CN101710154A - 基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测方法及装置，属于液体表面波检测领域。它解决了现有液体表面波测量的激光干涉技术中，要求接收主反射光，并且要求光路输出和接收部分的角度严格匹配，调节难度大的问题。方法为：使相干激光束照射到液体表面，光电接收器接收干涉光信号后输出时域波形图得到交流光电信号，经解调得到表面波的频率；由时域波形图变换的频谱分析图上多普勒频移值计算得出液体表面波的振幅；装置由低频信号发生器、表面波激发器、液体池、激光器、四分之一波片、偏振分光镜、衰减片、二分之一波片、分光镜、滤波片、光电接收器、数据采集和处理系统、第一反射镜、望远系统和第二反射镜组成。本发明用于液体表面波的探测。

Description

基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测方法及装置，属于液体表面波检测领域。

背景技术

利用光学方法研究波动特性被广泛应用于流体力学、海洋光学、雷达散射和液体表面波等领域。由于液体表面波的振幅比较小，无法用肉眼看到它，这给液体表面波性质的研究带来一定的困难。对于不同频段的液体表面波的测量有不同的方法，频率为几百赫兹的液体表面波，Sakai曾采用光外差法进行了研究，由于这种方法对实验设备要求很高，一般很难实现。苗润才等人用衍射的方法测量几百赫兹的液体表面波的物理特性，实验观察到了表面波的衍射效应，而且得到了几乎100％的衍射效率，还讨论了衍射条纹间距与液体表面张力的关系，并对液体表面波的衰减特性进行了研究；对于频率为几赫兹或更小的液体表面波，Barter等人曾采用表面波斜率激光扫描技术分析过这些频率下的液体表面波，但在他的研究中，液体必须染色，不适用于象水这样的透明液体；对于频率为几十赫兹的液体表面波的研究，因为声波波长比入射光波长大的多，同时又与扫描激光光斑直径相当，使得衍射技术或激光斜率扫描技术都不适用。J.D.Barter和P.H.Lee采用透射成像技术对此频段的液体表面波进行了研究分析，实验中，由振子在液体表面激发出表面波，激光束穿过容器底部开的窗口，照射到表面波上，在表面波上方有一成像透镜，CCD在成像透镜的上方可摄取表面波图形。他们通过测量穿过媒质的透射光衰减得到表面波振幅。但在此研究中，液体必须被染色。苗润才等人依据激光干涉测量方法，理论上导出了调制干涉图样光强度、干涉条纹角宽度、干涉区域角宽度与表面声波之间的解析关系，并在实验中观察到了反射光所形成的稳定清晰的调制干涉图样。这种方法要求CCD接收的为液体表面主反射光，光路输出和接收部分的角度必须严格匹配，调节难度大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测方法及装置，它解决了现有对液体表面波频率和振幅进行测量的激光干涉技术中，要求接收主反射光，并且要求光路输出和接收部分的角度严格匹配，调节难度大的问题。

它的探测方法包括下述步骤：

步骤一：用低频信号发生器输出标准正弦波来驱动表面波激发器，使待测液体表面上产生表面波；

步骤二：用激光器照射步骤一中待测液体表面上产生的表面波，使携带了待测液体表面波信息的散射光作为信号光与参考光相干涉得到干涉光；

步骤三：将步骤二中得到的干涉光的光强信号用光电接收器接收，从光电接收器输出的时域波形图上得到交流光电信号U，对交流光电信号U进行解调得到待测液体表面波的频率；

步骤四：将步骤三中光电接收器输出的时域波形图消除趋势项以及平滑处理后再进行傅里叶变换，得到频谱分析图，根据频谱分析图上的液体表面波散射光发生的多普勒频移值经过计算得出液体表面波的振幅。

基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测装置，它由低频信号发生器、表面波激发器、装有待测液体的液体池、激光器、四分之一波片、偏振分光镜、衰减片、二分之一波片、分光镜、滤波片、光电接收器、数据采集和处理系统、第一反射镜、望远系统和第二反射镜组成，

