基于旋轉光柵的激光多普勒測速裝置及其測速方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光和精密測量技術領域，特別涉及一種基于旋轉光柵的激光多普勒 測速裝置及其測速方法。
【背景技術】
[0002] 激光多普勒測速儀的基本原理是：當一束激光入射到相對運動物體上時，其散射 光的頻率與入射光的頻率是不相同的，兩者的差就是多普勒頻率，它與物體的運動速度成 正比。因此通過探測多普勒頻率即可測出物體的運動速度。
[0003] 激光多普勒測速儀常見的測量模式有三種：參考光模式、自混合模式及雙光束差 動模式。其中參考光模式，其多普勒信號與接收方向有關，而且探測器孔徑的大小也會影 響信號的測量精度；自混合模式，由于它是通過檢測激光器光強的波動頻率進行測量的，所 以當工作電流和外界溫度發(fā)生改變時，光強也會相應地改變，這對多普勒頻率測量精度的 影響也很大；而雙光束差動模式，其多普勒信號與接收方向無關，探測器的孔徑可以任意增 大，而且激光光強的波動只會影響信號的信噪比，并不會影響測量精度。雙光束差動激光多 普勒測速儀的諸多優(yōu)點使其在氣體、液體的流速測量及固體表面運動速度的測量等多種場 合得到廣泛的應用。
[0004] 然而，目前國內外成型的雙光束差動激光多普勒測速儀還存在諸多不足：（1)波 長漂移。典型的雙光束差動激光多普勒測速儀中多普勒頻率不僅與物體的運動速度有關， 還與入射激光束的波長有關。然而激光束的波長通常都存在漂移，從而引入了測量誤差； (2)激光器?，F有儀器通常采用氦氖激光器或半導體激光器作為光源，一方面氦氖激光器體 積大，需高壓電源供電，故均將激光器與其電源裝在一個獨立的機箱內，體積大、笨重、不安 全；另一方面半導體激光器的線寬較寬，從而影響系統(tǒng)的測量精度；（3)方向辨別。國內外 大部分的產品都沒有方向辨別的功能。即使少部分產品具有方向辨別的功能，也都是采用 聲光晶體或電光晶體移頻實現的。然而聲光晶體或電光晶體都需要復雜的控制系統(tǒng)，體積 較大，價格昂貴。另外，控制系統(tǒng)引入的射頻干擾會嚴重影響多普勒信號，不利于提取多普 勒頻率；(4)信號處理機。目前已有的系統(tǒng)通常都采用快速傅立葉變換（FFT)的方法，但是 直接將FFT峰值譜對應的頻率作為多普勒頻率值，則存在精度低的問題。因為頻率分辨率 為Λ f = fs/N，其中fs為采樣頻率，N為分析數據長度。而且直觀上提高頻率分辨率的兩種 方法（降低采樣頻率和增加數據分析點數）都不可行，這是因為：一方面，由于待測物體運 動速度的動態(tài)變化范圍較大，要覆蓋速度的整個動態(tài)變化范圍，不能降低采樣頻率；另一方 面，FFT的運算量與數據分析點數密切相關，增加數據分析點數N，會使得整個信號處理算 法的計算量大大增加，消耗的系統(tǒng)資源增多，實時性變差。
[0005] 綜上，現有技術中的測速儀器，均存在：對波長漂移敏感、體積大、結構復雜、干擾 強、信號處理機性能差、價格昂貴的缺點。

【發(fā)明內容】

[0006] 為克服現有激光多普勒測速儀的上述缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于旋轉 光柵的激光多普勒測速裝置及其測速方法，利用旋轉光柵將光束分束與移頻集于一體，一 方面在原理上實現了多普勒頻率與激光束的中心波長無關，消除激光束中心波長的漂移對 測量精度的影響；另一方面，在控制系統(tǒng)體積、不引入其他干擾的前提下，實現方向辨別的 功能。信號處理算法中充分運用頻域內頻譜細化技術與頻譜校正技術，提高頻譜分辨率及 多普勒頻率的準確度，從而大大減小了傳統(tǒng)信號處理算法引起的誤差。本發(fā)明提供一種對 激光波長不敏感、可辨別速度方向、集成化程度高、結構簡單、體積小、靈敏可靠、測量精度 高。其具有對激光波長不敏感、可辨別速度方向、集成化程度高、結構簡單、體積小、靈敏可 靠、測量精度高的優(yōu)點。
