系统、预约管理系统、培训系统、订单信息统计系统、费用统计系统以及工作状态检测系统等数字化信息网络系统,面向校内外科研工作者,实行24小时全方位开放式共享管理运行模式。共享平台将飞行时间质谱仪的全称、型号、主要技术指标等信息上传网络进行公布。[5]透明化的开放共享管理便于全校师生全面了解仪器设备信息并进行方便的网络预约使用。使不同层次的实验资源横纵贯通,打破传统的条块分割和封闭式管理,真正实现了大型仪器的共享使用。

1.2 严格化专管责任制

飞行时间质谱仪属于贵重、精密、技术含量高的仪器设备,需要较高水平的技术人员管理、操作、开发。共享平台组织成立了仪器专家管理委员会和仪器管理专业团队。仪器专家负责飞行时间质谱仪等大型仪器设备的技术指导和引领前沿科研项目。专业管理团队由11名平台专职仪器管理人员组成,负责大型仪器设备的操作、保养维护以及功能开发。“双专”队伍相互合作是提高大型仪器设备的使用效益,培育高水平科研成果的有力支撑和保障。为避免发生人员不在岗仪器设备停用的现象,每台仪器设备均设有主管和辅管2名技术人员,专职负责完成飞行时间质谱仪的设备培训、管理、操作、维护、维修等工作,使仪器设备始终保持良好状态,提高仪器设备使用效益。另外,专职管理人员还要负责飞行时间质谱仪实验室的使用协调和卫生管理监督工作,使该仪器设备的运行更加有序化、科学化、制度化。为了不断提高管理人员的技术水平,共享平台定期邀请专家教授讲解飞行时间质谱仪的先进实验技术,定期组织讲座和学术交流等系列活动,积极学习大型仪器设备的使用方法和维护知识。并为管理人员创造机会参加国内外的培训交流,通过技术交流全面的掌握仪器设备的先进技术知识,了解相关技术的发展动态,拓宽仪器设备功能开发的新思路,提升科学研究的质量。

1.3 多方面拓宽实验资源

为了提高飞行时间质谱仪的开放共享效益,共享平台开通多种渠道,不断拓宽实验内容,努力挖掘实验资源。在充分满足本院教师和研究生科研工作的同时,积极参与本科教学工作,现已开展了电泳-MALDI质谱分析的生物化学本科综合大实验,将传统生化实验和先进的飞行时间质谱仪结合,深化了本科生实验内容,开拓了专业视野,提高了实验技能,对培养学生创新思维和能力具有重要作用。[6,7]同时,飞行时间质谱仪也面向全校本科生的创新实验项目和毕业论文设计开放,为本科生提供了良好的实验条件,使学生充分了解飞行时间质谱仪的最新功能和技术,培养了其分析、解决问题和实践创新思维能力,为培育创新型人才提供了有力保障,进而实现了飞行时间质谱仪的高层次开放共享,有效地提高了优质资源的利用率。[8,9,10]另外,共享平台也积极开展合作业务和校外有偿测试服务工作,现已经与吉林大学化学学院、无机超分子实验室和物理学院展开基金项目合作。通过不断的合作探讨和相互学习,不但提高了实验样品的测试质量,而且能使仪器设备发挥其应有的价值,进而实现“以机养机”的目的。

2 飞行时间质谱仪的日常管理和维护保养

2.1 周密严谨的日常管理

周密的日常管理是使仪器设备保持良好运行状态的保障。为了加强大型仪器设备的日常管理工作,共享平台安排了严格的24小时轮流值班制度,制定了详细的日常巡查记录本,要求实验技术人员每天定时巡视4次,进入大型仪器设备实验室要做到“一听,二看,三闻”:一听仪器内部有无异常声音,二看仪器控制计算机有无警告或异常信息,有无水、电、火等安全隐患,三闻实验室内有无异常的气味、焦味、臭味。详细记录仪器设备室的温湿度,仪器设备使用及运转情况和各实验室的卫生清洁情况,做到及时发现问题,尽早解决问题。共享平台还设立了飞行时间质谱仪日常保养记录,主要记录样品靶的清洗、更换时间,基质的配制周期,过滤风扇网的清理,机油的更换时间以及仪器设备的定期校正等工作。及时填写《贵重精密仪器使用记录本》,如实记录仪器设备使用机时、测试项目、测试要求、使用前后的状态、运行情况以及使用人员等情况;坚持详细的使用、保养记录,不仅便于技术人员按照记录快速准确的及时查找仪器故障原因,也有助于设备管理部门真实有效的统计各仪器设备的使用效益。