低频信号发生器的频率信号输出端连接表面波激发器的频率信号输入端，表面波激发器的输出使装有待测液体的液体池的液体表面产生表面波；

激光器输出的线偏振光经过四分之一波片得到圆偏振光，所述圆偏振光经过偏振分光镜透射后得到的p偏振光经过第一反射镜反射后入射到装有待测液体的液体池内的液体表面，经液体表面散射的散射光经过望远系统后入射到第二反射镜内，经第二反射镜反射后的光入射到分光镜内，第二反射镜与入射光和反射光的夹角分别为45度；

所述圆偏振光经过偏振分光镜反射后得到的s偏振光经过衰减片后入射到二分之一波片内，经二分之一波片得到的p偏振光入射到分光镜内，所述同时入射到分光镜内的p偏振光和经第二反射镜反射后的光会合得到干涉光，所述干涉光通过滤波片后被光电接收器的输入端接收，光电接收器的输出端连接数据采集和处理系统的输入端。

本发明的优点是：

本发明利用多普勒相干测速的工作原理实现了对低频液体表面波振幅和频率的精确测量。它利用多普勒相干测速的工作原理，提出了一种液体表面散射激光与参考光相干涉的检测方法。它使相干激光束照射到液体表面，由于液体表面波动使得散射光发生多普勒频移，利用该频移和速度的关系推导出液体表面波的相关参数。并设计了一套液体表面波多普勒相干检测的实验装置，实验结果表明：本发明装置能够实时准确的探测10Hz～40Hz的液体表面波参数，为低频液体表面波的探测提供了新思路。同时经实验证明，本发明对液体表面波频率的测量精度高，测量值与真实值的相对误差达到0.29％。

本发明中参与干涉的信号光是液体表面的散射激光，由于液体表面散射光各个方向都有，因此具有探测灵敏度高、光路灵活、调节容易等优点。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；图2是光电接收器输出的时域波形图；图3是由图2经变换得到的频谱分析图；图4是根据实验测得的液体表面波频率值与信号发生器输出频率值绘制的对比曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式包括下述步骤：

步骤一：用低频信号发生器输出标准正弦波来驱动表面波激发器，使待测液体表面上产生表面波；

步骤二：用激光器照射步骤一中待测液体表面上产生的表面波，使携带了待测液体表面波信息的散射光作为信号光与参考光相干涉得到干涉光；

步骤三：将步骤二中得到的干涉光的光强信号用光电接收器接收，从光电接收器输出的时域波形图上得到交流光电信号U，对交流光电信号U进行解调得到待测液体表面波的频率；

步骤四：将步骤三中光电接收器输出的时域波形图消除趋势项以及平滑处理后再进行傅里叶变换，得到频谱分析图，根据频谱分析图上的液体表面波散射光发生的多普勒频移值经过计算得出液体表面波的振幅。

对步骤一进一步说明：所述步骤一中低频信号发生器输出标准正弦波的频率为f_s，待测液体表面上产生的表面波幅值y_s(t)的表达式为：

其中：A_s为液体表面波的振幅，f_s为液体表面波的频率，与低频信号发生器输出标准正弦波的频率相等，t为时间，

为液体表面波的初相位。

对步骤二进一步说明：结合步骤一中液体表面波幅值y_s(t)的公式，所述步骤二中得到的干涉光的光强公式为：

其中，I₁为信号光的光强，I₂为参考光的光强，λ为入射激光的光波长，Δ为信号光路与参考光路的光程差，L₁为液体表面静止时信号光路的初始行程，L₂为液体表面静止时参考光路的初始行程，设定

则信号光与参考光干涉后的光强I的公式变形为：

将变形后的光强I的公式按照两角和的余弦公式cos(α+β)＝cosαcosβ-sinαsinβ展开，

则 $I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos {\mathrm{\φ}}_0\cos \left[X\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{s}t\right)\right]-{\sin \mathrm{\φ}}_0\sin \left[X\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{s}t\right)\right].$