[0007] 為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為：
[0008] 一種基于旋轉光柵的激光多普勒測速裝置，包括：檢測探頭，同軸電纜收集檢測探 頭的檢測信號，傳輸至用于結算速度的信號處理電路板，信號處理電路板連接顯示屏并將 檢測信號在顯示屏上顯示；所述檢測探頭包括一激光器，激光器激光路徑上設置用于準直 的準直鏡，準直鏡后設置有旋轉光柵，兩個全反鏡平行對稱設置于經旋轉光柵衍射后的激 光路徑上，并將激光反射后使激光從檢測探頭的檢測孔射出，收集透鏡位于檢測孔內，收集 被測物體散射的激光，激光經成一定角度向下傾斜的全反鏡反射至匯聚透鏡，光電探測器 收集匯聚透鏡的激光，并將信號由進行信號放大和濾波的前置電路經同軸電纜傳出檢測探 頭。
[0009] 進一步的，所述激光器為單縱模固體激光器或半導體激光器。
[0010] 進一步的，所述激光器發(fā)射的激光經旋轉光柵形成±1級衍射光。
[0011] 進一步的，所述檢測探頭中±1級衍射光的夾角為Θ，利用兩全反鏡改變光束傳 播方向進行合束，合束時兩束光的夾角同樣是Θ。
[0012] 進一步的，所述信號處理電路板中先對檢測探頭輸出的信號進行快速傅里葉變換 FFT，然后再運用頻譜細化技術提高頻譜分辨率，最后再利用頻譜校正技術對細化后的頻譜 進行修正，從而提取出多普勒頻率，解算出被測物體的運動速度。
[0013] 一種基于旋轉光柵的激光多普勒測速方法，該先對檢測探頭輸出的信號進行快速 傅里葉變換FFT，然后再運用頻譜細化技術提高頻譜分辨率，最后再利用頻譜校正技術對細 化后的頻譜進行修正，從而提取出多普勒頻率，解算出被測物體的運動速度。
[0014] 相對于現有技術，本發(fā)明的有益效果為：
[0015] ( -）巧妙地利用旋轉光柵將光束分束與移頻集于一體，一方面在原理上實現了 多普勒頻率與激光束的中心波長無關，消除激光束中心波長的漂移對測量精度的影響；另 一方面，在控制系統(tǒng)體積、不引入其他干擾的前提下，有效地解決了速度方向模糊的難題。
[0016] (二）充分運用頻域內頻譜細化技術與頻譜校正技術，提高頻譜分辨率及多普勒 頻率的準確度，從而大大減小了傳統(tǒng)信號處理算法引起的誤差。
[0017] (三）用單縱模固體激光器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的He-Ne激光器或者半導體激光二極管，使激 光器同時具有線寬窄，功率大及體積小等諸多優(yōu)點，有利于提高多普勒信號的信噪比及空 間分辨率。
【附圖說明】
[0018] 圖I :本發(fā)明的總體結構框圖
[0019] 圖2 :本發(fā)明的原理框圖
[0020] 圖3 :本發(fā)明信號處理流程框圖
[0021] 圖4 :本發(fā)明速度測試原理圖。
[0022] 其中：檢測探頭-1，同軸電纜-2,信號處理電路板-3,顯示屏-4,被測物體-5,激 光器-6、準直鏡-7、旋轉光柵-8、全反鏡-9、全反鏡-10,收集透鏡-11、全反鏡-12、會聚透 鏡-13、光電探測器-14、前置電路-15。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明：
[0024] 如圖1、2所示，一種基于旋轉光柵的激光多普勒測速裝置及其測速方法，包括：檢 測探頭1，同軸電纜2收集檢測探頭1的檢測信號，傳輸至用于結算速度的信號處理電路板 3,信號處理電路板3連接顯示屏4并將檢測信號在顯示屏4上顯示；所述檢測探頭1包括 一激光器6,激光器6激光路徑上設置用于準直的準直鏡7,準直鏡7后設置有旋轉光柵8， 兩個全反鏡9和10平行對稱設置于經旋轉光柵8衍射后的激光路徑上，并將激光反射后使 激光從檢測探頭1的檢測孔射出，收集透鏡11位于檢測孔內，收集被測物體散射的激光，激 光經成一定角度向下傾斜的全反