CN104833816B - 基于旋转光栅的激光多普勒测速装置及其测速方法 - Google Patents

Abstract

一种基于旋转光栅的激光多普勒测速装置，包括：检测探头，同轴电缆收集检测探头的检测信号，传输至用于结算速度的信号处理电路板，信号处理电路板连接显示屏并将检测信号在显示屏上显示；所述检测探头包括一激光器，激光器激光路径上设置用于准直的准直镜，准直镜后设置有旋转光栅，两个全反镜平行对称设置于经旋转光栅衍射后的激光路径上，并将激光反射后使激光从检测探头的检测孔射出，收集透镜位于检测孔内，收集被测物体散射的激光，激光经成一定角度向下倾斜的全反镜反射至汇聚透镜，光电探测器收集汇聚透镜的激光，并将信号由进行信号放大和滤波的前置电路经同轴电缆传出检测探头。其结构简单、体积小、灵敏可靠、测量精度高。

Description

基于旋转光栅的激光多普勒测速装置及其测速方法

技术领域

本发明涉及激光和精密测量技术领域，特别涉及一种基于旋转光栅的激光多普勒测速装置及其测速方法。

背景技术

激光多普勒测速仪的基本原理是：当一束激光入射到相对运动物体上时，其散射光的频率与入射光的频率是不相同的，两者的差就是多普勒频率，它与物体的运动速度成正比。因此通过探测多普勒频率即可测出物体的运动速度。

激光多普勒测速仪常见的测量模式有三种：参考光模式、自混合模式及双光束差动模式。其中参考光模式，其多普勒信号与接收方向有关，而且探测器孔径的大小也会影响信号的测量精度；自混合模式，由于它是通过检测激光器光强的波动频率进行测量的，所以当工作电流和外界温度发生改变时，光强也会相应地改变，这对多普勒频率测量精度的影响也很大；而双光束差动模式，其多普勒信号与接收方向无关，探测器的孔径可以任意增大，而且激光光强的波动只会影响信号的信噪比，并不会影响测量精度。双光束差动激光多普勒测速仪的诸多优点使其在气体、液体的流速测量及固体表面运动速度的测量等多种场合得到广泛的应用。

然而，目前国内外成型的双光束差动激光多普勒测速仪还存在诸多不足：(1)波长漂移。典型的双光束差动激光多普勒测速仪中多普勒频率不仅与物体的运动速度有关，还与入射激光束的波长有关。然而激光束的波长通常都存在漂移，从而引入了测量误差；(2)激光器。现有仪器通常采用氦氖激光器或半导体激光器作为光源，一方面氦氖激光器体积大，需高压电源供电，故均将激光器与其电源装在一个独立的机箱内，体积大、笨重、不安全；另一方面半导体激光器的线宽较宽，从而影响系统的测量精度；(3)方向辨别。国内外大部分的产品都没有方向辨别的功能。即使少部分产品具有方向辨别的功能，也都是采用声光晶体或电光晶体移频实现的。然而声光晶体或电光晶体都需要复杂的控制系统，体积较大，价格昂贵。另外，控制系统引入的射频干扰会严重影响多普勒信号，不利于提取多普勒频率；(4)信号处理机。目前已有的系统通常都采用快速傅立叶变换(FFT)的方法，但是直接将FFT峰值谱对应的频率作为多普勒频率值，则存在精度低的问题。因为频率分辨率为△f＝f_s/N，其中f_s为采样频率，N为分析数据长度。而且直观上提高频率分辨率的两种方法(降低采样频率和增加数据分析点数)都不可行，这是因为：一方面，由于待测物体运动速度的动态变化范围较大，要覆盖速度的整个动态变化范围，不能降低采样频率；另一方面，FFT的运算量与数据分析点数密切相关，增加数据分析点数N，会使得整个信号处理算法的计算量大大增加，消耗的系统资源增多，实时性变差。

综上，现有技术中的测速仪器，均存在：对波长漂移敏感、体积大、结构复杂、干扰强、信号处理机性能差、价格昂贵的缺点。

发明内容

为克服现有激光多普勒测速仪的上述缺点，本发明的目的在于提供一种基于旋转光栅的激光多普勒测速装置及其测速方法，利用旋转光栅将光束分束与移频集于一体，一方面在原理上实现了多普勒频率与激光束的中心波长无关，消除激光束中心波长的漂移对测量精度的影响；另一方面，在控制系统体积、不引入其他干扰的前提下，实现方向辨别的功能。信号处理算法中充分运用频域内频谱细化技术与频谱校正技术，提高频谱分辨率及多普勒频率的准确度，从而大大减小了传统信号处理算法引起的误差。本发明提供一种对激光波长不敏感、可辨别速度方向、集成化程度高、结构简单、体积小、灵敏可靠、测量精度高。其具有对激光波长不敏感、可辨别速度方向、集成化程度高、结构简单、体积小、灵敏可靠、测量精度高的优点。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于旋转光栅的激光多普勒测速装置，包括：检测探头，同轴电缆收集检测探头的检测信号，传输至用于结算速度的信号处理电路板，信号处理电路板连接显示屏并将检测信号在显示屏上显示；所述检测探头包括一激光器，激光器激光路径上设置用于准直的准直镜，准直镜后设置有旋转光栅，两个全反镜平行对称设置于经旋转光栅衍射后的激光路径上，并将激光反射后使激光从检测探头的检测孔射出，收集透镜位于检测孔内，收集被测物体散射的激光，激光经成一定角度向下倾斜的全反镜反射至汇聚透镜，光电探测器收集汇聚透镜的激光，并将信号由进行信号放大和滤波的前置电路经同轴电缆传出检测探头。