2.2 稳定安全的运行环境

安全稳定的工作环境是保持大型仪器正常运转的前提条件。飞行时间质谱仪安装在安全、防震、防潮、防尘、无噪音以及防电磁干扰的单独实验室区内[11,12],设有智能门禁管理系统,远程视频监控系统,仪器设备管理者对实验室进行权限进出,保证仪器设备室的安全;设有24小时过滤通风系统,保持环境良好的无灰尘通风状态;安装2台立式空调,保持室内温度在22℃左右;仪器设备配备有UPS持续稳压电源和断电自动报警系统,避免因突然断电导致仪器设备闪坏。另外,共享平台每年定期举办实验室安全基本知识培训,强化实验室安全意识,介绍实验室安全基本常识,认识实验室内的化学药品潜在的危险性,并演示消防器材的正确使用及有效的应对措施。飞行时间质谱仪器室内设有紧急淋浴装置,医疗卫生箱和化学废液桶及生物垃圾箱。棚板、地漏、电源箱和插座均做了防水处理,时刻保持实验室的出口和安全通道畅通无阻。

2.3 科学化的保养维修

由于飞行时间质谱仪价值高、专业化和集成化程度强等特点,采取多行并举的科学化维修保养方式,才能够切实有效地降低维修成本,提高使用效率,最大限度地创造其科研价值。开机前,仔细观察实验室的温度、湿度及稳压电源的供电情况,确保满足开机条件后再启动仪器设备。[11,12,13]启动后需要自行稳定24小时后再进行测试使用。测试前,一定要保证液体样品和基质结晶完全,否则进靶后样品挥发会污染仪器。另外,高压开启稳定半小时后再进行测样工作;按照样品特点,正确调节激光能量;测样结束后,要将高压关闭后再退靶。管理人员要积极进行仪器保养,定期对光路和电路系统进行除尘处理,对机械系统进行润滑保养,对真空系统进行密封件检查更换并及时查看油泵油面的高度。若发生较大故障时,通知专业的维修部门前来修复,绝不能自行修理,以避免产生不应有的损失。落实仪器设备维修申报制度,确实把仪器设备维修过程做到合理化、规范化,仪器设备故障维修后做好维修记录,如实填写飞维修记录登记表。

3 结束语

飞行时间质谱仪的科学高效管理是一项长期艰巨的工作,需要在实践工作中积极探索、勇于创新。公共技术平台的飞行时间质谱仪自2011年7月安装使用以来,努力实行全方位开放机制,至今使用机时达0.5万小时,测试样品数约1万个,为生命科学领域和化学合成的发展带来了质的飞跃。近三年,应用飞行时间质谱仪共发表SCI论文12篇,完成科研基金项目2项,为我校的科研工作做出了巨大的贡献。但随着我校交叉学科和前沿学科的发展与建设,对飞行时间质谱仪的使用提出了更多的需求,要求我们不断地积累经验,拓宽视野,拓展仪器新功能,不断提高仪器的使用效益,延长仪器的有效生命周期,更好地为教学和科研提供切实有效的支撑与保障。

摘要：高校实验室担负着培养人才,创新科技,服务社会的使命。大型仪器设备的开放共享和维修保养是确保教学和科研工作顺利进行的关键。本文结合飞行时间质谱仪的实际管理和使用情况,探讨了其开放共享的管理策略和科学化的维修保养方法,不仅提高了飞行时间质谱仪的使用效率,而且通过周密严谨的日常管理工作,延长了该仪器的生命周期,挖掘了其在教学和科研中的最大潜能。

飞行时间技术 第8篇

1 实验使用的仪器设备

由于需要使用全二维气相色谱——飞行时间质谱技术来对原油样本进行分析, 因此, 选用的仪器为气相色谱仪和飞行时间质谱仪组成。

2 实验使用的原油样本的组成

由于原油样本是由各种不同的烃类物质组成, 现今对原油样本中烃类物质进行分析主要使用液相色谱或者是气相色谱, 但是以上这两种方法无法对原油中的烃类物质的详细组成进行分析, 而仅能得出烃类物质的类型和含量等数据, 在获得以上数据的同时也能得到原油中所含有的胶质和沥青质物质的含量, 而使用多维色谱法是由多种分析方法相结合能够完成多种烃类物质的分析, 但是多维分析法操作较为复杂, 分析过程较长, 容易在中间环节出现问题, 因此, 多维分析法不适合在油气地质实验中使用。

