專利名稱：基于三角波電流調(diào)制的激光自混合多維速度測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于三角波電流調(diào)制的激光自混合多維速度測量裝置及方法，特別適用于水體流速、固體顆粒物運動速度的快速非接觸測量。
背景技術(shù)：
對于復(fù)雜的多維運動速度測量，目前被證明較為有效的是激光多普勒測速技術(shù)。激光多普勒測速技術(shù)具有非接觸性、響應(yīng)快、空間分辨率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)、化工、水利、生物醫(yī)藥、環(huán)境等諸多領(lǐng)域的流速測量，特別是三維流動速度的測量?！ぴ诩す舛嗥绽斩嗑S速度測量技術(shù)中，主要采用參考光束型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。通過入射激光和參考激光的相干疊加分別得出不同方向上的多普勒頻移，即對應(yīng)不同方向上的多維速度分量。但由于采用多個分光器件和探測器，并需將光程差保持在激光相干長度之內(nèi)，存在系統(tǒng)復(fù)雜、光路很難調(diào)整等問題而很難得到充分的發(fā)展和應(yīng)用。隨后，逐步發(fā)展了采用多譜線激光器和聲光調(diào)制器等方案，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號分離方面均有所改進(jìn)，同時也產(chǎn)生了新的問題多譜線激光器價格昂貴、壽命短，不利于推廣應(yīng)用；聲光頻移裝置的頻移幅度有一定限制，引入的分光器件提高了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。由激光多普勒技術(shù)發(fā)展而來的激光自混合技術(shù)(即激光器的出射光經(jīng)外部物體散射或反射后，部分光反饋回激光腔形成新的諧振，通過測量激光功率、頻率的變化來獲取外部物體運動、形貌等信息的測量技術(shù))，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)節(jié)且不受激光器功率波動影響等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于速度、位移、距離等物理量的高精度測量。但是，在多維速度測量方面，由于激光自混合測量系統(tǒng)一般均采用內(nèi)置探測器，多維速度分量相互疊加，同樣存在速度分量信號無法提取、方向無法識別等問題。理論上，多套激光自混合系統(tǒng)同時在不同的方向或位置上進(jìn)行激光自混合傳感，即可實現(xiàn)多維或多點傳感。1998年，法國的T. Bosch教授率先采用掃描方案實現(xiàn)三維面型的準(zhǔn)確測量，隨后又采用兩個激光器實現(xiàn)較高精度的固體表面二維速度測量。2008年，意大利巴里大學(xué)的S. Ottonelli等采用三個獨立的DFB激光器作為光源，成功研發(fā)了能同時測量三個自由度的激光自混合傳感系統(tǒng)。2010年，澳大利亞的Yah Leng Lim則采用1*12的垂直腔面發(fā)射激光器陣列實現(xiàn)多點流速的實時測量。但是，除了系統(tǒng)的復(fù)雜性增大和成本上升以外，面臨的主要問題還在于①多套單通道激光自混合系統(tǒng)的信號漂移和光源調(diào)制特性無法一致。激光自混合效應(yīng)的測量都是基于對激光輸出光強的探測，而光強對外界環(huán)境、抽運水平是敏感的，不同的信號漂移使多套系統(tǒng)的測量結(jié)果受到很大的影響，無法避免的測量誤差將妨礙準(zhǔn)確地獲取多維速度或多點位移的實時變化過程和高階相關(guān)性；②多系統(tǒng)同時測量時很難實現(xiàn)信號的同步檢測，即同一點三維速度等物理量的準(zhǔn)確測量很難實現(xiàn)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供基于三角波電流調(diào)制的激光自混合多維速度測量裝置及方法，在保持了激光自混合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點的同時，通過采用三角波電流調(diào)制、多路不同光程結(jié)構(gòu)以及帶通濾波信號處理方法等，使用單個激光器和探測器，無需聲光調(diào)制器件，實現(xiàn)目標(biāo)物多維運動速度的非接觸高分辨率測量。