进一步的，所述激光器为单纵模固体激光器或半导体激光器。

进一步的，所述激光器发射的激光经旋转光栅形成±1级衍射光。

进一步的，所述检测探头中±1级衍射光的夹角为θ，利用两全反镜改变光束传播方向进行合束，合束时两束光的夹角同样是θ。

进一步的，所述信号处理电路板中先对检测探头输出的信号进行快速傅里叶变换FFT，然后再运用频谱细化技术提高频谱分辨率，最后再利用频谱校正技术对细化后的频谱进行修正，从而提取出多普勒频率，解算出被测物体的运动速度。

一种基于旋转光栅的激光多普勒测速方法，该先对检测探头输出的信号进行快速傅里叶变换FFT，然后再运用频谱细化技术提高频谱分辨率，最后再利用频谱校正技术对细化后的频谱进行修正，从而提取出多普勒频率，解算出被测物体的运动速度。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

(一)巧妙地利用旋转光栅将光束分束与移频集于一体，一方面在原理上实现了多普勒频率与激光束的中心波长无关，消除激光束中心波长的漂移对测量精度的影响；另一方面，在控制系统体积、不引入其他干扰的前提下，有效地解决了速度方向模糊的难题。

(二)充分运用频域内频谱细化技术与频谱校正技术，提高频谱分辨率及多普勒频率的准确度，从而大大减小了传统信号处理算法引起的误差。

(三)用单纵模固体激光器代替传统的He-Ne激光器或者半导体激光二极管，使激光器同时具有线宽窄，功率大及体积小等诸多优点，有利于提高多普勒信号的信噪比及空间分辨率。

附图说明

图1：本发明的总体结构框图

图2：本发明的原理框图

图3：本发明信号处理流程框图

图4：本发明速度测试原理图。

其中：检测探头-1，同轴电缆-2，信号处理电路板-3，显示屏-4，被测物体-5，激光器-6、准直镜-7、旋转光栅-8、全反镜-9、全反镜-10，收集透镜-11、全反镜-12、会聚透镜-13、光电探测器-14、前置电路-15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、2所示，一种基于旋转光栅的激光多普勒测速装置及其测速方法，包括：检测探头1，同轴电缆2收集检测探头1的检测信号，传输至用于结算速度的信号处理电路板3，信号处理电路板3连接显示屏4并将检测信号在显示屏4上显示；所述检测探头1包括一激光器6，激光器6激光路径上设置用于准直的准直镜7，准直镜7后设置有旋转光栅8，两个全反镜9和10平行对称设置于经旋转光栅8衍射后的激光路径上，并将激光反射后使激光从检测探头1的检测孔射出，收集透镜11位于检测孔内，收集被测物体散射的激光，激光经成一定角度向下倾斜的全反镜12反射至汇聚透镜13，光电探测器14收集汇聚透镜13的激光，并将信号由进行信号放大和滤波的前置电路15经同轴电缆2传出检测探头1。

进一步的，所述激光器6为单纵模固体激光器或半导体激光器。

进一步的，所述激光器6发射的激光经旋转光栅8形成±1级衍射光。

进一步的，所述检测探头1中±1级衍射光的夹角为θ，利用两全反镜9、10改变光束传播方向进行合束，合束时两束光的夹角同样是θ。

进一步的，所述信号处理电路板3中先对检测探头输出的信号进行快速傅里叶变换FFT，然后再运用频谱细化技术提高频谱分辨率，最后再利用频谱校正技术对细化后的频谱进行修正，从而提取出多普勒频率，解算出被测物体的运动速度。

图3是本发明信号处理流程框图。光电探测器14将光信号转换为电信号后，前置电路15对原始多普勒信号进行放大，跟踪滤波器对放大后的信号进行跟踪滤波，抑制直流项和噪声带来的影响，然后基于快速傅立叶变换的方法得到多普勒信号的频谱，再运用频谱细化和频谱校正技术对信号的频谱进行修正，最后在修正后的频谱中提取多普勒频率，求得待测物体的运动速度。