而使用全二维气相色谱——飞行时间质谱对原油样本进行分析, 可以较为方便的得到样品中所含有的烷烃类化合物、苯系列化合物以及其他系列化合物的分布特性和其在原油样品中的含有量。图1为全二维气相色谱——飞行时间质谱仪的原理示意图如图1所示。

3 原油中所含有的轻烃类物质的分析

现今, 在对原油采用的分析方法中对于原油样品中的轻烃类物质的分析主要采用的是气相色谱分析技术, 但是在其能够分析的烃类化合物中有一部分无法实现烃类物质的分离, 从而造成对于各种原油中的烃类物质的鉴定准确率不高。而使用全二维气相色谱——飞行时间质谱分析技术对原油样品进行分析发现, 其既能得到样品中的烃类物质组成的详细数据, 还能得到各种烃类物质所显示出来的特征。

4 使用全二维气相色谱——飞行时间质谱得到的生物标志物分析

使用全二维气相色谱——飞行时间质谱分析技术能够对烃烷类的物质进行生物标记的分离, 从而能够分离出更全面的数据, 为我们研究石油地质提供更好的依据。而使用全二维气相色谱——飞行时间质谱分析技术对原油样品中的芳烃类物质进行分析后发现, 使用此种方法能够使原油样品中的芳烃类物质得到全面的分离, 并将其通过将其列举在不同的谱图区带上, 使用石油地质化学研究人员能够将这些区带进行全面的分析对比, 从而可以更好的进行研究。通过对谱图区带上的图谱进行分析后发现, 原油样品中的芳烃类化合物系列和菲系列物质的分析图谱在显示出的3D图上呈现出较为明显的叠瓦特性。

原油样品中的三芴系列化合物由于具有相同的先质, 因此, 其在不同的测试条件下对于含量的显现极为不同, 例如, 在测试中采用较强的还原特性下硫芴显现的较为明显, 而原有地质化学研究人员通过对由全二维气相色谱原油分析技术所得到的对样品周边环境和生源的生物技术指标进行分析解读, 可以推断出历史上形成样品生物层的沉积生物母体的类型和其进行地质地层的沉积时所处的环境。与此同时, 通过使用全二维气相色谱分离出来的硫芳烃类化合物DBTS参数除了具有成熟度参数的特性, 还对于油气运移研究中起着重要的指导作用。同时使用全二维气相色谱——飞行时间质谱分析仪能够完成对于石油样品中的三芴系列化合物的分离和对于其物质的定量分析, 硫芴、氧芴以及芴类化合物在质谱区间图上处于不同的区域, 而含硫芳烃分离完全, 从而使各单体化合物能够进行相应的数据进行对比, 特别是在对氧芴化合物进行分析的过程中, 使用联苯系列对氧芴系列的干扰能顾确保其完全排除。所以, 使用全二维气相色谱——飞行时间质谱分析技术能够更好的完成对于原油样品中的三芴系列化合物的定性和定量的分析。

结语

现今, 通过使用实验室石油地质化学分析技术在石油勘探的过程中发挥着重要的作用。而全二维气相色谱——飞行时间质谱分析技术能够将分析得到的数据通过拟合来形成一组相应的化合物的2D轮廓图和3D的色谱质谱图, 使研究人员能够更好的通过图谱来对原油中所含有的化合物的特征进行对比分析, 同时通过对第一根分析柱分离而得到的单体组分进行切割分段, 并使其都通过第二根分析柱, 分析软件通过对通过分析柱的测量鉴定结果进行合并峰处理, 同时对在第一根毛细柱上且无法完成分离的有极性差异的共流混合物由于第二根毛细柱极性的新模式下, 有时在软件无法完成处理时需要人工进行手动拆分处理。

摘要：随着我国经济的快速发展, 对于石油的需求量也越来越多, 在石油的勘测过程中使用全二维气相色谱—飞行时间质谱技术来对开采出来的石油地质样品进行了分析研究, 通过使用此项技术来对原油进行分析能够直接显示原油中的组分, 各种烃类物质的组成分布在特征区域, 此项技术在石油勘探研究中有着非常广泛的的应用。

关键词：全二维气相色谱,飞行时间质谱,烃类物质

参考文献

[1]丁洪生, 孙兆林, 等.毛细管气相色谱法分析轻烃族组成[J].石油化工高等学校校报, 2004 (17) .

[2]张美珍, 蒋启贵, 等.原油轻烃反吹色谱分析[J].石油实验地质, 2007 (26) .

