CN118363037A

CN118363037A - 基于混频器的全速度域激光多普勒测速方法及系统

Info

Publication number: CN118363037A
Application number: CN202410792705.5A
Authority: CN
Inventors: 席崇宾; 周健; 聂晓明; 王�琦; 金世龙; 黄荣; 向志毅
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2024-06-19
Filing date: 2024-06-19
Publication date: 2024-07-19

Abstract

本发明公开了一种基于混频器的全速度域激光多普勒测速方法及系统，该方法包括：将第一入射光、第二入射光以不同的入射角照射至运动表面；基于第一探测器接收第一参考光以及沿第一入射光原路返回的第一散射光，形成第一拍频信号；基于第二探测器接收第二参考光以及沿第二入射光原路返回的第二散射光，形成第二拍频信号；对第一拍频信号与第二拍频信号进行混频，得到和频信号与差频信号；基于和频信号与差频信号实现在低速和超高速状态下的全速度域高精度速度测量。本发明应用于激光和精密测量技术领域，不仅能够实现低速和超高速范围内的全域速度测量，使测速系统不存在测量盲区，而且能够有效保证低速到超高速范围内的速度测量精度。

Description

基于混频器的全速度域激光多普勒测速方法及系统

技术领域

本发明涉及激光和精密测量技术领域，具体是一种基于混频器的全速度域激光多普勒测速方法及系统。

背景技术

激光多普勒测速仪（Laser Doppler Velocimeter，LDV）向运动表面发射激光，接收运动表面的散射光与参考光形成拍频信号，从而实现对目标运动速度的测量，具有测速精度高、无接触测量、空间分辨率好、可以测量很小体积内的速度场、与外界环境无关、方向灵敏度高等众多优点，被广泛用于振动、速度、位移等物理参量的测量以及组合导航系统中。但传统的激光多普勒测速仪仅适用于常规运动速度测量，无法对超高速载体速度进行测量，且在低速测量时存在测速分辨率低导致测速误差大的问题。双频激光器测量方法适用于高速测量，但该方法对光源要求高，成本较高，且光源频差较小，速度测量灵敏度低，无法满足低速测量要求。光子多普勒测速仪（Photon Doppler Velocimetry，PDV）采用单模激光器实现超高速测量，但其对信号探测及处理部分提出了较高要求，需要采用高带宽和高采样率的示波器，系统体积大，结构复杂，成本高昂。而且该方法只能测量物体沿探头轴向的运动速度，当被测物体运动方向偏离探头轴向时测量误差迅速增大。边缘技术通过利用F-P标准具等已知透过率特性的边带滤波器，将激光频率的变化转化为光强变化信息，再将探测到的光强变化信息转化为多普勒频率信息，从而得到被测速度。该方法对光源和光学系统的要求易于满足，但采用该方法时进入系统的噪声功率大、测速精度和测速灵敏度低、测速范围有限，而当采用双边缘技术时，F-P标准具设计加工难度增大，系统结构较为复杂。条纹成像技术通过F-P标准具和成像系统记录条纹空间位置随时间的变化，利用条纹的几何位移确定散射信号的多普勒频移，原理简单，量程大，时间和空间分辨率高。但该方法不适于低速测量，且目前较为普遍的阵列探测器不利于对环形条纹的移动进行测量，光学系统复杂且成本昂贵。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明供一种基于混频器的全速度域激光多普勒测速方法及系统，可实现低速和超高速状态下的全速度域高精度速度测量。

