CN105403731A - 一种高精度宽量程的飞秒激光多普勒三维流速传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度宽量程的飞秒激光多普勒三维流速传感方法，所述方法包括以下步骤：以频率间隔Δω作为基准探测流体速度产生的多普勒频移；多组接收体扫描测量机构在测量过程中将分别接收一组速度矢量分量序列，多组速度矢量分量序列中的每一个对应元素在全局时钟控制下同步完成信号采集；多接收体扫描测量机构需定位于被测量流场同一点；根据各组接收体扫描测量机构接收到的多普勒频移信号，反演出该方向对应的速度分量，然后将三个速度分量矢量序列进行矢量合成计算，实现流场单点三维速度测量。本发明以多普勒效应为基本原理对透明流体三维流速进行检测，目的在于实现高精度、宽量程的流体测速，尤其是对深海海水低流速的测量。

Description

一种高精度宽量程的飞秒激光多普勒三维流速传感方法

技术领域

本发明涉及激光多普勒流速传感领域，尤其涉及一种高精度宽量程的飞秒激光多普勒三维流速传感方法。

背景技术

激光多普勒流速传感方法利用激光多普勒效应为基本测量原理，在激光穿过透明流体时，在流体中的颗粒表面发生散射，然后接收散射信号，根据其发生的频移反演出流速的方向和大小，具有非接触测量、不干扰目标运动、空间分辨率高、响应速度快等优点。目前大多数研究都集中在如何完善相干检测方法，即设计光路实现光波空间混频相干，利用光电探测器检测拍频信号，即光频外差检测。

但是这种测量方法第一在光路设计上要满足外差检测条件，即检测器光阑对应的立体角与测量截面积的乘积应该小于波长的平方；第二必须增加频移环节以实现速度方向的判断，而频移环节的增加无疑给测量系统带来了新的误差源；第三相干检测毕竟是在光频基础上探测频差，测量速度的范围在原理上受到了光电探测器响应带宽的限制。

发明内容

本发明提供了一种高精度宽量程的飞秒激光多普勒三维流速传感方法，本发明以多普勒效应为基本原理对透明流体三维流速进行检测，目的在于实现高精度、宽量程的流体测速，尤其是对深海海水低流速的测量，详见下文描述：

一种高精度宽量程的飞秒激光多普勒三维流速传感方法，所述飞秒激光多普勒三维流速传感方法包括以下步骤：

以频率间隔Δω作为基准探测流体速度产生的多普勒频移；

多组接收体扫描测量机构在测量过程中将分别接收一组速度矢量分量序列，多组速度矢量分量序列中的每一个对应元素在全局时钟控制下同步完成信号采集；多接收体扫描测量机构需定位于被测量流场同一点；

根据各组接收体扫描测量机构接收到的多普勒频移信号，反演出该方向对应的速度分量，然后将三个速度分量矢量序列进行矢量合成计算，实现流场单点三维速度测量。

所述多组接收体扫描测量机构具体为三组接收体扫描测量机构，每组接收体扫描测量机构的结构包括：

依次通过光信号连接的飞秒激光发生器、半圆柱透镜、会聚透镜、快速控制反射镜、准直透镜、以及分色镜；

所述分色镜分别连接指示用半导体激光器和光电探测器。

所述根据各组接收体扫描测量机构接收到的多普勒频移信号，反演出该方向对应的速度分量具体为：

$f_D=\frac{1}{\mathrm{\λ}}|U\·(e_s-e_0)|$

其中，f_D为多普勒频移；e₀为入射光；U是流体流速；e_s为散射光的单位向量；λ为波长。

所述飞秒激光多普勒三维流速传感方法还包括：光路几何参数标定；

将角锥棱镜通过光片固定于某一位置，通过指示用半导体激光器调整快速控制反射镜指向角锥棱镜，并记录此时快速控制反射镜的两个偏转角度。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

针对流速信息观测对研究高精度、宽量程的流速传感新方法的需求，在激光流速传感研究方向上，摆脱传统光频相干检测和光频直接检测方法框架，利用飞秒激光高重频稳定度、高时间分辨力和频率分辨力等良好性质，将飞秒激光作为光源引入流速测量，围绕飞秒激光性能特点，从理论基础、测量装置、数据处理三个方面研究基于飞秒激光的流速传感新方法，为服务于流速信息观测的流速传感技术开发和测量设备研制提供新思路和技术方法储备。

本发明提出的流速测量方法，克服传统流速传感方法及激光多普勒测速在低流速测量时难以保证精度的问题，将为海流数据观测质量的提升带来新思路，满足进一步认识海洋、观测海洋、精细化获取海洋信息等海洋强国建设的内在需求，也将为涉及流速测量的科学技术发展提供传感技术方法储备。

附图说明

图1为飞秒激光多普勒三维流速传感测量光路示意图；

图2为多组接收体扫描结构分布图；

图3为光路几何参数标定示意图；

图4为激光多普勒测速示意图；

图5为速度分量配准融合示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：飞秒激光器；2：半圆柱透镜；

3：会聚透镜；4：快速控制反射镜；

5：准直透镜；6：分色镜；

7：指示用半导体激光器；8：光电探测器；

9：角锥棱镜；10：激光跟踪仪；

41：第一快速控制反射镜；42：第二快速控制反射镜；

43：第三快速控制反射镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例介绍了一种利用飞秒激光高重频稳定度、高时间分辨力和频率分辨力等良好性质，以多普勒效应为基本原理对透明流体三维流速进行检测的新方法，目的在于实现高精度、宽量程的流体测速，尤其是对深海海水低流速的测量。