动量法翼型阻力飞行测量技术 第9篇

关键词：飞行试验,翼型阻力,动量法,尾流探头,尾流耙

翼型阻力的测量主要有风洞实验和飞行试验两种手段。在风洞试验中,翼型阻力的测量主要有动量法,天平测力法、激光多普勒测速法等测试方法,其中应用的最成熟和最普遍的方法就是动量法。而在飞行试验中,至今仍主要采用动量法来测量翼型阻力。

国外很早就开始关注翼型阻力测量方面的研究[1],到了二十世纪七八十年代,进行了多次翼型阻力测量的飞行试验[2,3,4,5],直到现在这方面的研究还一直在进行着[6]。国内对翼型阻力测量的风洞实验进行了不少的研究[7,8],但相应的飞行试验研究却很少,在这方面的飞行试验数据一直是相当缺乏的。

1 动量法测试原理

气流流过翼型,会在翼型后面形成尾流,翼型所受的阻力越大,尾流区内气流的机械能就越小。如果能测出尾流内的流场参数,就可以用动量定理算出模型所受的阻力。

取一控制体(见图1),其中0截面取在翼型远前方,此处气流未受到翼型扰动,故气流参数为来流静压p∞,密度ρ,来流速度V∞,来流总压p0。Ⅰ截面在模型的远后方,此处气流的静压已恢复到p∞,密度为ρ,速度为V1,总压为p01。上、下控制面离翼型无穷远,其上的静压为p∞。根据动量定理便可推导出模型所受阻力D的积分表达式。

但因Ⅰ截面在离翼型无穷远处,尾流区为无穷大,所以积分限也是无穷大。这样做实际上是不可能的。为此,在翼型后适当位置取截面Ⅱ,假设在这个截面上尾流内的静压已保持为常数,并且气流在ⅠⅡ截面之间没有能量损失,因此Ⅱ截面上尾流内的总压也是p01。而在尾流外,认为气流没有能量损失,总压p0保持不变。令在Ⅱ截面处气流的参数为p2,ρ,V2,p01(尾流内),p0(尾流外)。且将p2的下标省略而用p表示尾流内的平均静压。

则在低速下(Ma<0.4)阻力系数的计算公式为:

$C{}_D=\frac{2}{c}{\displaystyle {\int }_w\sqrt{\frac{p{}_{01}-p}{p{}_0-p{}_{\infty }}}}\left[1-\sqrt{\frac{p{}_{01}-p{}_{\infty }}{p{}_0-p{}_{\infty }}}\right]\text{d}y(1)$

式(1)中:c翼弦弦长;

y位于Ⅱ截面与来流垂直在翼型厚度方向坐标;

w积分范围,即尾迹区(由于在Ⅱ截面处尾流外的总压等于p0,故积分只需在尾流内进行)

在高速下(Ma≥0.4),各截面的气流密度不同,阻力系数的计算公式为:

式(3)中:γ=1.4,为气体比热比。

2 试验飞机与测量设备

动量法测翼型阻力的飞行试验可在多种试验机上进行,如战斗机、滑翔机、支线运输机等均可作为试验飞机。美国就曾在F8超临界翼试验机[2]、TG3滑翔机[3]、T6滑翔机[4]、DHC6“双水獭”支线运输机[5]等飞机上进行过翼型阻力测量的飞行试验。

在动量法测翼型阻力的飞行试验中,必须对翼型尾流内的总压和静压进行测量。从国外的飞行试验资料中可知,尾流内总压和静压的测量设备主要有两类,一类叫做尾流探头,另一类叫做尾流耙,分别可见图2和图3。

尾流探头的典型构造如图2所示,整个系统一般由总静压管、支撑管、固定装置、驱动电机、位置指示器及压力传感器等组成。尾流探头通常安装在机翼的后缘,并通过固定装置使其固定,其在飞机上的典型安装方式可见图4至图7。在试验中,总静压管一般可进行90°或180°的旋转,为了有效利用后掠机翼的特点,总静压管应靠近翼根一侧布置,以使总静压管能够距离机翼后缘更远。尾流探头的尺寸根据具体的试验情况而确定,应尽量保证总静压管在旋转过程中能够捕获整个翼型尾迹区。

尾流耙的典型构造如图3所示。在飞行试验中,尾流耙上的总压管通常有二十几个,而静压管一般布置3个。总压管之间按照一定的间距排列,保持准确的间隔特别重要,因为在测量尾流时,管的位置稍有不当就会引起相当大的误差。静压管一般不位于总压排管平面内,而以位于总压管平面内侧(相距10.16 mm(0.4英寸)左右)较为方便。尾流耙的尺寸应根据具体的试验情况而确定,排管的高度应以能捕获整个翼型尾迹为原则。尾流耙一般通过悬臂梁连接到机身上,典型的安装方式可见图8和图9。

