CN1281972C - 同时多点激光多普勒测速方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时多点激光多普勒测速方法，属于流场测试技术领域。该方法包括下列过程：两只声光驱动源分别以频率为f和f+Δf信号对两声光调制器予与驱动；每只声光调制器产生至少两级次且在空间以一固定角δ分开的衍射光；由两声光调制器产生的多级衍射光经过聚焦透镜后相应的同一级次的衍射光以交角为2θ在被测流场中汇聚一点，即为一个测量点；采用一只光电探测器和单一信号处理器同时对有多个测量点产生的多普勒信号频谱进行分析。本发明的装置光路结构简单。利用不同的频移量区分不同LDV测量点的速度，只需要单一光电探测器和单一信号处理器完成多点速度的同时测量，大大简化了多点激光多普勒测速装置的结构，使之更加实用化。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光多普勒测速方法，特别是一种同时进行多点测量激光多普勒测速方法，属于流场测试技术领域。
背景技术
激光多普勒测量测速技术(简称LDV)具有不干扰被测流场、空间分辨率高、频率响应快、精度高等显著特点，因而成为流体力学、空气动力学、燃烧诊断、化工、水利以及生物医学工程等诸多领域中重要的测速技术。LDV可提供空间一点在时间序列上的流速信息，为得到空间某一截面上的速度分布，需要逐点移动LDV的测量点。对于定常流场，上述方法是允许的，然而对于非定常流动上述做法则不能适用。粒子图像测速技术(ParticleImage Velocimetry，简称PIV)利用计算机图像处理技术从记录下来的粒子图像中定量获取流场的二维速度的大小和方向。由于受图像记录和图像处理速度的限制，PIV提供的最高速度场的测量频率还不足以满足湍流测量的需要。为解决非定常流场的多点测量，人们研制了扫描LDV，即使用机械或其它光束扫描技术，将LVD测量点快速扫描流场，以获得沿扫描轨迹的流速分布。扫描LDV是以牺牲流速在时域上的信息而换取在空间上的信息，故在一定程度上实现了流速的多点准同时测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时多点激光多普勒测速方法，该方法实现了在同一时域内获取流场的空间信息，具有频率响应快和精度高等显著特点。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，采用包括激光器、分束器、两声光调制器、声光驱动源、聚焦透镜、反射镜、接收透镜、光电探测器及信号处理器组成的测速装置，对流场实现同时多点激光多普勒测速方法，其特征在于包括下列过程：
1.两只声光驱动源分别以频率为f和f+Δf信号对两声光调制器予以驱动；
2.每只声光调制器产生至少两级次且在空间以一固定角δ分开的衍射光；
3.由两声光调制器产生的多级衍射光经过聚焦透镜后相应的同一级次的衍射光以交角为2θ在被测流场中汇聚一点，即为一个测量点；
4.采用一只光电探测器和单一信号处理器同时对有至少两个测量点产生的多普勒信号的频谱进行分析。
本发明的详细技术如下：由激光器1产生的激光束被分束器2分为两平行光束，然后分别进入两只声光调制器3、4。声光调制器3、4产生的多级衍射光7、8由聚焦透镜9汇聚，在聚焦透镜9焦平面形成多个LDV测量点10。声光调制器3、4分别由声光驱动源5、6驱动。散射粒子经过LDV测量点10时，对相交于测量点的光束产生散射，后向散射光经聚焦透镜9，被反射镜11反射，由接收透镜12聚焦在光电探测器13的光敏面。由光电探测器13产生的信号连接到信号处理器14。