本發(fā)明的技術(shù)解決方案基于三角波電流調(diào)制的激光自混合多維速度測量裝置，包括光電探測器I、激光器2、激光器調(diào)制模塊3、第一光纖4、光纖分束器5、第二光纖6、第三光纖7、第四光纖8、第一光纖聚焦器9、第二光纖聚焦器10、第三光纖聚焦器11、待測運動物體12、微分放大電路13、三通道濾波器組14、三通道計數(shù)器組15、計算機16，所述激光器調(diào)制模塊3對激光器2進(jìn)行三角波電流調(diào)制，以實現(xiàn)多維速度方向的準(zhǔn)確判別，激光器2出 射的激光耦合到第一光纖4中并傳輸?shù)焦饫w分束器5，光纖分束器5將激光分為三束，經(jīng)第二光纖6和第一光纖聚焦器9的激光從第一維度以一定角度入射到待測運動物體12上，經(jīng)第三光纖7和第二光纖聚焦器10的激光從第二維度入射到待測運動物體12上，經(jīng)第四光纖8和第二光纖聚焦器11的激光從第三維度入射到待測運動物體12上，其中第二光纖6、第三光纖7和第四光纖8的長度各不相同在三角波電流調(diào)制下即可實現(xiàn)多維速度信號的準(zhǔn)確區(qū)分，多路入射激光經(jīng)待測運動物體12散射后，一部分散射光按各自光路反饋回激光器2，產(chǎn)生激光自混合效應(yīng)。發(fā)生激光自混合效應(yīng)后的激光被光電探測器I接收，并經(jīng)過微分放大電路13放大，隨后經(jīng)過三通道濾波器組14和三通道計數(shù)器組15濾波和計數(shù)，單位時間內(nèi)計數(shù)數(shù)目即為相應(yīng)的頻率值，分別將各通道信號上升沿和下降沿的頻率V是希臘字母，現(xiàn)代物理學(xué)中頻率的符號，和V不同。)和V 送入計算機16處理后得到各維度速度大小及方向，速度V的計算公式為V — I V 上升 _ V 下降 I · λ其中，λ為激光器輸出激光波長，各光纖聚焦器所在光路的光強變化分量上升沿頻率大于下降沿頻率時待測運動物體12的運動速度方向與激光出射方向相同，各光纖聚焦器所在光路的光強變化分量上升沿頻率小于下降沿頻率時待測運動物體12的運動速度方向與激光出射方向相反。所述光電探測器I為激光器2的內(nèi)置或外置探測器。采用內(nèi)置探測器可以簡化系統(tǒng)并提高探測激光自混合信號的靈敏度。所述激光器2選用電流波長調(diào)制系數(shù)高的單縱模半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器的電流波長調(diào)制系數(shù)宜超過O. Inm/mA,易于進(jìn)行三角波電路調(diào)制，單縱模工作則可以避免不同模式疊加弓I起的波形分立現(xiàn)象，從而提高系統(tǒng)測量精度。所述激光器調(diào)制模塊3以三角波電流調(diào)制方式工作，以實現(xiàn)多維速度方向的準(zhǔn)確判別。所述光纖分束器5根據(jù)實際需要選用具有相應(yīng)出射光纖數(shù)的分束器，對于三維速度測量則選用1X3單模光纖保偏分束器，各束出射光強可按比例均分。所述第二光纖6、第三光纖7、第四光纖8的長度L2、L3> L4各不相同，具體根據(jù)各自對應(yīng)維度上的速度測量范圍確定。第一光纖聚焦器9、第二光纖聚焦器10、第三光纖聚焦器11各自對應(yīng)測量維度上的最大速度分別為V2max、V3max、V4max時，
權(quán)利要求
1.基于三角波電流調(diào)制的激光自混合多維速度測量裝置，其特征在于包括光電探測器(I)、激光器(2)、激光器調(diào)制模塊(3)、第一光纖(4)、光纖分束器(5)、第二光纖(6)、第三光纖(7)、第四光纖(8)、第一光纖聚焦器(9)、第二光纖聚焦器(10)、第三光纖聚焦器(11)、待測運動物體(12)、微分放大電路(13)、三通道濾波器組(14)、三通道計數(shù)器組(15)、計算機(16)，所述激光器調(diào)制模塊(3)對激光器(2)進(jìn)行三角波電流調(diào)制，以實現(xiàn)多維速度方向的準(zhǔn)確判別，激光器(2)出射的激光耦合到第一光纖(4)并傳輸?shù)焦饫w分束器(5),光纖分束器(5)將激光分為三束,經(jīng)第二光纖(6)和第一光纖聚焦器(9)的激光以一定角度入射到待測運動物體(12)上，經(jīng)第三光纖(7)和第二光纖聚焦器(10)的激光從第二維度入射到待測運動物體(12)上，經(jīng)第四光纖(8)和第二光纖聚焦器(11)的激光從第三維度入射到待測運動物體(12)上，其中第二光纖(6)、第三光纖(7)和第四光纖(8)的長度各不相同在三角波電流調(diào)制下即實現(xiàn)多維速度信號的準(zhǔn)確區(qū)分，多路入射激光經(jīng)待測運動物體(12)散射后，一部分散射光按各自光路反饋回激光器(2)，產(chǎn)生激光自混合效應(yīng)；發(fā)生激光自混合效應(yīng)后的激光被光電探測器(I)接收，并經(jīng)過微分放大電路(13)放大，隨后經(jīng)過三通道濾波器組(14)和三通道計數(shù)器組(15)濾波和計數(shù)，單位時間內(nèi)計數(shù)數(shù)目即為相應(yīng)的頻率值，分別將各通道信號上升沿和下降沿的頻率V ±#和V 送入計算機(16)處理后得到各維度速度大小及方向，速度V的計算公式為 V= Iv上升_ν下降I · \ 其中，λ為激光器輸出激光波長，各光纖聚焦器所在光路的光強變化分量上升沿頻率大于下降沿頻率時待測運動物體(12)的運動速度方向與激光出射方向相同，各光纖聚焦器所在光路的光強變化分量上升沿頻率小于下降沿頻率時待測運動物體(12)的運動速度方向與激光出射方向相反。