对步骤三进一步说明：结合按照两角和的余弦公式展开的光强I的公式，所述步骤三中从光电接收器输出的时域波形图上得到的交流光电信号U的表达式为：

U＝U₀{cosφ₀ cos[X sin(2πf_st)]-sinφ₀ sin[X sin(2πf_st)]}，

其中，U₀为交流光电信号的幅值，

根据第一类的n阶贝塞尔函数J_n(X)的展开式：

cos[Xsin(2πf_st)]＝J₀(X)+2J₂(X)cos(2π×2f_st)+2J₄(X)cos(2π×f_st)+……

sin[Xsin(2πf_st)]＝J₁(X)sin(2πf_st)+2J₃(X)sin(2π×3f_st)+2J₅(X)sin(2π×f_st)……

将交流光电信号U的表达式变形为以液体表面波的频率f_s为基频的各次谐波项之和，

再进行解调得出液体表面波的频率f_s。

对步骤四进一步说明：所述步骤四中频谱分析图上的多普勒频移值Δf与液体表面波的振动速度V之间的关系式为：

$\mathrm{\Δf}=f_0\frac{1-\frac{V\·e_0}{c}}{\sqrt{1-{\left[\frac{V\·e_0}{c}\right]}^2}},$

式中f₀为所述入射激光的频率，c为入射激光在待测液体中的光速，e₀为激光入射向量，由于V·e₀＜＜c，多普勒频移值Δf与液体表面的波振动速度V呈线性关系：

$\mathrm{\Δf}=\frac{2V\·\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}},$

其中θ为液体表面波的运动方向和与观察者观察方向之间的夹角，由此计算得出液体表面波的振动速度V，再由液体表面波的振动速度V的公式

计算得出液体表面波的振幅A_s。

当液体表面波动时，用激光照射波动的液体表面，则散射光中携带了液体表面波的信息，令其与参考光干涉，光程差随着液体表面波的振幅发生变化，从干涉信号中可以解调出液体表面波的频率和振幅信息。

具体实施方式二：下面结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式由低频信号发生器1、表面波激发器2、装有待测液体的液体池3、激光器4、四分之一波片5、偏振分光镜6、衰减片7、二分之一波片8、分光镜9、滤波片10、光电接收器11、数据采集和处理系统12、第一反射镜13、望远系统14和第二反射镜15组成，

低频信号发生器1的频率信号输出端连接表面波激发器2的频率信号输入端，表面波激发器2的输出使装有待测液体的液体池3的液体表面产生表面波；

激光器4输出的线偏振光经过四分之一波片5得到圆偏振光，所述圆偏振光经过偏振分光镜6透射后得到的p偏振光经过第一反射镜13反射后入射到装有待测液体的液体池3内的液体表面，经液体表面散射的散射光经过望远系统14后入射到第二反射镜15内，经第二反射镜15反射后的光入射到分光镜9内，第二反射镜15与入射光和反射光的夹角分别为45度；

所述圆偏振光经过偏振分光镜6反射后得到的s偏振光经过衰减片7后入射到二分之一波片8内，经二分之一波片8得到的p偏振光入射到分光镜9内，所述同时入射到分光镜9内的p偏振光和经第二反射镜15反射后的光会合得到干涉光，所述干涉光通过滤波片10后被光电接收器11的输入端接收，光电接收器11的输出端连接数据采集和处理系统12的输入端。

本发明装置采用多普勒相干测速的工作原理，采取零差工作模式。低频信号发生器1的输出频率在几十赫兹频段驱动表面波激发器2，本实施方式中待测液体样品为蒸馏水，实验水池为圆柱型水池。

激光器4输出的激光经过偏振分光镜6分为反射光和透射光，反射光作为相干检测的参考光，透射光经第一反射镜13射向被测液体表面。四分之一波片5和二分之一波片8的组合可以有效阻止反射光返回激光器4而影响其稳定性。衰减片7可以削弱参考光的光强，使得参考光与信号光干涉效果明显。蒸馏水表面的散射光在各个方向都有，上下波动使得光程差发生改变，水面散射光经过望远系统14之后，由第二反射镜15射向分光镜9。在分光镜9内参考光与信号光会合，发生干涉现象。信号光和参考光发生干涉后经过滤波片10照射到光电探接收器11，直接检测相干信号，设置滤波片10的目的是仅保留激光器4输出的光，去除环境干扰的杂光。检测到的相干信号由数据采集和处理系统12记录，利用数据处理方法解调后经过快速傅里叶变换即可获得水表面波的频率。再利用多普勒频移值和液体表面波的振动速度的关系式计算得到液体表面波的振幅。

