CN116794346A - 一种检测流场径向速度的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种检测流场径向速度的方法及系统，利用检测流场径向速度的系统生成普通高斯光束和非零径向系数的高阶涡旋光束；将高阶涡旋光束照射被测流体并穿过被测流体生成携带流体径向信息的目标探测光，并将普通高斯光与目标探测光进行干涉产生外差干涉信号；利用探测器对外差干涉信号进行探测以及分析得到多普勒频谱；根据多普勒频谱确定被测流体的径向速度。由于探测光照射被测流体时，被测流体中的流体粒子在高阶涡旋光束正投影的光斑内做径向运动，本发明利用在径向方向上有强度分布的高阶涡旋光对流场进行检测产生多普勒效应，从而实现对流场径向速度的探测，因此本发明应用场景广泛。
Description
技术领域
本发明属于目标识别探测技术领域，具体涉及一种检测流场径向速度的方法及系统。
背景技术
海洋中蕴含着丰富的生物、矿产资源、承载着大量的人类活动。对于海洋中流场的探测，有利于进一步利用海洋资源和更加有效的规避海洋灾害。一直以来，从电磁流速计到声学测速仪，再到粒子图像技术，各类探测方法都被应用于流场速度的探测中。
现在常用的流场速度探测方法主要有散热率法，PIV技术，声学多普勒法以及光学多普勒测速法。散热率法将发热的流速传感器至于被测流体中，利用发热的测速传感器的散热率与流体流速成比例的特点，通过测定传感器的散热率来获得流体的流速。这种方法需要将热线或热膜探头插入被测流体中，会对待测流场产生较大的干扰；PIV全称ParticleImage Velocimetry(平面粒子成像测速)，通过激光器和其他光学元件得到片光源，用其照亮掺有示踪粒子的待测流体的待测片层，利用数码照相机连续拍摄被照明的区域，得到一系列一定时间间隔下示踪粒子的位置，最终使用图像处理技术计算相同粒子的位移从而得到流速。PIV技术需要在被测流体中加入示踪粒子，并且由于需要对被测区域进行连续拍照并计算，对设备精度以及算法的要求比较高，成本也相对高；声学和光学多普勒测速法都是利用多普勒效应对流场速度进行探测，声学多普勒测速法方法受环境噪声影响较大，并且传输损耗大。光学多普勒测速法通过回波频谱的频移量来计算流场速度实现了光束传播方向上流场速度的探测，而对于径向速度需要多次调整探测光方向，应用场景受限。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种检测流场径向速度的方法及系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种检测流场径向速度的方法包括：
S100：利用检测流场径向速度的系统生成普通高斯光束和非零径向系数的高阶涡旋光束；
S200：将普通高斯光作为参考光，并将高阶涡旋光束作为探测光；
S300：利用探测光照射被测流体并穿过被测流体生成携带流体径向信息的目标探测光，并将参考光与目标探测光进行干涉生成外差干涉信号；
S400：对外差干涉信号进行探测以及进行分析得到外差干涉信号的多普勒频谱；
S500：根据外差干涉信号的多普勒频谱确定被测流体的径向速度。
本发明提供了一种检测流场径向速度的系统包括：
激光器、偏振片、分束棱镜1、探测路装置、参考路装置和干涉处理装置；激光器、偏振片、分束棱镜1依次相连，分束棱镜1分别连接探测路装置和参考路装置，探测路装置和参考路装置输出均连接干涉处理装置；
激光器，用于产生激光；
偏振片，用于接收激光并生成与空间光调制器偏振方向匹配的偏振光；
分束棱镜1，用于将偏振光分成透射路光束与反射路光束，透射路光束作为探测路装置的入射光；反射路光束作为参考路装置的入射光；
