CN1150650A - 用激光多普勒风速计测定光散射运动质点物理值的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用激光多普勒风速计测定光散射运动质点物理值的方法和设备。驱动调相器(22)在所测体积中产生强度调制的运动叠加信号。用两不同频率且耦合成相位和频率固定的正弦信号驱动调相器，其中一频率(ω₂)为另一个(ω₁)的整数倍，且由带通滤波器(5)将两频率公倍数的滤波频率从接收器(4)输出信号中滤除。为此，调节调相器处的驱动信号幅度抑制接收器输出信号中的两边带之一。本发明可用于测定流动媒质的速度和固体表面长度及加速度。

Description

用激光多普勒风速计测定光散射运动 质点物理值的方法和设备

本发明涉及一种用激光多普勒风速计测定光散射运动质点物理量或物理值的方法及其相应的带相位调制的激光多普勒风速计(LDA)。本发明特别适用于液态和气态流动媒质速度的测定，但也可用以测定固体表面的长度和加速度。

LDA是周知的多用途测量仪器，这种仪器还可借助于周知的相位多普勒风速和风向测定法(PDA)用不同的光接收器和信号求值法测定散射质点的大小和/或折射率。相干光源的光束在LDA中被分离成两束在空间上彼此分开的部分光束，再用聚光器将这两束部分光束映射到测定点。在此情况下，运动媒质的散射质点上就形成有可加以分析的明暗条纹图形。定向的激光束引入一个光阱中，而当散射体位于测定点时，安置在聚光器光轴上的接收器就检测到相干条纹图形。散射质点掠过相干条纹图形时，接收器有一段时间感测出散射光中光强度的调制情况，于是从光强调制频率用光波长度和两部分光束之间的半角计算出待测定的速度。

为测出运动的方向，传统的作法是在LDA的部分光束中形成相移。近来，这方面越来越多地采用电光相位调制器，因为这种调制器可与分束器一起紧凑地装设在集成光学芯片(IOC)上。

相移采用锯齿形驱动电压按一般方式进行，10周期左右的必要相移要求大约20毫米的电极长度和大约40伏的驱动电压。尽管这些值仍然可以用集成光学相位调制器在APE：LiNbO₃上获得，但这种解决办法还有一个很明显的缺点。通常，由于调制器电压从锯齿的最大值最后回跳到零值，锯齿驱动电压重新上升前在同一相位中没有新的求值信号产生。为此总须要严格遵守此回跳的有关规程和增加“零信号”来调节新驱动信号确切的相位位置的规定，从而使电子设备方面的开支大幅度增加。

因此，本发明的目的是要找到以相位调制器不太复杂的驱动在LDA所测定的体积中产生运动强度调制叠加信号的可能性。

在用激光多普勒风速计(LDA)测定光散射运动质点物理值的方法中，来自至少一对相干部分光束的光在至少其中一束部分光束经过调相器之后叠加到所测定体积的测定点，且在所测定的体积中有散射质点出现时，至少部分光束的分量作为散射光抵达至少一个接收器上，并转换成电输出信号，以多普勒频移大小来分析这些电信号。按照本发明，上述目的是这样达到的：调相器由两个不同频率、不同振幅、耦合成使其相位和频率固定的正弦驱动信号驱动，其中一个频率为另一个频率的整数倍；此外，由一个带通滤波器从接收器的输出信号中滤除含上述两频率公倍数的且其带宽用于检测预期的最大多普勒频移的滤波频率；而且驱动信号的幅值调节成使所滤除信号中出现的两个边带之一大幅度地受到抑制，另一个边带则用以求出多普勒频移的值。

调相器的驱动信号最好获自同一个正弦波发生器。

为产生相干部分光束和更好地进行相位调制而对光束进行的分离最好在专用的集成光学芯片(IOC)上进行。这样做时，可以在多路传输工作过程中用分光装置进行分光以产生其它成对的部分光束(例如，供照射多个测定点用)，在多路传输过程中，接收器的与不同的测定点有关的输出信号与驱动过程同步地切换到连接点求值单元上。一个或多个接收器的输出信号最好在经电子混合器滤波之后转换到较低的频率范围。

所选取的最好是诸调制频率最小公倍数的频率与所滤除的接收频率之间的频差最好由一个计数器测定。接着就可以根据计数值和接收器上散射光条纹的条纹间隔计算出质点的速度。

至于所测体积中的运动质点，最好借助于逻辑电路将调制频率的正交系统与所滤除的接收频率联系起来以产生正向脉冲和反向脉冲，即用收到的信号扫描正交系统，并根据当前的扫描值和原光的扫描值明确定运动的方向。分散质点的运动路径可根据如此产生的正向脉冲和反向脉冲通过指定条纹间隔确定，即将正向和反向脉冲计数值的差值乘以平均条纹间隔。