所述激光器4为HeNe稳频激光器，输出的线偏振光为红光，所述红光的波长为632.8nm，由于红光为可见光，实施安全。

本装置的主要器件技术指标如表1所示。

表1

使低频信号发生器1输出频率为10Hz～40Hz的标准正弦信号，驱动表面波激发器2，表面波激发器2使蒸馏水表面上产生表面波，利用光学平台上搭建的干涉光路探测蒸馏水表面振动导致的光程差变化。实验目的是证明探测到的液体表面波频率和低频信号发生器1设置的正弦信号频率的一致性，从而验证该方法探测液体表面波频率的可行性。

图2所示是低频信号发生器1的输出频率为30Hz时光电接收器11输出的时域波形图。可以看出整体的明暗相间变化的干涉条纹是由液体表面起伏引起的。对这一相干检测波形做消除趋势项以及平滑处理后再做傅里叶变换，得到图3所示的频谱分析图。频谱分析图的峰值频率为30.5Hz，由此证实，由频谱分析图得到的峰值频率与低频信号发生器1输出频率基本一致。在60Hz、90Hz等处附近依次出现幅度逐渐减小的频率尖峰，这与探测原理中指出的可以把交流光电信号的表达式表示为以振动频率f_s为基频的各次谐波项之和的结论相符合，由此验证了探测理论的正确性。

为了验证测量得到的峰值频率和低频信号发生器1给定频率的一致性，进行了多组比对实验。低频信号发生器1输出的频率范围为10Hz～40Hz，频率间隔为4Hz，测量到的数据如表2所示。从多次实验结果可以看出，最大标准偏差为0.33Hz，选取四组数据的平均值作为测量值，与低频信号发生器1给定的频率作比较，最大相对误差为0.8％。

表2

由图4所示的对比曲线图可以直观的看出频谱分析图中的峰值频率与低频信号发生器1给定频率的一致性。

当低频信号发生器1输出的频率范围为10Hz～40Hz，频率间隔为4Hz，计算得到的液体表面波振幅在微米数量级，数据如表3所示：

表3

低频信号发生器频率/Hz	频谱分析图上的最大频移/Hz	表面波的振幅/μm
			10	1396	7.029
14	1938	6.971
			18	2449	6.851
22	2940	6.729
			26	3428	6.639

低频信号发生器频率/Hz	频谱分析图上的最大频移/Hz	表面波的振幅/μm
			30	3927	6.592
34	4402	6.520
			38	4835	6.407

Claims (8)

1.一种基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测方法，其特征在于：它的探测方法包括下述步骤：

步骤一：用低频信号发生器输出标准正弦波来驱动表面波激发器，使待测液体表面上产生表面波；

步骤二：用激光器照射步骤一中待测液体表面上产生的表面波，使携带了待测液体表面波信息的散射光作为信号光与参考光相干涉得到干涉光；

步骤三：将步骤二中得到的干涉光的光强信号用光电接收器接收，从光电接收器输出的时域波形图上得到交流光电信号U，对交流光电信号U进行解调得到待测液体表面波的频率；

步骤四：将步骤三中光电接收器输出的时域波形图消除趋势项以及平滑处理后再进行傅里叶变换，得到频谱分析图，根据频谱分析图上的液体表面波散射光发生的多普勒频移值经过计算得出液体表面波的振幅。

2.根据权利要求1所述的基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测方法，其特征在于：所述步骤一中低频信号发生器输出标准正弦波的频率为fs，待测液体表面上产生的表面波幅值y_s(t)的表达式为：

其中：A_s为液体表面波的振幅，f_s为液体表面波的频率，与低频信号发生器输出标准正弦波的频率相等，t为时间，

为液体表面波的初相位。

3.根据权利要求2所述的基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测方法，其特征在于：结合步骤一中液体表面波幅值y_s(t)的公式，所述步骤二中得到的干涉光的光强公式为：

其中，I₁为信号光的光强，I₂为参考光的光强，λ为入射激光的光波长，Δ为信号光路与参考光路的光程差，L₁为液体表面静止时信号光路的初始行程，L₂为液体表面静止时参考光路的初始行程，设定

