激光動態液位測量技術研究

楊潤澤，湯玉美，邱 劍，劉克富

(復旦大學信息科學與工程學院，上海 200433)

0 引言

在航天領域，液體推進劑具有比沖大、可自由調節推進動力、可多次點火等優勢。航天發動機的液體推進劑的使用量和剩余情況以及實時流量是非常重要的飛行數據，需要精確測量并實時監控。

激光作為新興技術以其高亮度、高方向性和高相干性等獨特優勢，可被應用于測距領域。激光的高方向性使其能在長距離傳輸的同時，仍保證極高的功率密度，可作為長距離的信號傳輸載體。激光的高相干性使其能夠克服湍流等大氣帶來的負面影響，并且可進行精確的相位控制和測量。由此可見,激光在測距領域具有其獨特的優勢。本文研制了一種新型相位式激光液位測量裝置，可對推進劑液位進行實時高頻率精確測量。

1 幾種常用液位測量技術原理及其特性

運載火箭對推進劑液位精度要求高，同時貯箱處于加速度大幅變化和振動劇烈的飛行工況中，這對液位測量裝置提出了更高的要求。表1介紹了幾種常用的液位測量裝置的原理和特點，并分析比較了其在航天測量的適用性。

表1 液位測量方法比較[2]

由表1可見，相位式激光液位測量裝置較之傳統方法具有一定優越性，能滿足航天發動機推進劑液位測量的要求。

2 運載火箭相位式激光液位測量系統

本文設計的相位式激光液位測量系統由激光發射器、信號接收器、反光板和實時監控與控制客戶端組成。客戶端有控制測量時間、測量頻率及歷史數據儲存等功能。

相位式激光測距的原理流程如圖1所示，信號發生器產生測量信號并與激光調制后經過光學系統發射至待測物體。反射光波通過光學透鏡匯聚后由光電接收器接收，接著通過電路進行濾波和放大得到低頻的返回測距信號。

調制信號發生器同時會發出一個與回波信號同頻的參考信號，這是為了確定信號傳播過程中的相移，該相移與光程成正比例關系。因此，確定光波的總相位移就可以得到光程。

圖1 相位式激光測距原理流程圖Fig.1 Phased laser ranging principle

設從發射到接受到回波信號的時間為

t

,與待測物體距離為

L

,

c

為空氣中的光速。則距離

L

可由下式求得

(1)

在得到相位差后如圖2，

t

可通過另一個公式得到

(2)

(3)

式中，

ω

為光波的角頻率，

f

為光的頻率，

N

為相移的完整周期數，Δ

φ

為不足一周期的相移。

因此

(4)

式中，

λ

為調制信號波長。

圖2 相位差示意圖Fig.2 Phase difference diagram

故只需得到光波走過的完整周期數

N

和 Δ

φ

就可以得到待測距離。若把用于測量的調制激光看作距離的測尺，則相位激光是一把光尺，光尺長為

λ

/2，那么

N

就是待測距離容納的整尺數，Δ

φ

/2π為余下不足一整尺的距離。可見，當待測距離小于光尺時，

N

=0。本文采用調制頻率為1.5 MHz的測量光束,因此其光尺長度為100 m,考慮到液位測量距離遠小于100 m,故只需確定Δ

φ

便可得到待測距離。在實際的測量中Δ

φ

可直接由鑒相器得到，而

N

可通過分散的直接測尺頻率方法求得。為保證相位測量精度，需要選取高的調制頻率，但考慮到高頻時鑒相難度較大，故先通過混頻將參考和測量信號轉為中頻信號，這樣頻率降低后信號周期將擴大上百倍，從而提高測相的分辨率。接著利用差頻測相法測量，原理如圖3所示。從得到的參考混頻信號可以看到，經過差頻所得到的信號相位差沒有改變，仍為Δ

φ

=

ω

t

2。

圖3 差頻測相法原理圖Fig.3 Schematic diagram of difference frequency phase measurement

對經過混頻的差頻信號做自動數字鑒相處理。數字鑒相器通過采樣得到離散數字信號，利用兩同頻率正弦信號的零時延互相關函數值與其相位差成正比的原理得到相差，同時由于噪聲與測量和回收信號相關很小，故數字鑒相法有較好的噪聲抑制能力。數字鑒相器使用CPU處理器作為核心處理單元，測量精度高，抗干擾能力強，可應用于高精度鑒相。考慮到電路中溫補晶振的誤差為±1×10,其對應的相位測量精度為3.6×10°，則在調制頻率為1.5 MHz時理論最小測距誤差為0.1 mm。但受到大氣流動和探測器接受的回光信號的隨機噪聲影響，實際測量誤差為±1 mm。

3 實驗結果與誤差分析

本文設計并搭建了液位測量實驗平臺，如圖4所示。實驗以水為待測液體，根據Daimon等研究得到純水對光的反射率約為0.02，可見其對光信號反射較弱，因此加入反射板以保證實驗測量結果準確。圖5為激光液位測量系統的客戶端監控窗口, 發送區可發送串口指令對測距儀進行調試，接受區可實時顯示并記錄液位高度并導出歷史數據,右側2維畫面可直觀顯示當前液位高度。圖6為測距儀器結構圖。

圖4 實驗測量平臺Fig.4 Experimental measurement platform

圖5 液位測量客戶端Fig.5 Level measurement client terminal

圖6 測距儀器結構圖Fig.6 Structure the device

實驗將液位每次提高標準刻度100 mm，多次測量將測量值差值與標準刻度100 mm比較，最終得到數據如圖7所示。可見平均誤差在±1 mm，滿足應用要求。

圖7 液面每增加100 mm的測量差值圖Fig.7 Measurement difference for each 100 mm increase in liquid level

飛行過程全箭的振動將導致推進劑液面波動，因此液位測量儀要能對燃料罐內動態液面進行實時監控。為模擬燃料罐的晃動，引入氣泵使容器內液面產生波動，實驗分別測量波動液面和靜止液面的數據，對比結果如圖8所示。測量數據顯示液面振動周期約為3 s,振幅約為2 mm。可見激光測距儀高頻測量的特點能很好地滿足動態液面的測量需求。

在實際環境中，液體推進劑會存在部分霧化的情況，這些霧氣會對諸如雷達測距儀等測量儀器產生干擾。由于激光具有高相干性，其在濃霧中有很強的穿透性，能保持較好的準直和高功率密度。本文通過在容器中加入煙霧來模擬實際應用場景，在PM10煙霧濃度為0.8 g/m時測得的數據如圖9所示。兩種場景下測量差值小于1 mm,屬于測量誤差范圍。由此可見,濃霧并不能對激光液位測量造成干擾。

圖8 動態液面與靜止液面對比圖Fig.8 Measured dynamic liquid level and static liquid level

圖9 霧對激光測距產生的影響圖Fig.9 Effect of fog on laser ranging

4 結論

本文設計的測量系統由激光器、信號接受和處理裝置以及客戶端軟件組成，該系統在實時監測液位的基礎上，能夠計算當前燃料加注和使用的流量。同時，激光器和信號處理裝置可安裝在罐外，非機械和非接觸式的設計使該系統具有相當的可靠性和安裝便捷性。因此驗證了激光液位測量的可行性。

激光測距系統能滿足航天推進劑液位測量要求，并且相比于其他測量方式具有高精度、高反應速度和適應多種測量環境的優越性。激光液位測量系統能實現多點動態測量，并進一步繪制3D動態罐內液面情況，是一項具有廣闊應用前景的新技術。