此外，所滤除的接收信号最好经过处理，那根据所确定的扫描点数用特定的信号处理器确定模/数转换之后接收信号的光谱分布，其中该光谱分布的基准线或基线与各调制频率最小公倍数的频率之间的差频对应于多普勒频率。

一个激光多普勒风速计，包括：至少两个相干的部分光束；其中至少一束部分光束中的一个调相器；光学装置，用以引导光束、将两束部分光束聚焦到所测体积的运动质点上、并将部分光束的至少一个分量作为被运动质点散射的光映射出去；和一个接收器，用以接收由一对部分光束形成的散射光。在该风速计中，所述目的是按照所叙述过的方法达到的，即：在调相器处出现两个正弦驱动信号，这两个正弦驱动信号的调制频率及振幅不同，经过耦合使其相位和频率固定，其中一个调制频率是另一个调制频率的整数倍；在接收器下游配置一个带通滤波器，其滤波频率含有调制频率公倍数的频率，其带宽可用以检测最大的预计多普勒频移；以及调相器处驱动信号的幅度调节成使因多普勒频移出现的一个边带在接收器输出信号中受到大幅度地抑制，只有另一边带作为在求值单元中用调相器驱动信号的频率和相位信息进行求值的依据。

调相器最好经两个不同的信号路径接同一个正弦波发生器，以便用两个调制频率驱动，其中至少有一个信号路径中装有一个分频器。

求值单元有不同的组成，这由测定任务决定。为测定散射质点的速度，最好装上一个计数器，供计出信号因通过相干条纹而产生的变化。

若需要另外的正向和反向脉冲，最好在求值单元中装上一个发出适当脉冲的PLL(锁相环)电路。

不然也可以按有利的方式装一个专用的数字信号检测器。一个既定扫描点数的接收信号经过模/数转换之后，该信号的处理器通过快速傅立叶变换确定该接收信号的光谱发布，并将此光谱分布相对于各调制频率最小公倍数频率的基线的差频作为多普勒频率给出。为此，数字信号处理器的时基与调相器调制频率的比值是固定的。

为构成整个LDA，激光源光束的分离和相位的调制最好都以Y分支装置和电光调相器的形式在公用的IOC上进行。为使所测定的体积中有多个测定点，一个激光二极管的光最好至少分成两对部分光束，其中与一测定点相关的每对部分光束的一束部分光束中有一个调相器。为给另外的测定点产生等量的部分光束时，最好在IOC上集成上另一个频控分束器，在与各测定点相关的各接收器与求值单元中的带通滤波器之间配置一个与分束频率同步工作的多路转换器。各调相器在IOC上并联配置有这样的好处，即各毗邻的调相器可以共用一个公用电极。

本发明是基于这样一个构思提出的：为了用电光调相器降低LDA中激光辐射的输出密度，必须能求出各叠加的信号值，以便用外差干扰量度法等类似的方法来测定多普勒频率。为达到此目的，按照本发明，调相器由两个耦合成使其频率和相位固定的信号驱动，并用一个带通滤波器滤除调相器调制频率最小公倍数附近的一定范围内预期的多普勒频率值。因此，在实际应用中，从接收器信号的频谱E(f_o，2f_o，3f_o……nf_o，[n+1]f_o，……)中滤除小于f＝mf_o±Δv的频率范围，其中m为激励调相器的两个调制频率的最小公倍数。借助于各调制频率之间的相移，将它们的振幅调节成使出现的其中…个边带  E_m ^-(mf_o-Δv)或E_m ⁺(mf_o-Δv)大幅度受到抑制。多普勒频率Δv(运动质点的速度即根据这个频率测定)是通过将其余的边带与调制频率最小公倍数的频率相比较求出的。

由于上述过程，按照本发明，用适当设计出的LDA测定光散射运动质点的物理值时，可以利用外差干扰量度法的基本原理，在LDA所测定的体积中产生运动强度调制过的叠加信号，且其中采用了不复杂的双重正弦波来驱动调相器。因此，可以采用低的激光器输出(小于1毫瓦)和低的调相器驱动电压。这带来了另一个好处，即LDA的分束元件和调相元件可装在小巧的集成光学芯片(IOC)上。

