CN103472254A - 基于方波电流调制和fp标准具分光的激光自混合速度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于方波电流调制和FP标准具分光的激光自混合速度测量系统及方法，测量系统包括激光器、FP标准具、光电探测器及信号处理电路，采用方波电流调制、FP标准具、反射镜、计数器等组成激光自混合传感系统，采用单个激光器和探测器实现多维或多点速度大小的准确测量。本发明的方法能够消除多个激光器的强度和波长漂移对测量结果的影响，同时避免了多通道之间的激光自混合效应串扰；而且具有系统结构简单、易于调节、信号处理方法简便等优点，有效拓展了基于激光自混合效应的多维和多点信息传感方法。

Description

基于方波电流调制和FP标准具分光的激光自混合速度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于方波电流调制和FP标准具分光的激光自混合速度测量系统及方法，特别适用于水体流速、固体颗粒物运动速度的快速非接触测量。

背景技术

用于二维和三维速度的测量方法较多，有些技术已经发展较为成熟并形成商业化仪器。随着激光技术和图像处理技术的不断发展，激光多普勒测速技术、粒子图像测速技术、激光散斑测速技术等被广泛应用于多维流速测量。

激光多普勒测量技术一般采用多路分束结构，通过不同方向上的入射光和参考光差频获得多普勒频移，从而计算出该方向上的速度分量。但由于激光多普勒频移需在激光相干长度内发生，引起对系统光路产生了很高的要求，结构和系统调试都很复杂。粒子图像测速技术则很好地突破了激光多普勒测速技术等间单点测量技术的局限性，可以获得整个平面流场内的流速，但也存在信息计算量大、很难拓展至三维等缺点。

相对于激光多普勒技术，基于激光自混合效应的激光自混合技术具有系统结构简单、易于调节等优点，逐渐被应用于运动物体速度、位移和距离的测量。但一般采用的是单通道测量方法，即采用单套激光器和探测器实现一维运动速度的测量。在扩展至二维或三维速度测量时，简单的多套系统组合却很难达到实际应用要求，具体表现在：（1）采用多套光源，其波长和强度的漂移不一致，从而导致不同方向的速度测量误差；（2）多套系统的测量信号很难完全同步，即多维速度的合成会存在偏差；（3）多套光源和探测器的使用，系统成本会相应增加。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于方波电流调制和FP标准具分光的激光自混合速度测量系统及方法，具有结构简单、调试方便等优点，同时通过采用方波电流调制和FP标准具分光的方法，使用单个激光器和探测器，实现运动物体二维运动速度的高精度非接触测量，并可拓展至三维运动速度测量。

本发明的技术解决方案：基于方波电流调制和FP标准具分光的激光自混合速度测量系统，包括光电探测器1、激光器2、激光器调制模块3、FP标准具4、待测物体5、反射镜6、电信号放大器7、计数器8、计算机9，所述光电探测器监测激光输出强度变化，激光器调制模块3对激光器2进行方波电流调制，激光器2出射的激光入射到倾斜的FP标准具4上，一部分透射光直接入射到待测物体5上，另一部分经FP标准具4反射的光束经过反射镜6从另一角度入射到待测物体5上，经待测物体5散射的光由原光路返回激光器2的谐振腔产生激光自混合效应，发生激光自混合效应后的激光被光电探测器1接收，并经过电信号放大器7放大，随后经过计数器8计数，单位时间内计数数目即为相应的频率值f，将频率值输入计算机9处理后即可得到各维度速度值V，计算公式为：

V＝λ·f/2

其中，λ为激光器输出激光波长。

在测量系统中，方波电流调制处于低电平时，输出激光波长为λ₁，方波电流调制处于高电平时，输出激光波长为λ₂，而λ₁经FP标准具4直接透射，λ₂被FP标准具4反射。透射的激光用于检测一个方向的物体运动速度，反射的激光用于检测另外一个方向的物体运动速度。由方波电流和FP标准具4组成的波长开关能够保证不同方向的多普勒信号分别被光电探测器1间断的检测到。

所述光电探测器1为激光器2的内置或外置探测器。采用内置探测器可以简化测量系统并提高探测激光自混合信号的灵敏度。

所述激光器2选用电流波长调制系数高的单纵模半导体激光器，单纵模工作则可以避免不同模式叠加引起的波形分立现象，从而提高系统测量精度。

所述激光器调制模块3以方波电流调制方式工作，以实现各维度速度值的准确测量。

所述FP标准具4的特性为经方波电流调制的激光波长λ₁能直接透射，而激光波长λ₂被FP标准具4反射。

所述基于多通道激光自混合效应的速度测量方法，包括以下步骤：

第一步，激光器调制模块3对激光器2进行方波电流调制，调制后的激光λ₁经FP标准具4入射到待测物体5上，调制后的激光λ₂经反射镜6反射后以另外一个角度入射到待测物体5上；

第二步，入射到待测物体5上的激光经散射后部分光按原路返回到激光器2中产生自混合效应；

第三步，光电探测器1将产生自混合效应的光信号转化为电信号；

第四步，电信号经过电信号放大器7放大，随后送入计数器组8处理后得到不同时刻的频率值；

第五步，将计数器组8得到的方波低电平和高电平时的频率f₁和f₂送入计算机9处理后得到激光λ₁和λ₂各维度速度值V，速度V的计算公式为：

V＝λ·f/2

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明采用方波电流调制方案，通过低电平和高电平的激光频率差别实现不同维度速度信息的分时测量，从而降低了信号处理的难度。