2.根據(jù)要求I所述的基于三角波電流調(diào)制的激光自混合多維速度測量裝置，其特征在于所述光電探測器(I)為激光器(2 )的內(nèi)置或外置探測器，采用內(nèi)置探測器能夠簡化系統(tǒng)并提高探測激光自混合信號的靈敏度。
3.根據(jù)要求I所述的基于三角波電流調(diào)制的激光自混合多維速度測量裝置，其特征在于所述激光器(2)選用單縱模半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器的電流波長調(diào)制系數(shù)超過O.Inm/mA,易于進(jìn)行三角波電路調(diào)制，單縱模工作能夠避免不同模式疊加引起的波形分立現(xiàn)象，從而提高系統(tǒng)測量精度。
4.根據(jù)要求I所述的基于三角波電流調(diào)制的激光自混合多維速度測量裝置，其特征在于所述光纖分束器(5)根據(jù)實際測量的需要選用具有相應(yīng)出射光纖數(shù)的分束器，對于三維速度測量則選用1X3單模光纖保偏分束器，各束出射光強按比例均分。
5.根據(jù)要求I所述的基于三角波電流調(diào)制的激光自混合多維速度測量裝置，其特征在于所述第二光纖(6)、第三光纖(7)、第四光纖(8)的長度L2、L3> L4各不相同，具體根據(jù)各自對應(yīng)測量維度上的速度范圍確定，第一光纖聚焦器(9)、第二光纖聚焦器(10)、第三光Q · CC纖聚焦器(11)各自對應(yīng)測量維度上的最大速度分別為V2max、V3max> V4max時
6.根據(jù)要求I所述的基于三角波電流調(diào)制的激光自混合多維速度測量裝置，其特征在于所述第一光纖聚焦器(9)、第二光纖聚焦器(10)和第三光纖聚焦器(11)的插入損耗(O. 3dB、數(shù)值孔徑> O. 1，能夠提高散射光的耦合效率；對于多維平面速度的測量，也可以將光纖聚焦器改為光纖準(zhǔn)直器。
7.根據(jù)要求I所述的基于三角波電流調(diào)制的激光自混合多維速度測量裝置，其特征在于所述三通道濾波器組(14)為帶通濾波器，其帶通范圍分別由第一光纖聚焦器(9)、第二光纖聚焦器(10)、第三光纖聚焦器(11)各自對應(yīng)測量維度上速度范圍對應(yīng)的多普勒頻移 范圍確定，
8.采用權(quán)利要求I所述的基于三角波電流調(diào)制的激光自混合多維速度測量方法，其特征在于包括以下步驟 第一步，激光器調(diào)制模塊(3)對激光器(2)進(jìn)行三角波電流調(diào)制，調(diào)制后的激光經(jīng)第一光纖(4)傳輸?shù)焦饫w分束器(5); 第二步，光纖分束器(5)將激光分為多束，分別經(jīng)過第二光纖(6)、第三光纖(7)、第四光纖(8)傳輸?shù)较鄳?yīng)的第一光纖聚焦器(9)、第二光纖聚焦器(10)、第三光纖聚焦器(11), 其中將第二光纖(6)、第三光纖(7)、第四光纖(8)的長度L2、L3> L4選定為
全文摘要
基于三角波電流調(diào)制的激光自混合多維速度測量裝置及方法，包括激光器、光纖、光纖分束器、光纖聚焦器、光電探測器及信號處理電路組成，采用三角波電流調(diào)制、多路不同光程結(jié)構(gòu)以及帶通濾波信號處理電路等組成激光自混合傳感系統(tǒng)，采用單個激光器和探測器實現(xiàn)多維速度大小和方向的準(zhǔn)確在線測量。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)節(jié)、成本低、空間分辨率高，有效拓展了基于激光自混合效應(yīng)的速度傳感方法，特別是為遠(yuǎn)距離物體三維運動速度的非接觸在線監(jiān)測提供了可靠的解決方案。
文檔編號G01P5/26GK102955043SQ201210413538
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者桂華僑, 王杰, 程寅, 陸亦懷, 劉建國, 張靜 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院