设声光驱动源5、6输出驱动信号的频率分别为f和f+Δf，则由声光调制器3产生的+1，+2，…+n级衍射光的频移量为f，2f，…，nf；由声光调制器4产生的+1，+2，…+n级衍射光的频移量为f+Δf，2f+2Δf，…，nf+nΔf。声光调制器3、4产生的多级衍射光在空间以固定角度δ分开，经聚焦透镜9后，对应的衍射级次的衍射光在聚焦透镜9焦平面形成多个LDV测量点10，即声光调制器3产生的一级衍射光与声光调制器4产生的一级衍射光相交(交角为2θ)，形成一个LDV测量点。由于声光调制器3、4产生的一级衍射光之间存在Δf的频差，在LDV测量点内形成的干涉条纹将以速度为Δf·d(d为干涉条纹间距)，即由两束一级衍射光形成的LDV测量点具有Δf的频移量。类似地，由其它同一级次的衍射光形成相应的LDV测量点，其中的光束交角均为2θ，频移量分别为2Δf，…，nΔf。由于各LDV测量点具有不同的频移量，所以不同测量点产生的多普勒信号在频谱上是相互分开的。因此，只使用一只光电探测器和单一信号处理器即可实现多点LDV测量，这是本发明的显著特征之一。
声光调制器产生的不同级衍射光之间的夹角δ由驱动信号的频率f决定，而相邻LDV测量点之间的距离为F·δ(F为聚焦透镜9的焦距)，所以改变f值即能调节相邻LDV测量点之间的距离。
实现本发明的装置光路结构简单，利用不同的频移量区分不同LDV测量点的速度，只需要单一光电探测器和单一信号处理器完成多点速度的同时测量，大大简化了多点激光多普勒测速装置的结构，使之更加实用化。同时，通过调节声光调制器的中心工作频率f，可以实现对相邻LDV测量点之间距离的调节，使用方便。另一方面，改变两只声光调制器驱动信号的频率差Δf，可以调节该多点激光多普勒测速装置的速度测量范围。本领域的专业技术人员都知道，实现本发明的多点激光多普勒测速装置还可以其它方式实现，例如可以采用前向接收的方式，即将光电探测器13置于沿入射光束传播的方向接收来自LDV测量点10的散射光，因为在其它条件一样的情况下前向散射光强强于后向散射，使LDV测量更加易于实现。
附图说明
附图1为实现本发明的多点激光多普勒测速装置的结构图。附图1中，1为连续输出的激光器，2为分束器，3、4为声光调制器，5、6为声光调制器的驱动源，7、8为声光调制器产生的多级衍射光，9为聚焦透镜，10为在聚焦透镜焦平面形成多个LDV测量点，11为反射镜，12为接收透镜，13为光电探测器，14为信号处理器。附图2为实测三点激光多普勒测速装置输出的信号的频谱图。附图2中，15、17、19分别为对应三个LDV测量点的频移量0、500kHz、1000kHz的频谱，16、18、20分别对应三个LDV测量点的光多普勒信号的频谱。
具体实施方式
实现本发明的的同时多点激光多普勒测速装置中，激光器1采用5mW的He-Ne激光器；分束器2的分束距离为50mm；声光调制器3、4使用钼酸铅晶体，它们的中心工作频率为60MHz；聚焦透镜9的焦距为500mm。在上述参数条件下，相邻LDV测量点的间距为6.75mm。
附图2为在上述参数条件下实测三点激光多普勒测速装置输出的信号的频谱图。由光电探测器13输出的模拟信号由信号处理器14内的A/D转换器转换数字信号，再经FFT获得频谱。在频谱上，来自不同LDV测量点信号由于具有不同的频移量，其峰值16、18、20出现在频谱的不同位置，而不相互重叠。在频谱上出现的峰值15、17、19分别为对应三个LDV测量点的频移量0、500kHz、1000kHz的频谱。通过识别和确定这些峰值的位置并分别计算峰值16与峰值15、峰值18与峰值17、峰值20与峰值19之间的频差即可得到不同LDV测量点的速度，实现同时的多点速度测量。
Claims (1)
1.一种同时多点激光多普勒测速方法，该方法采用包括激光器、分束器、两声光调制器、声光驱动源、聚焦透镜、反射镜、接收透镜、光电探测器及信号处理器组成的测速装置，对流场进行测速，其特征在于包括下列过程：
1).两只声光驱动源分别以频率为f和另一频率高于或低于f的频率信号对两声光调制器予以驱动；
2).每只声光调制器产生至少两级次且在空间以一固定角δ分开的衍射光；
3).由两声光调制器产生的多级衍射光经过聚焦透镜后相应的同一级次的衍射光以交角为2θ在被测流场中汇聚一点，即为一个测量点；
4).用一只光电探测器和单一信号处理器同时对有至少两个测量点产生的多普勒信号的频谱进行分析。
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