两种测试设备各有特点。尾流耙的测试精度较高,但结构复杂,改装困难,一般不适于在高速飞行时进行测量;尾流探头的测试精度稍低于尾流耙,但其结构简单,改装方便,低速和高速时都可使用,在飞行试验中应用较广。

3 试验方法与测试难点

在飞行试验中应用动量法进行翼型阻力测量主要有以下几个步骤:

1)尾流探头或尾流耙的设计与制造;

2)尾流探头或尾流耙的校准试验;

3)测试设备的安装与固定;

4)飞行试验并进行数据采集;

5)数据处理与分析。

一般认为,总压的测量结果是可靠的,而静压的测量结果会有误差,因此需要对静压进行校准和修正。对于来流静压,一般通过对飞机的空速系统进行校准来给出其修正量;而对于尾流内静压,则需要单独对尾流探头或尾流耙进行空中校准试验,给出其在飞行中的静压修正量。

在动量法测翼型阻力的飞行试验中,还存在以下一些测试难点和限制条件:

1)尾流耙的设计。要确定尾流耙总压排管的尺寸及排列,排管的高度应以能捕获整个翼型尾迹为原则。总压排管应尽量布置得密一些,但又要避免其相互之间的干扰。此外,还要在尽量减轻测试设备结构重量的情况下保证尾流耙有足够的刚度;

2)尾流探头的设计。一是要合理设置总静压管的旋转速度,旋转速度太慢,则测试时间太长,在飞行中很难保证测试条件的一致;若旋转速度太快,则每个位置的测试时间就会太短,难以采集到较为稳定的总静压数据。二是要合理确定尾流探头悬臂的长度,以使总静压管在旋转过程中能够捕获整个翼型尾迹区;

3)尾流探头或尾流耙的安装位置。在飞行试验前,首先要确定尾流探头或尾流耙与机翼后缘之间的距离。距离太近,将导致对翼型流动的干扰,改变翼型的压力分布;而距离太远,则尾迹区范围越大,所需测试设备的尺寸也会越大;

4) 试验机改装。如何把尾流探头或尾流耙改装到机翼上,不影响飞机的正常操作,保证飞行安全,也是一个难点。

4 数据处理与不确定因素分析

在飞行试验结束后,由数据预处理可以得到来流总压p0、来流静压p∞、尾流总压p01、尾流静压p、尾迹区范围w以及飞行马赫数等测量值,然后根据公式(1)或公式(2)、式(3)即可以计算出低速或高速下翼型的阻力系数CD。

测试结果的误差主要包括系统误差、随机误差和粗大误差。粗大误差可根据格拉布斯准则等方法加以剔除;随机误差可由相关的标准差或间接测量误差公式进行计算;而飞行试验中的系统误差较多,并会对飞行试验结果造成不确定的影响。

在飞行试验中影响翼型阻力测量的不确定因素主要有:

1)位置效应。是指测压管扰乱当地流场从而给总静压测量的精确度造成的影响。因为气流在流过飞机和测压管时,会产生一个有压力梯度的流场。同时,气体的黏性也会对压力测量产生一些影响;

2)气动延迟。是指气动压力管道在动态条件下的响应延迟。研究表明,延迟时间与压力成反比,随着飞行高度的下降延迟时间也相应减少。气动延迟时间还与气压管道的长度、管径大小等因素有关;

3)涡流影响。在实际飞行中,翼型表面会出现气流分离现象,将会有涡流形成。涡的存在不但会造成气压管道的时间延迟,阻碍压力测量设备的动态响应,还会引起局部气流方向的改变,尤其是大尺度结构涡的存在将会对压力测量精度产生较大的影响;

4)三维效应。三维效应的存在将使分离气流沿翼展方向发生变化(即横流现象),其中主要有翼根效应和翼尖效应等。

5 结束语

本文主要对动量法翼型阻力测量的飞行试验技术进行了研究。文中首先对动量法测量原理和试验飞机进行了简要介绍,然后重点对两种测试设备:尾流探头和尾流耙进行了研究,并提出了相应的飞行试验方法和测试难点,最后初步给出了数据处理方法和不确定因素分析。

国内已对翼型阻力测量的风洞试验技术进行了一定的研究,但相关的飞行试验并未进行,与国外先进国家相比,我国在这方面的研究还比较薄弱。因此,非常有必要开展翼型阻力测量方面的飞行试验研究。

参考文献

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[7]恽起麟.风洞实验.北京:国防工业出版社,2000