下面参照一些实施包例更全面地说明本发明的内容。附图中：

图1是本发明的LDA的基本结构；

图2是使电光调相器可在两频率驱动下进行调相的IOC的一个实施例；

图3是本发明两测定点的LDA的一个较好的结构方案；

图4是适用于图3的IOC结构。

本发明测定光散射质点物理值的方法是根据双光束多普勒风速和风向测定原理工作的。方法的基本步骤基本上是新的，采用了双频相位调制，两频率的耦合在相位和频率上是固定的，且选取了其中一个频率为另一个频率的整数倍，此外还对接收信号在预期最大多普勒频移的带宽中的调制频率ω₁和ω₂最小公倍数的频率下进行带通滤波，并抑制多普勒频移出现的两个边带的其中之一以便求出第二个边带的值。下面通过示出设计思想和说明附图中所示的LDA的较好结构更确切地说明本发明的内容。

图1示出了本发明LDA的基本方案。激光源1经光导纤维31照射到集成光学芯片(IOC)2上。这里为达到所要求小巧紧凑性，光源1最好采用激光二极管，但并非一定要这样做不可。IOC2装有Y分支装置21和调相器22(图2)。从图2中可以看出，调相器22的设计和驱动对电光调相器22在LDA双光束多普勒方法中的布局是有好处的。由于最好由LiNbO₃制成的IOC2中的电光效应的开关频率非常高，而且调相器22的驱动电压低，因而调制频率ω₁和ω₂可以非常高。但其频率最好根据测定点34处散射质点的最高速度来选择。按照本发明，调相器22是用两个调制频率ω₁和ω₂驱动的。这两个调制频率ω₁和ω₂耦合成使其在相位和频率上固定，而且是同一个基频f_o的谐频。为此，建议其中一个调制频率ω₂最好取为另一个调制频率ω₁的整数倍。采用基频f_o及其第一谐频2f_o较好。

按图1，如此调制过的激光经一般使用的光学发射器32依次引入光导纤维31中，由光学发射器32将该两部分光束聚焦在公共测定点34上并将两者叠加起来。位于测定点34的散射质点重现连续的条纹图形，该图形借助于光学接收器33耦合入光导纤维31中，将其传送给接收器4，接收器4最好是雪崩光电二极管。接收器4后面的带通滤波器5波除在调制频率ω₁和ω₂最小公倍数频率下的多普勒频移最大波动宽度的带宽，将具有下列结构的接收器信号传送给求值单元6：

E(t)＝Bsin(Δv)tSinnf_ot+Ccos(Δv)tcosnf_ot $=\frac{C+B}{2}\cos [{\mathrm{nf}}_{o}t-\left(\mathrm{\Δv}\right)t]+\frac{C-B}{2}\cos [{\mathrm{nf}}_{o}t+\left(\mathrm{\Δv}\right)t]$ 其中ω₁＝f_o和ω₂＝nf_o用作调制频率ω₁和ω₂。n＝2且滤除滤波频率f_F＝2f_o时，该接收信号有两个边带E₂ ⁺(t)和E₂ ^-(t)，其频率为 $f_0^{+}=2f_0+\mathrm{\Δv}$ 和 $f_0^{-}=2f_0-\mathrm{\Δv}$ ，其中Δv表示多普勒频移。

当特别选取参数B＝C时，边带E₂ ⁺完全受到抑制，因而可以按周知的方式对多普勒信号进行单边带检测。

调节调相器22处的相移可以抑制其中一个边带。

为调节适当的工作点(该工作点在公式中应以D表示)，可以个别调节驱动信号的幅度，使其导致所要求的相移。所产生的相移与调相器的驱动电压成正比。例如幅度为π时，产生的相移为180度。

为了在n＝2(达到B＝C)时，调节相应的工作点D₂，此处D₂＝0.66，采用驱动信号的两个幅度A₂＝3.80和A₂₂＝1.35，以便求出接收器经滤波的信号E₂(t)＝2D₂cos[2f_ot-(Δv)t]的值。

滤波可以在所有频率nf_o下进行。因此，在频率f_o下，对于分量E₁(t)，在A₁₁＝1.83和A₁₂＝1.38时的工作点D₁＝0.68。

然而，有一种更为精确的方法能够只要一次就可调节工作点，其中借助于光谱分析仪观测各边带的幅度，通过选择调相器22的相移移动工作点，从而抑制边带。

经滤波的接收器信号按周知的方式在求值单元6中求值，各种求值法都可用于发明的LDA。

调制频率ω₁和ω₂最小公倍数(最简单的情况是ω₁＝f_o，ω₂＝2f_o)与所滤除的接收频率(f_F＝2f_o)之间以数学式表示的频差在各种情况下对应于多普勒频率，且与散射质点的速度成正比。