为实现上述目的，本发明提供一种基于混频器的全速度域激光多普勒测速方法，包括如下步骤：

将激光器输出的激光分束为第一入射光、第一参考光、第二入射光与第二参考光，并将所述第一入射光、所述第二入射光以不同的入射角照射至运动表面；

基于第一探测器接收所述第一参考光以及沿所述第一入射光原路返回的第一散射光，并在所述第一探测器表面形成第一拍频信号；

基于第二探测器接收所述第二参考光以及沿所述第二入射光原路返回的第二散射光，并在所述第二探测器表面形成第二拍频信号；

对所述第一拍频信号与所述第二拍频信号进行混频，得到所述第一拍频信号与所述第二拍频信号的和频信号与差频信号；

基于所述和频信号与所述差频信号实现在低速和超高速状态下的全速度域高精度速度测量，具体为：

当运动表面的被测速度小于或等于速度阈值时，基于所述和频信号进行速度测量；

当运动表面的被测速度大于速度阈值时，基于所述差频信号进行速度测量。

在其中一个实施例，基于所述和频信号进行速度测量具体为：

；

其中，为运动表面的运行速度，为激光的波长，为和频信号的频率，为第一入射光方向与速度方向的夹角，为第二入射光方向与速度方向的夹角。

在其中一个实施例，基于所述差频信号进行速度测量具体为：

；

其中，为运动表面的运行速度，为激光的波长，为差频信号的频率，为第一入射光方向与速度方向的夹角，为第二入射光方向与速度方向的夹角。

在其中一个实施例，所述速度阈值具体为：

；

其中，为速度阈值，为信号频率要求，为激光的波长，为第一入射光方向与速度方向的夹角，为第二入射光方向与速度方向的夹角。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于混频器的全速度域激光多普勒测速系统，采用上述的方法进行运动表面全速度域高精度测量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

本发明通过分别对第一拍频信号与第二拍频信号的和频信号与差频信号进行采集处理，不仅能够实现低速和超高速范围内的全域速度测量，使测速系统不存在测量盲区，而且能够有效保证低速到超高速范围内的速度测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于混频器的全速度域激光多普勒测速方法的流程图；

图2为本发明实施例中基于混频器的全速度域激光多普勒测速系统的示意图；

图3为本发明实施例中混频器输出原理示意图。

附图标号：激光器1、准直镜组2、分光棱镜3、第一分光镜4、第一衰减片5、第一全反射镜6、第一滤光片7、第一小孔光阑8、第一探测器9、第二小孔光阑10、运动表面11、第二分光镜12、第二衰减片13、第二全反射镜14、第二滤光片15、第三小孔光阑16、第二探测器17、第四小孔光阑18、混频器19、数据采集卡20、计算机21。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示本实施例公开了一种基于混频器的全速度域激光多普勒测速方法，将两束激光以不同的入射角照射运动表面，由两个探测器分别接收沿入射光相反方向的散射光信号，包含多普勒信息的散射光信号与参考光在探测器表面形成拍频信号，将两个探测器得到的拍频信号进行混频，得到两个拍频信号的和频信号和差频信号，通过低速和高速时分别对和频信号和差频信号进行处理，可以实现在低速和超高速状态下的全速度域高精度测量。参考图1，本实施例中基于混频器的全速度域激光多普勒测速方法具体包括如下步骤：

将激光器输出的激光分束为第一入射光、第一参考光、第二入射光与第二参考光，并将第一入射光、第二入射光以不同的入射角照射至运动表面；

基于第一探测器接收第一参考光以及沿第一入射光原路返回的第一散射光，并在第一探测器表面形成第一拍频信号；

基于第二探测器接收第二参考光以及沿第二入射光原路返回的第二散射光，并在第二探测器表面形成第二拍频信号；

对第一拍频信号与第二拍频信号进行混频，得到第一拍频信号与第二拍频信号的和频信号与差频信号；

基于和频信号与差频信号实现在低速和超高速状态下的全速度域高精度速度测量，具体为：

当运动表面的被测速度小于或等于速度阈值时，基于和频信号进行速度测量；

当运动表面的被测速度大于速度阈值时，基于差频信号进行速度测量。

参考图2，为本实施例中基于混频器的全速度域激光多普勒测速系统示意图，其结构主要为两个迈克尔逊干涉仪，光源为单纵模固体激光器。激光器1发出的光束经过准直镜组2后由分光棱镜3分为两束：

分光棱镜3的透射光再由第一分光镜4分为两束，其中透射光经过第一衰减片5和第一全反射镜6后原路返回，经第一分光镜4反射后分别经过第一滤光片7和第一小孔光阑8后到达第一探测器9，即为第一参考光。经第一分光镜4反射的光即为第一入射光，第一入射光经第二小孔光阑10后以角度入射到运动表面11，运动表面11的漫反射将产生沿各个方向的散射光，其中沿入射光相反方向的散射光经过第二小孔光阑10和第一分光镜4，由第一滤光片7滤除杂散光，再经第一小孔光阑8达到第一探测器9表面，即为第一散射光。根据多普勒效应可知，运动粒子的散射将引起入射光的频率改变。因此，第一参考光和第一散射光在第一探测器9表面产生第一拍频信号，第一拍频信号的频率正比于运动表面的速度大小，为：