则信号光与参考光干涉后的光强I的公式变形为：

将变形后的光强I的公式按照两角和的余弦公式cos(α+β)＝cosαcosβ-sinαsinβ展开，

则 $I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos {\mathrm{\φ}}_0\cos \left[X\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{s}t\right)\right]-\sin {\mathrm{\φ}}_0\sin \left[X\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{s}t\right)\right].$

4.根据权利要求3所述的基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测方法，其特征在于：结合按照两角和的余弦公式展开的光强I的公式，所述步骤三中从光电接收器输出的时域波形图上得到的交流光电信号U的表达式为：

U＝U₀{cosφ₀cos[X sin(2πf_st)]-sinφ₀sin[Xsin(2πf_st)]}，

其中，U₀为交流光电信号的幅值，

根据第一类的n阶贝塞尔函数J_n(X)的展开式：

cos[X sin(2πf_st)]＝J₀(X)+2J₂(X)cos(2π×2f_st)+2J₄(X)cos(2π×4f_st)+……

sin[X sin(2πf_st)]＝J₁(X)sin(2πfs_t)+2J₃(X)sin(2π×3f_st)+2J₅(X)sin(2π×5f_st)……

将交流光电信号U的表达式变形为以液体表面波的频率f_s为基频的各次谐波项之和，

再进行解调得出液体表面波的频率f_s。

5.根据权利要求4所述的基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测方法，其特征在于：所述步骤四中频谱分析图上的多普勒频移值Δf与液体表面波的振动速度V之间的关系式为：

$\mathrm{\Δf}=f_0\frac{1-\frac{V\·e_0}{c}}{\sqrt{1-{\left[\frac{V\·e_0}{c}\right]}^2}},$

式中f₀为所述入射激光的频率，c为入射激光在待测液体中的光速，e₀为激光入射向量，由于V·e₀＜＜c，多普勒频移值Δf与液体表面的波振动速度V呈线性关系：

$\mathrm{\Δf}=\frac{2V\·\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}},$

其中θ为液体表面波的运动方向和与观察者观察方向之间的夹角，由此计算得出液体表面波的振动速度V，再由液体表面波的振动速度V的公式

计算得出液体表面波的振幅A_s。

6.基于权利要求5所述的基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测方法的基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测装置，其特征在于：它由低频信号发生器(1)、表面波激发器(2)、装有待测液体的液体池(3)、激光器(4)、四分之一波片(5)、偏振分光镜(6)、衰减片(7)、二分之一波片(8)、分光镜(9)、滤波片(10)、光电接收器(11)、数据采集和处理系统(12)、第一反射镜(13)、望远系统(14)和第二反射镜(15)组成，

低频信号发生器(1)的频率信号输出端连接表面波激发器(2)的频率信号输入端，表面波激发器(2)的输出使装有待测液体的液体池(3)的液体表面产生表面波；

激光器(4)输出的线偏振光经过四分之一波片(5)得到圆偏振光，所述圆偏振光经过偏振分光镜(6)透射后得到的p偏振光经过第一反射镜(13)反射后入射到装有待测液体的液体池(3)内的液体表面，经液体表面散射的散射光经过望远系统(14)后入射到第二反射镜(15)内，经第二反射镜(15)反射后的光入射到分光镜(9)内，第二反射镜(15)与入射光和反射光的夹角分别为45度；

所述圆偏振光经过偏振分光镜(6)反射后得到的s偏振光经过衰减片(7)后入射到二分之一波片(8)内，经二分之一波片(8)得到的p偏振光入射到分光镜(9)内，所述同时入射到分光镜(9)内的p偏振光和经第二反射镜(15)反射后的光会合得到干涉光，所述干涉光通过滤波片(10)后被光电接收器(11)的输入端接收，光电接收器(11)的输出端连接数据采集和处理系统(12)的输入端。

7.根据权利要求6所述的基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测装置，其特征在于：所述低频信号发生器(1)的输出频率为10Hz-40Hz。

8.根据权利要求6或7所述的基于散射激光多普勒效应的液体表面波探测装置，其特征在于：所述激光器(4)为HeNe稳频激光器，输出的线偏振光为红光，所述红光的波长为632.8nm。

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