探测路装置用于在透射路光束的作用下生成高阶涡旋光束，滤除高阶涡旋光束的杂光，通过被测流体生成携带有流体径向信息的目标探测光；
参考路装置用于在反射路光束的作用下生成普通高斯光束，滤除普通高斯光束的杂光，并改变普通高斯光束的传输方向使其进入干涉处理装置；
干涉处理装置用于将参考光与目标探测光进行干涉生成外差干涉信号，并对外差干涉信号进行探测以及进行分析确定被测流体的径向速度。本发明提供了一种检测流场径向速度的方法及系统，利用检测流场径向速度的系统生成普通高斯光束和非零径向系数的高阶涡旋光束；将高阶涡旋光束照射被测流体并穿过被测流体生成携带流体径向信息的目标探测光，并将普通高斯光与目标探测光进行干涉产生外差干涉信号；利用探测器对外差干涉信号进行探测以及分析得到多普勒频谱；根据多普勒频谱确定被测流体的径向速度。由于探测光照射被测流体时，被测流体中的流体粒子在高阶涡旋光束正投影的光斑内做径向运动，本发明利用在径向方向上有强度分布的高阶涡旋光对流场进行检测产生多普勒效应，从而实现对流场径向速度的探测，因此本发明应用场景广泛。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为声学多普勒测速仪的工作原理图；
图2为双光束-双散射模式的激光多普勒测速技术的原理图；
图3是本发明提供的一种检测流场径向速度的方法的流程示意图；
图4所示是拓扑荷数l为10，径向指数p分别为2和4的光强随半径变化示意图；
图5为拓扑荷数为10，径向系数p为2和4的涡旋光的光强分布图；
图6是本发明实施例提供的一种检测流场径向运动速度的系统的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的拓扑荷数l＝10，径向系数p＝2的高阶涡旋光束入射到运动流体产生的回波信号的多普勒频移示意图；
图8是本发明实施例提供的拓扑荷数l＝10，径向系数p分别为2和4的高阶涡旋光束入射流场得到的径向多普勒频移随径向速度变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
多普勒效应是一种将物体运动速度和波场频率变化联系起来的效应，现有技术根据多普勒效应制备多普勒测速仪，从而完成流场速度的测量。参考图1所示，图1为声学多普勒测速仪的工作原理图。图2所示为双光束-双散射模式的激光多普勒测速技术的原理图。相比声学方法，激光相干多普勒测速技术具有更高的测量精度和更广的测速范围。激光经分光镜分成两束强度相等、互相平行的光束，通过聚焦透镜会聚于被测点，然后对这两束入射光在同一方向上的散射光进行外差而获得多普勒频移。
本发明则利用径向多普勒效应实现了光束传输截面上流场的径向速度的探测，是一种特有的径向速度识别方法。下面对本发明提供的方案作详细介绍。
参考图3所示，本发明提供了一种检测流场径向速度的方法包括：
S100：利用检测流场径向速度的系统生成普通高斯光束和非零径向系数的高阶涡旋光束；
S200：将普通高斯光作为参考光，并将高阶涡旋光束作为探测光；
S300：将探测光照射被测流体并穿过被测流体生成携带流体径向信息的目标探测光，并将参考光与目标探测光进行干涉生成外差干涉信号；
其中，探测光照射被测流体时，被测流体中的流体粒子在高阶涡旋光束正投影的光斑内做径向运动，从而生成携带流体径向信息的目标探测光。
S400：对外差干涉信号进行探测和分析得到外差干涉信号的多普勒频谱；
S500：根据外差干涉信号的多普勒频谱确定被测流体的径向速度。
涡旋光束是一种具有螺旋相位的环状光束，具有非零径向系数的高阶涡旋光其光强和相位在径向方向上也有与径向系数相关的分布。柱坐标下，位于源平面处的高阶径向涡旋光的复振幅表达式为：