在最简单情况下，频差是借助于在求值单元6中用Z符号表示的若干计数器检测的。为此，用最高可能的计数频率测定从记录的滤波频率f_F通过混合和分离形成的选通时间。将计数值与条纹间隔在数学上简单联系起来就可以求出速度测定值。计数器的计数频率与调制频率最小公倍数的频率最好取整数比值。这个情况在图1中是用接第一正弦波发生器7的一条连接线符号表示出来的，第一正弦波发生器7优先做调制频率ω₁和ω₂的耦合使之在频率和相位上固定。相关调制频率ω₁的产生同样用接另一最好按图1使用的正弦波发生器7的连接线符号表示。

LDA的第二种求值法采用了调制频率ω₁和ω₂的正交系统(正弦和余弦)，并将其与滤除的接收频率f_F联系起来。调制频率ω₁和ω₂的正交系统转换成有90度相移的两个数字信号的其中之一，此正交系统由接收信号扫描。运动和运动方向可以按明确的方式根据现时扫描值和先前的扫描值借助于PLL(锁相环)确定。此内容由适当的逻辑电路转换成正向或反向脉冲，按每一个干涉条纹间距发送这类脉冲。运动质点的运动路径可直接从发出的正向或反向脉冲计数值的差值乘以条纹间隔求出。

LiNbO₃形成的调相器22在上述求值方案中所带来的好处特别明显，因为正由于调相器22的开关频率高，才能在相对于滤除掉的接收频率f_F(此频率建议取对应于两调制频率ω₁和ω₂中较大的一个)的多普勒频移量小于2时采用PLL。

图1中缩写成FFT(快速傅立叶变换)的第三种求值法采用快速模/数转换之后所滤除掉的接收信号作为数列，以便在FFT的基础上计算接收信号的光谱分布。光谱分布由专用的信号处理器根据既定的扫描点数计算出来。该分布的基线与调制频率ω₂之间的频差也对应于多普勒频移，根据多普勒频移可以确定散射质点的运动数据。

图3示出了本发明的另一个实施例，该实施例的结构特别简单、有利，适用于所测体积中须检测的多个测定点。

来自源光源1的光和实例1一样用光导纤维31引到IOC2。此IOC2专门为两个测定点34用而无需使以后的开支自动翻番而设计的。从图4中可以看出IOC结构的优点。调相器22最好装有公用电极，而且是用同样的驱动信号工作的，传来的激光借助于频控分支装置23交替转接到相应的调相器22上。这方面采用了频率发生器8提供的另一个分束频率f₁。此外，此频率发生器8控制着交替将接收器4(在此情况下为两个接收器)的信号馈给公用带通滤波器5的多路转换器9。因此，为在测定点34产生和记录干涉条纹图形，只要分别对元件的开支上翻一番即可。频控分支装置23后面IOC2的各光通道中都有Y分支装置21，因而在IOC2的输出边产生两对能起干涉作用的部分光束。这样，调相器22就可以彼此合并在一起达到四个分开的光通道之间每种情况只有一个电极的程度，这个电极供毗邻的两个光通道使用，从而电极的连接可以镜象对称于各对部分光束之间的分界线安排。在这种情况下，IOC2对称于中心线的结构如图4中所示。

在此实例中，驱动信号采用了调制频率ω₁＝f_o和ω₂＝2f_o的真正正弦信号。为此，如图3中所示，配置了基频为2f_o的一个正弦波发生器7和其后的分频器71，由该分频器将正弦波发生器7的频率减半。此外，基频为2f_o的正弦波发生器7给求值单元8提供对比频率和时钟频率。

按实例1的第二修改方案求值的好处在于，分频器71含90度相移，因而调制频率ω₁和ω₂的正交系统能自动形成，且可以有利的方式求值。本发明LDA的所有其它操作按例1同样的方式进行。

Claims (21)

1.用激光多普勒风速计测定光散射运动质点物理值的一种方法，该方法是将来自至少一对相干部分光束的光在至少其中一束部分光束经过调相器之后叠加到所测体积的测定点，且在所测定的体积中有散射质点出现时，至少部分光束的分量作为散射光抵达至少一个接收器上，并转换成以多普勒频移大小来分析的电输出信号，其特征在于：