1、飞秒激光重频的多普勒效应原理，飞秒激光中包含的频率成分大约为10⁶量级，频谱之间的频率间隔Δω可以锁定到外部微波频标，使其具有10^-15量级的频率稳定度，本发明实施例即以此频率间隔Δω作为基准探测流体速度产生的多普勒频移。

2、多组接收体扫描结构如图2所示，为实现三维流速测量，设置多组接收体扫描机构完成三个散射方向的速度分量测量。时间方面，多组接收体扫描测量机构在测量过程中将分别接收一组速度矢量分量序列，多组矢量分量序列每一个对应元素在全局时钟控制下同步完成信号采集。空间方面，多接收体扫描测量机构需定位于被测量流场同一点，从几何关系上看，即是控制多条直线从同一点穿过约束光片。

3、根据各组接收体扫描测量机构接收到的多普勒频移信号，反演出该方向对应的速度分量，然后将三个速度分量矢量序列进行矢量合成计算，实现流场单点三维速度测量。

下面结合图1、图2、图3、图4和图5对本发明实施例提供的飞秒激光流速传感具体实施方法进行详细说明。

本发明实施例是基于激光多普勒测速技术的，所用到的光路设计如图1所示。测量步骤如下：

步骤101：光路几何参数标定；

如图3所示，利用角锥棱镜9作为合作目标，使其通过光片(同图1的光片)固定于某一位置，同时借助图1所示指示用半导体激光器7调整快速控制反射镜4(图3中包括三个快速控制反射镜，分别为第一快速控制反射镜41、第二快速控制反射镜42和第三快速控制反射镜43)指向角锥棱镜9，并记录此时快速控制反射镜4的两个偏转角度

其中下标n表示快速控制反射镜4的序号，m表示角锥棱镜9的摆放位置序号。配合激光跟踪仪10等坐标测量仪器提供的点位置坐标，完成光路系统几何参数的标定。

步骤102：如图1所示，将半圆柱透镜2和会聚透镜3的焦点重合，组成一个扩束镜，使飞秒激光器1发出的光线在经过此扩束镜后扩为一道光片(即一道片状的飞秒激光)。此光片在经过透明流体时，在透明流体中的运动颗粒(颗粒速度近似等于流体流速)表面发生散射，然后经过快速控制反射镜4的反射，散射光在指示用半导体激光器7的指示下通过分色镜6，最后打进光电探测器8。

步骤103：读出快速控制反射镜4的两个偏转角度以得到该方向散射光的矢量方向；然后根据光电探测器8得到多普勒频移f_D；

步骤104：根据多普勒频移f_D获取散射方向的速度分量；

如图4所示，e₀为入射光，U是流体流速，S为光电检测器，e_s为散射光的单位向量。多普勒频移f_D与它们之间的关系式为

$f_D=\frac{1}{\mathrm{\λ}}|U\·(e_s-e_0)|$

将e₀、e_s、λ、f_D带入即可得出该散射方向的速度分量U₁。

步骤105：同理得到其余两个散射方向的速度分量U₂、U₃，然后如附图5所示，将三个散射方向的速度分量U₁、U₂、U₃进行矢量合成，得出流体三维流速矢量U。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高精度宽量程的飞秒激光多普勒三维流速传感方法，其特征在于，所述飞秒激光多普勒三维流速传感方法包括以下步骤：

以频率间隔Δω作为基准探测流体速度产生的多普勒频移；

多组接收体扫描测量机构在测量过程中将分别接收一组速度矢量分量序列，多组速度矢量分量序列中的每一个对应元素在全局时钟控制下同步完成信号采集；多接收体扫描测量机构需定位于被测量流场同一点；

根据各组接收体扫描测量机构接收到的多普勒频移信号，反演出该方向对应的速度分量，然后将三个速度分量矢量序列进行矢量合成计算，实现流场单点三维速度测量。

2.根据权利要求1所述的一种高精度宽量程的飞秒激光多普勒三维流速传感方法，其特征在于，

所述多组接收体扫描测量机构具体为三组接收体扫描测量机构，每组接收体扫描测量机构的结构包括：

依次通过光信号连接的飞秒激光发生器、半圆柱透镜、会聚透镜、快速控制反射镜、准直透镜、以及分色镜；

所述分色镜分别连接指示用半导体激光器和光电探测器。

3.根据权利要求1所述的一种高精度宽量程的飞秒激光多普勒三维流速传感方法，其特征在于，所述根据各组接收体扫描测量机构接收到的多普勒频移信号，反演出该方向对应的速度分量具体为：

$f_D=\frac{1}{\mathrm{\λ}}|U\·(e_s-e_0)|$

其中，f_D为多普勒频移；e₀为入射光；U是流体流速；e_s为散射光的单位向量；λ为波长。

4.根据权利要求2所述的一种高精度宽量程的飞秒激光多普勒三维流速传感方法，其特征在于，所述飞秒激光多普勒三维流速传感方法还包括：光路几何参数标定；

将角锥棱镜通过光片固定于某一位置，通过指示用半导体激光器调整快速控制反射镜指向角锥棱镜，并记录此时快速控制反射镜的两个偏转角度。