其中，ω0为束腰半径，l为拓扑荷数，决定光束相位的角向变化；p为径向系数，决定光束光强的径向变化。为p阶|l|次关于变量/>的拉盖尔多项式，具有p个不同的正根/>(m＝1,2,3…p)，所以/>光束具有p个径向节点。
图4所示是拓扑荷数l为10，径向指数p分别为2和4的光强随半径变化示意图，图5为拓扑荷数为10，径向系数p为2和4的涡旋光的光强分布图。从图4以及图5可以看出，径向指数为p的高阶涡旋光具有p+1个极大值，每两个极大值之间光强先降后增。高阶涡旋光光强在径向方向上稳定分布这一特征可以用来对流场的径向速度进行探测。假设高阶涡旋光光强分布中每两个极大值的间距为Rm，则p阶涡旋光具有p个不同间距R1,R2……RP，对应p个不同间距，具有径向速度的流体产生的散射回波会产生p个不同频移。对于每次测量都取与最小间距对应的最大频移，可以得到与径向速度大小线性相关的频移量，因此可以通过该频移量对流场的径向速度进行识别和探测。
基于以上原理，本发明首先生成径向系数非零的高阶涡旋光，将其作为探测光照射到二维流场中，流场中粒子在光束所在平面内沿各自径向方向进行运动；之后经过运动粒子散射的探测光与作为参考光的高斯光进行干涉后由光电倍增管接收干涉信号；然后利用频谱分析仪对回波信号进行傅里叶变换，得到回波信号的多普勒频谱；最终根据得到的回波信号的多普勒频谱确定流场的径向速度大小。
在本发明一种具体的实施方式中，S300包括：
S310，对参考光施加频移；
S320，将探测光照射穿过被测流体生成携带流体径向信息的目标探测光；
S330，将参考光的方向偏转使参考光方向与目标探测光一致，并对参考光和目标探测光进行干涉生成外差干涉信号。
参考图6，在本发明一种具体的实施方式中，S100中检测流场径向速度的系统包括：激光器、偏振片、分束棱镜1、探测路装置、参考路装置和干涉处理装置；激光器、偏振片、分束棱镜1依次相连，分束棱镜1分别连接探测路装置和参考路装置，探测路装置和参考路装置输出均连接干涉处理装置；
激光器，用于产生激光；
偏振片，用于接收激光并生成与空间光调制器偏振方向匹配的偏振光；
分束棱镜1，用于将偏振光分成透射路光束与反射路光束，透射路光束作为探测路装置的入射光；反射路光束作为参考路装置的入射光；
探测路装置用于在透射路光束的作用下生成高阶涡旋光束，滤除高阶涡旋光束的杂光，通过被测流体生成携带有流体径向信息的目标探测光；
参考路装置用于在反射路光束的作用下生成普通高斯光束，滤除普通高斯光束的杂光，并改变普通高斯光束的传输方向使其进入干涉处理装置；
干涉处理装置用于将参考光与目标探测光进行干涉生成外差干涉信号，并对外差干涉信号进行探测和分析确定被测流体的径向速度。
计算机中心，用于控制空间光调制器生成可控的高阶涡旋光。
参考图6，在本发明一种具体的实施方式中，探测路装置包括：
分束棱镜2，用于接收探测光并探测光发射至扩束镜；
扩束镜，用于接收分束棱镜2的探测光并对探测光进行扩束，发送至空间调制器；
空间光调制器，用于对扩束镜扩束后发出的光束进行调制生成可控的高阶涡旋光，并反馈至扩束镜；
扩束镜，用于高阶涡旋光进行聚拢形成高阶涡旋光束，并反馈至分束棱镜2；
分束棱镜2，用于将高阶涡旋光束反射至透镜中；
透镜，用于对分束棱镜2反射的高阶涡旋光束进行聚焦；
小孔光阑1，用于滤除高阶涡旋光束中其余级次的光束，只允许高阶涡旋光束通过光阑入射至被测流体，并穿过被测流体生成携带有径向信息的目标探测光。
参考图6，在本发明一种具体的实施方式中，参考路装置包括：
声光调制器，用于对分束棱镜1反射的参考光附加频移生成普通高斯光束；
本发明利用声光调制器对高斯光附加一个80MHz的频移，防止速度引起的径向多普勒频移湮没在低频噪声中。
小孔光阑2，用于滤除普通高斯光束中其余级次的光束，只允许附加频移的参考光通过光阑并入射分束棱镜3；
分束棱镜3，用于通过反射改变普通高斯光束的传输方向，使通高斯光束入射到干涉处理装置中。