（2）采用FP标准具分离不同维度测量时的激光波长，从而使得自混合信号分离更为简洁，并且消除了通道间的相互干扰。

（3）本发明采用单个激光器和探测器，利用激光自混合效应，同时实现多维运动速度的准确非接触测量，同时系统结构简单、紧凑、易于实现。

（4）本发明的测量方案易于拓展，可以实现多维速度和多点速度等信息的准确测量。

附图说明

图1为本发明中基于方波电流调制和FP标准具分光的激光自混合速度测量系统示意图。

图2为本发明中方波电流调制下激光波长变化示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明测量系统包括：光电探测器1、激光器2、激光器调制模块3、FP标准具4、待测物体5、反射镜6、电信号放大器7、计数器8、计算机9。其中，激光器2选用650nm、5mW单纵模半导体激光器；FP标准具材质为熔石英片，厚度选为354纳米。

激光器调制模块3对激光器2进行方波电流调制，FP标准具4则分别让λ₁透射和λ₂反射。经待测物体5散射的光由原光路返回激光器2的谐振腔产生激光自混合效应，发生激光自混合效应后的激光被光电探测器1接收，并经过电信号放大器7放大，随后经过计数器8计数，单位时间内计数数目即为相应的频率值f，并经计算机9处理后得到不同方向上的速度大小。

如图2所示，方波电流调制信号处于低电平时激光波长为λ₁，方波电流调制信号处于高电平时激光波长为λ₂。

本发明测量方法实现步骤如下：

第一步，激光器调制模块3对激光器2进行方波电流调制，调制后的激光λ₁经FP标准具4入射到待测物体5上，调制后的激光λ₂经反射镜6反射后以另外一个角度入射到待测物体5上；

第二步，入射到待测物体5上的激光经散射后部分光按原路返回到激光器2中产生自混合效应；

第三步，光电探测器1将产生自混合效应的光信号转化为电信号；

第四步，电信号经过电信号放大器7放大，随后送入计数器组8处理后得到不同时刻的频率值；

第五步，将计数器组8得到的方波低电平和高电平时的频率f₁和f₂送入计算机9处理后得到激光λ₁和λ₂各维度速度值V，速度V的计算公式为：

V＝λ·f/2

总之，本发明采用单个激光器和探测器、FP标准具、反射镜，并进行方波电流调制以实现多维速度的准确在线测量，且具有结构简单、易于调节、成本低的优点，有效拓展了基于激光自混合效应的速度传感方法，特别是为多点和多维运动速度的非接触在线监测提供了可靠的解决方案。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于方波电流调制和FP标准具分光的激光自混合速度测量系统，其特征在于：所述测量系统包括：光电探测器（1）、激光器（2）、激光器调制模块（3）、FP标准具（4）、待测物体（5）、反射镜（6）、电信号放大器（7）、计数器（8）、计算机（9）；所述光电探测器（1）监测激光输出强度变化，激光器调制模块（3）对激光器（2）进行方波电流调制；激光器（2）出射的激光入射到倾斜的FP标准具（4）上，一部分透射光直接入射到待测物体（5）上，另一部分经FP标准具（4）反射的光束经过反射镜（6）从另一角度入射到待测物体（5）上，经待测物体（5）散射的光由原光路返回激光器（2）的谐振腔产生激光自混合效应，发生激光自混合效应后的激光被光电探测器（1）接收，并经过电信号放大器（7）放大，随后经过计数器（8）计数，单位时间内计数数目即为相应的频率值f，将频率值输入计算机（9）处理后即得到各维度速度值V，计算公式为：

V＝λ·f/2

其中，λ为激光器输出激光波长；

所述FP标准具（4）的特性为经方波电流调制的激光波长λ₁能直接透射，而激光波长λ₂被FP标准具（4）反射；所述激光器调制模块（3）对激光器（2）进行方波电流调制时，当方波电流调制处于低电平时，输出激光波长为λ₁，方波电流调制处于高电平时，输出激光波长为λ₂；而λ₁经FP标准具4直接透射，λ₂被FP标准具（4）反射，透射的激光用于检测一个方向的物体运动速度，反射的激光用于检测另外一个方向的物体运动速度，由方波电流和FP标准具（4）组成的波长开关能够保证不同方向的多普勒信号分别被光电探测器（1）间断的检测到，这样激光器调制模块（3）以方波电流调制方式工作，实现了各维度速度值的准确测量。

2.根据权利要求1所述的基于方波电流调制和FP标准具分光的激光自混合速度测量系统，其特征在于：所述光电探测器（1）为激光器（2）的内置或外置探测器，采用内置探测器能够简化测量系统并提高探测激光自混合信号的灵敏度。

3.根据权利要求1所述的基于方波电流调制和FP标准具分光的激光自混合速度测量系统，其特征在于：所述激光器（2）选用电流波长调制系数高的单纵模半导体激光器，单纵模工作则可以避免不同模式叠加引起的波形分立现象，从而提高系统测量精度。

4.基于方波电流调制和FP标准具分光的激光自混合速度测量方法，其特征在于实现步骤如下：

第一步，激光器调制模块（3）对激光器（2）进行方波电流调制，调制后的激光λ₁经FP标准具（4）入射到待测物体（5）上，调制后的激光λ₂经反射镜（6）反射后以另外一个角度入射到待测物体（5）上；

第二步，入射到待测物体（5）上的激光经散射后部分光按原路返回到激光器（2）中产生自混合效应；

第三步，光电探测器（1）将产生自混合效应的光信号转化为电信号；

第四步，电信号经过电信号放大器（7）放大，随后送入计数器组（8）处理后得到不同时刻的频率值；

五步，将计数器组（8）得到的方波低电平和高电平时的频率f₁和f₂送入计算机（9）处理后得到激光λ₁和λ₂各自对应维度速度值V，速度V的计算公式为：

V＝λ·f/2。

Images