调相器(22)由两个频率(ω₁、ω₂)和幅值不同的正弦驱动信号驱动，  两驱动信号耦合成使其相位和频率都固定，其中一个频率(ω₂)为另一个频率(ω₁)的整数倍；

含两频率(ω₁、ω₂)公倍数的且其带宽用于检测预期的最大多普勒频移的滤波频率由一个带通滤波器(5)从接收器(4)的输出信号中波除掉；

两驱动信号的幅值调节成使所滤除信号中出现的两个边带之一大幅度地受到抑制，另一个边带则用以求出多普勒频移的值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调相器(22)的两个驱动信号获自同一个正弦波发生器(7)。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调相器(22)耦合成使其相位固定的驱动信号具有规定的相移供检测运动方向用。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为产生相干部分光束而进行的分束和相位调制借助于集成光学芯片(2)进行。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在多路传输过程中借助于频控光学分支装置(23)，依次光控多个测定点(34)，并将接收器(4)的来自不同测定点(34)的输出信号与频控分支装置(23)的驱动同步地转接到公用带通滤波器(5)上。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收器(4)的输出信号用电子混合器滤波之后转换到较低的频率范围。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所选择的特别是调制频率(ω₁、ω₂)最小公倍数的频率与所滤除的接收频率之间的频差用一个计数器测定，速度则根据计数值和接收器(4)上散射光图形的条纹间隔计算出来。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所测体积中有运动质点出现时，由一逻辑电路将调制频率(ω₁、ω₂)的正交正弦/余弦系统与滤除掉的接收频率联系起来，其中接收信号扫描正交系统，运动方向则以明确的方式根据现时和先前的扫描值确定，由此而产生正向和反向脉冲。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，每次有正向和反向脉冲出现时指定条纹间隔，散射质点的运动路径则根据正向和反向脉冲乘以条纹间隔确定。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，滤除掉的接收信号在模/数转换之后在一个专用的信号处理器中处理，该专用信号处理器根据既定量的扫描点确定光谱分布，其中此光谱分布的基线相对于调制频率(ω₁、ω₂)最小公倍数的差频对应于多普勒频率。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，信号处理的时基与调制频率(ω₁、ω₂)的比值是固定的。

12.一种激光多普勒风速计，具有：至少两个相干的部分光束；其中至少一束部分光束中的一个调相器；光学装置，用以引导光速、将两束部分光束聚焦到所测体积的运动质点上并将部分光束的至少一个分量作为被运动质点散射的光映射出去；和接收器，用以接收由一对部分光束形成的散射光，其特征在于：

在调相器(22)处出现两个调制频率(ω₁、ω₂)及振幅不同、且耦合成使其相位和频率固定的正弦驱动信号，其中一个调制频率(ω₁)是另一个调制频率(ω₂)的整数倍；

在接收器(4)下游设置一个带通滤波器(5)，其滤波频率(f_F)含调制频率(ω₁、ω₂)公倍数的频率，其带宽可用以检测最大的预计多普勒频移；以及

调相器(22)处驱动信号的幅度调节成使因多普勒频移出现的一个边带在接收器(4)输出信号中受到大幅度地抑制，只有另一边带作为在求值单元(6)中用调相器(22)驱动信号的频率和相位信息进行求值的依据。

13.如权利要求12所述的风速计，其特征在于，调相器(22)经两个不同的信号通路与同一个正弦波发生器(7)连接，以便用不同的调制频率(ω₁、ω₂)驱动，其中至少一个信号通路上有一个分频器(71)。

14.如权利要求13所述的风速计，其特征在于，在一个信号通路上设置一个移相器。

15.如权利要求14所述的风速计，其特征在于，求值单元(6)中装有发送正向/反向脉冲的一个PLL(锁相环)。

16.如权利要求12所述风速计，其特征在于，求值单元(6)中有一个计数器，干涉条纹的计数值与间距结合起来就得出质点运动的速度。

17.如权利要求12所述的风速计，其特征在于，求值单元(6)中装有一个专用的数字信号处理器，该处理器以FFT(快速傅立叶变换)为基础求出接收信号的光谱分布值，其中光谱分布基线相对于调制频率(ω₁、ω₂)的最小公倍数的差频对应于多普勒频率。

18.如权利要求12所述的风速计，其特征在于，在一集成光学芯片(2)上高有Y分支装置(21)和电光调相器(22)，前者用以分离来自激光源(1)的部分光束，后者供调相用。

19.如权利要求18所述的风速计，其特征在于，激光源(1)的光被分成至少两对部分光束，以便建立多个测定点(34)，其中每对部分光束中与测定点(34)有关的一个部分光束上有一个调相器(22)。

20.如权利要求18所述的风速计，其特征在于，IOC(2)上有另一个频控分支装置(23)，供应生附加测定点(34)的相等部分光束用，且在相应接收器(4)与带通滤波器(5)之间设有与附加分束频率(f₁)同步工作的一个多路转换器(9)。

21.如权利要求19或20所述的风速计，其特征在于，在各种情况下两个调相器(22)都共用一个公用电极。

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