单纵模固体激光器也可由半导体激光器代替，但是半导体激光器线宽较宽会影响测量精度。

本发明的工作原理为：

实际工作中，如图2所示，检测探头1中单纵模固体激光器6发出一束激光束，经准直镜7准直后，入射到旋转光栅8上，由于衍射效应，对称分布的±1级衍射光经由全反镜9、10改变传播方向，以同样的夹角θ对称地入射到待测运动物体5上，然后收集透镜11收集来自运动物体的散射光，全反镜12改变散射光的传播方向，经由会聚透镜13将其会聚到光电探测器14的光敏面上，最后前置电路15对原始多普勒信号进行放大和滤波后通过同轴电缆2传送至信号处理电路板3进行处理，提取多普勒频率，从而解算出待测物体的运动速度，由显示屏4显示结果。基于旋转光栅的激光多普勒测速装置及其测速方法由光学探头检测来自运动物体散射光的多普勒频移，将放大和滤波的前置电路与光学检测探头集成在一起，其余电路集成在一块电路板进行多普勒信号处理，由显示屏显示测量结果。其总体结构如图1所示，其中被测运动物体5，集成化检测探头1，同轴电缆2，信号处理电路板3，显示屏4依次连接。

为了消除激光束中心波长的漂移对测量精度的影响，本发明利用光栅衍射的特性对激光束进行分束，再利用对称分布的反射镜进行合束，在原理上实现了多普勒频率与激光束的中心波长无关。具体如下：由光栅衍射特性可知

d sinα＝λ (1)

其中d是衍射光栅的间距，α是衍射光与入射光的夹角，λ是激光束的波长。而传统双光束差动激光测速仪的原理公式为

其中f_D是多普勒频率，θ是用于合光的两对称光束夹角，v是待测物体的运动速度。不难发现，θ＝2α，结合(1)式，(2)式可化简为

由(3)式可以看出，多普勒频率与激光束的中心波长以及两光束的夹角无关，这就消除了激光束中心波长的漂移对测量精度的影响。

为了在保证系统体积较小且不引入其他干扰的前提下实现方向辨别的功能，本发明利用旋转光栅进行移频，各级衍射光同入射光之间的频差为

f_g＝mωN_g (4)

其中m是衍射级次，ω是光栅旋转角速度，N_g是光栅总线数。本发明利用±1级衍射光进行合束，因此两光束的偏置频率为

f₀＝2f_g＝2mωN_g (5)

这就利用旋转光栅实现光学频移，从而有效解决了速度方向模糊的问题，而且控制了系统的体积，也没有引入其他干扰。

如图4所示，信号处理电路板3中先对检测探头输出的信号进行快速傅里叶变换(FFT)，然后再运用频谱细化技术提高频谱分辨率，最后再利用频谱校正技术对细化后的频谱进行修正，从而提取出多普勒频率，解算出被测物体的运动速度。为了减小传统激光多普勒信号处理方法(FFT)带来的误差，本发明在FFT的基础上运用频谱细化技术提高频率分辨率，并运用频谱校正技术对多普勒频率进行修正，使其更加接近真实值。

Claims (5)

1.一种基于旋转光栅的激光多普勒测速装置，其特征在于，包括：检测探头，同轴电缆收集检测探头的检测信号，传输至用于结算速度的信号处理电路板，信号处理电路板连接显示屏并将检测信号在显示屏上显示；所述检测探头包括一激光器，激光器激光路径上设置用于准直的准直镜，准直镜后设置有旋转光栅，两个全反镜平行对称设置于经旋转光栅衍射后的激光路径上，并将激光反射后使激光从检测探头的检测孔射出，收集透镜位于检测孔内，收集被测物体散射的激光，激光经成一定角度向下倾斜的全反镜反射至汇聚透镜，光电探测器收集汇聚透镜的激光，并将信号由进行信号放大和滤波的前置电路经同轴电缆传出检测探头；所述信号传送至信号处理电路板进行处理，提取多普勒频率，解算出待测物体的运动速度，由显示屏显示结果。

2.根据权利要求1所述的基于旋转光栅的激光多普勒测速装置，其特征在于：所述激光器为单纵模固体激光器或半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的基于旋转光栅的激光多普勒测速装置，其特征在于：所述激光器发射的激光经旋转光栅形成±1级衍射光。

4.根据权利要求1所述的基于旋转光栅的激光多普勒测速装置，其特征在于：所述检测探头中±1级衍射光的夹角为θ，利用两全反镜改变光束传播方向进行合束，合束时两束光的夹角同样是θ。

5.根据权利要求1所述的基于旋转光栅的激光多普勒测速装置，其特征在于：所述信号处理电路板中先对检测探头输出的信号进行快速傅里叶变换FFT，然后再运用频谱细化技术提高频谱分辨率，最后再利用频谱校正技术对细化后的频谱进行修正，从而提取出多普勒频率，解算出被测物体的运动速度。