参考图6，在本发明一种具体的实施方式中，干涉处理装置包括：
分束棱镜4，用于通过改变分束棱镜3反射的参考光，以使参考光与目标探测光的传输方向一致，并参考光与目标探测光进行干涉产生外差干涉光；
光电倍增管，用于接收分束棱镜4透射的外差干涉光，并转换为外差干涉光信号；
频谱分析仪，用于与光电倍增管相连，对光电倍增管发送的外差干涉信号进行频谱分析得到多普勒频谱。
其中，频谱分析仪对外差干涉信号进行傅里叶变换得到多普勒频谱。
参考图6，本发明提供了一种检测流场径向速度的系统包括：
激光器、偏振片、分束棱镜1、探测路装置、参考路装置和干涉处理装置；激光器、偏振片、分束棱镜1依次相连，分束棱镜1分别连接探测路装置和参考路装置，探测路装置和参考路装置输出均连接干涉处理装置；
激光器，用于产生激光；
偏振片，用于接收激光并生成与空间光调制器偏振方向匹配的偏振光；
分束棱镜1，用于将偏振光分成透射路光束与反射路光束，透射路光束作为探测路装置的入射光；反射路光束作为参考路装置的入射光；
探测路装置用于在透射路光束的作用下生成高阶涡旋光束，滤除高阶涡旋光束的杂光，通过被测流体生成携带有流体径向信息的目标探测光；
参考路装置用于在反射路光束的作用下生成普通高斯光束，滤除普通高斯光束的杂光，并改变普通高斯光束的传输方向使其进入干涉处理装置；
干涉处理装置用于将参考光与目标探测光进行干涉生成外差干涉信号，并对外差干涉信号进行探测以及进行分析确定被测流体的径向速度。
参考图7，本发明提供了拓扑荷数l＝10，径向系数p＝2的高阶涡旋光束入射到运动流体产生的回波信号的多普勒频移示意图；从图7中可以看出，对应于径向系数p＝2的高阶涡旋光，其频谱具有两个峰，取其中频移量较大的值作为观察值。可以看到，随着流场径向速度增大，得到的多普勒频移也增大。
参考图8，本发明提供了拓扑荷数l＝10，径向系数p分别为2和4的高阶涡旋光束入射流场得到的径向多普勒频移随径向速度变化图。从图8中可以看出，对于具有不同径向系数的涡旋光，随着流场径向速度增大，其径向多普勒频移也线性增大；并且对于径向速度相同的流场，径向系数大的涡旋光产生的多普勒频移也更大。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种检测流场径向速度的方法，其特征在于，包括：
S100：利用检测流场径向速度的系统生成普通高斯光束和非零径向系数的高阶涡旋光束；
S200：将普通高斯光作为参考光，并将高阶涡旋光束作为探测光；
S300：利用探测光照射被测流体并穿过被测流体生成携带流体径向信息的目标探测光，并将参考光与目标探测光进行干涉生成外差干涉信号；
S400：对外差干涉信号进行探测以及进行分析得到外差干涉信号的多普勒频谱；
S500：根据外差干涉信号的多普勒频谱确定被测流体的径向速度。
2.根据权利要求1所述的检测流场径向速度的方法，其特征在于，S300包括：
S310，对参考光施加频移；
S320，将探测光照射穿过被测流体生成携带流体径向信息的目标探测光；
S330，将参考光的方向偏转使参考光方向与目标探测光一致，并对参考光和目标探测光进行干涉生成外差干涉信号。
3.根据权利要求1所述的检测流场径向速度的方法，其特征在于，S300中探测光照射被测流体时，被测流体中的流体粒子在高阶涡旋光束正投影的光斑内做径向运动，从而生成携带流体径向信息的目标探测光。
4.根据权利要求1所述的检测流场径向速度的方法，其特征在于，S100中检测流场径向速度的系统包括：激光器、偏振片、分束棱镜1、探测路装置、参考路装置和干涉处理装置；激光器、偏振片、分束棱镜1依次相连，分束棱镜1分别连接探测路装置和参考路装置，所述探测路装置和参考路装置输出均连接干涉处理装置；