（1）

其中，为第一拍频信号的频率，为运动表面的运行速度，为激光的波长，为第一入射光方向与速度方向的夹角；

因此运动表面的速度可以表示为：

（2）

其中，为比例因子。

分光棱镜3的反射光再由第二分光镜12分为两束，其中反射光经过第二衰减片13和第二全反射镜14后原路返回，经第二分光镜12透射后分别经过第二滤光片15和第三小孔光阑16后到达第二探测器17，即为第二参考光。经第二分光镜12透射的光即为第二入射光，第二入射光经第四小孔光阑18后以角度入射到运动表面11，运动表面11的漫反射将产生沿各个方向的散射光，其中沿入射光相反方向的散射光经过第四小孔光阑18和第二分光镜12，由第二滤光片15滤除杂散光，再经第三小孔光阑16达到第二探测器17表面，即为第二散射光。根据多普勒效应可知，运动粒子的散射将引起入射光的频率改变。同理，第二参考光和第二散射光在第二探测器17表面产生第二拍频信号，第二拍频信号的频率正比于运动表面的速度大小，为：

（3）

其中，为第二拍频信号的频率，为第二入射光方向与速度方向的夹角；

因此运动表面的速度还可以表示为：

（4）

其中，为比例因子。

参考图3，将第一拍频信号与第二拍频信号作为混频器19的输入信号，得到两个输入信号的和频项和差频项，即和频信号与差频信号，为：

（5）

（6）

其中，为和频信号的频率，为差频信号的频率。

对式(1)、式(3)、式(5)、式(6)分别对速度求导，可以得到测速灵敏度分别为：

（7）

（8）

（9）

（10）

其中，分别表示第一拍频信号、第二拍频信号、和频信号、差频信号的测速灵敏度；

从式(7)、式(10)可以看出，和频信号的测速灵敏度要高于第一拍频信号、第二拍频信号和差频信号的测速灵敏度，假设系统的采用频率为，采样点数为，则频率分辨率为：

（11）

由测速灵敏度和频率分辨率可得，系统的测速分辨率为：

（12）

其中表示测速灵敏度，由测速分辨率引起的最大相对误差为：

（13）

由公式（13）可以看出，当被测速度一定时，由测速分辨率引起的最大相对误差与测速灵敏度成反比，结合式（7）-式（10）和式（13）可知，相对于单个拍频信号或差频信号，采用和频信号进行速度测量时，由测速分辨率引起的最大相对误差最小。由公式（5）可得，当被测速度较小时，和频信号的频率较低，此时采用和频信号进行速度测量即可以满足带宽要求，又可以降低测速分辨率引起的相对误差。另外，由式（13）可以看出，当被测速度增大时，由测速分辨率引起的相对误差影响减小，此时信号带宽成为限制速度测量的主要因素，由公式（6）可得对差频信号进行处理可以得到运动表面的速度，通过调节两个入射角、的相对大小可以控制差频信号的频率，使信号满足系统带宽要求。即：

当运动表面的被测速度小于或等于速度阈值时，数据采集卡20采集和频信号的频率，并在计算机21上基于和频信号进行速度测量，具体为：

（14）

当运动表面的被测速度大于速度阈值时，数据采集卡20采集差频信号的频率，并在计算机21上基于差频信号进行速度测量，具体为：

（15）

假设系统对信号频率要求为，采用和频信号进行速度测量满足带宽要求即需满足，即速度阈值具体为：

（16）

即当运动表面的被测速度小于或等于时，根据式（14）进行速度测量；当被测速度大于时，根式（15）进行速度测量，通过分段测量，可以在不增加系统带宽要求的前提下，实现低速到高速范围内的全速度域高精度测量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种基于混频器的全速度域激光多普勒测速方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于混频器的全速度域激光多普勒测速方法，其特征在于，基于所述和频信号进行速度测量具体为：

；

3.根据权利要求1所述的基于混频器的全速度域激光多普勒测速方法，其特征在于，基于所述差频信号进行速度测量具体为：

；

4.根据权利要求1或2或3所述的基于混频器的全速度域激光多普勒测速方法，其特征在于，所述速度阈值具体为：

；

5.一种基于混频器的全速度域激光多普勒测速系统，其特征在于，采用权利要求1至4任一项所述的方法进行运动表面全速度域高精度测量。