激光器，用于产生激光；
偏振片，用于接收激光并生成与空间光调制器偏振方向匹配的偏振光；
分束棱镜1，用于将偏振光分成透射路光束与反射路光束，透射路光束作为探测路装置的入射光；所述反射路光束作为参考路装置的入射光；
所述探测路装置用于在透射路光束的作用下生成高阶涡旋光束，滤除高阶涡旋光束的杂光，通过被测流体生成携带有流体径向信息的目标探测光；
所述参考路装置用于在反射路光束的作用下生成普通高斯光束，滤除普通高斯光束的杂光，并改变普通高斯光束的传输方向使其进入干涉处理装置；
所述干涉处理装置用于将参考光与目标探测光进行干涉生成外差干涉信号，并对外差干涉信号进行探测和分析确定被测流体的径向速度。
5.根据权利要求4所述的检测流场径向速度的方法，其特征在于，所述探测路装置包括：
分束棱镜2，用于接收探测光并探测光发射至扩束镜；
扩束镜，用于接收分束棱镜2的探测光并对探测光进行扩束，发送至空间调制器；
空间光调制器，用于对扩束镜扩束后发出的光束进行调制生成可控的高阶涡旋光，并反馈至扩束镜；
扩束镜，用于高阶涡旋光进行聚拢形成高阶涡旋光束，并反馈至分束棱镜2；
分束棱镜2，用于将高阶涡旋光束反射至透镜中；
透镜，用于对分束棱镜2反射的高阶涡旋光束进行聚焦；
小孔光阑1，用于滤除高阶涡旋光束中其余级次的光束，只允许高阶涡旋光束通过光阑入射至被测流体，并穿过被测流体生成携带有径向信息的目标探测光。
6.根据权利要求5所述的检测流场径向速度的方法，其特征在于，所述参考路装置包括：
声光调制器，用于对分束棱镜1反射的参考光附加频移生成普通高斯光束；
小孔光阑2，用于滤除普通高斯光束中其余级次的光束，只允许附加频移的参考光通过光阑并入射分束棱镜3；
分束棱镜3，用于通过反射改变普通高斯光束的传输方向，使通高斯光束入射到干涉处理装置中。
7.根据权利要求6所述的检测流场径向速度的方法，其特征在于，所述干涉处理装置包括：
分束棱镜4，用于通过改变分束棱镜3反射的参考光，以使参考光与目标探测光的传输方向一致，并参考光与目标探测光进行干涉产生外差干涉光；
光电倍增管，用于接收分束棱镜4透射的外差干涉光，并转换为外差干涉光信号；
频谱分析仪，用于与光电倍增管相连，对光电倍增管发送的外差干涉信号进行频谱分析得到多普勒频谱。
8.根据权利要求7所述的检测流场径向速度的方法，其特征在于，所述频谱分析仪对外差干涉信号进行傅里叶变换得到外差干涉信号的多普勒频谱。
9.根据权利要求5所述的检测流场径向速度的方法，其特征在于，所述S100中检测流场径向速度的系统还包括：
计算机中心，用于控制空间光调制器生成可控的高阶涡旋光。
10.一种检测流场径向速度的系统，其特征在于，所述系统包括：
激光器、偏振片、分束棱镜1、探测路装置、参考路装置和干涉处理装置；激光器、偏振片、分束棱镜1依次相连，分束棱镜1分别连接探测路装置和参考路装置，所述探测路装置和参考路装置输出均连接干涉处理装置；
激光器，用于产生激光；
偏振片，用于接收激光并生成与空间光调制器偏振方向匹配的偏振光；
分束棱镜1，用于将所述偏振光分成透射路光束与反射路光束，透射路光束作为探测路装置的入射光；所述反射路光束作为参考路装置的入射光；
所述探测路装置用于在透射路光束的作用下生成高阶涡旋光束，滤除高阶涡旋光束的杂光，通过被测流体生成携带有流体径向信息的目标探测光；
所述参考路装置用于在反射路光束的作用下生成普通高斯光束，滤除普通高斯光束的杂光，并改变普通高斯光束的传输方向使其进入干涉处理装置；
所述干涉处理装置用于将参考光与目标探测光进行干涉生成外差干涉信号，并对外差干涉信号进行探测以及进行分析确定被测流体的径向速度。
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