CN202631566U - 一种双光束激光多普勒测速仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双光束激光多普勒测速仪。包括激光二极管、准直器、分束棱镜、扩束器、聚焦透镜、散射光接收系统和信号处理系统。在激光束传播的光轴上，依次放置激光二极管、准直器、分束棱镜、扩束器、聚焦透镜。激光束经分束扩束后聚焦在运动微粒上，从运动微粒上散射的多普勒光信号经过接收系统后被雪崩二极管接收，再用信号处理系统对多普勒信号进行放大滤波、波群检测、数字相关运算得出多普勒频率并输入到PC机上处理并显示。本实用新型通过选用合理的器件和光路，增加了多普勒信号频率的准确性，提高了空间分辨率；采用抑制背景光和提高信噪比的措施，提高了测速精度；另一方面测速系统结构趋于小型化并且成本大为减小。

Description

一种双光束激光多普勒测速仪

技术领域

本实用新型涉及一种利用激光多普勒效应来测量流体流速的仪器装置，属于激光测速仪器技术领域。 

背景技术

目前大多数激光多普勒测速仪均用于流体力学的基础研究和技术开发，而且几乎所有的激光多普勒测速仪都采用了双光束-双散射工作模式，其测速原理是利用两束不同方向的入射光在同一方向的散射光汇集到光电检测器中进行外差而获得多普勒频移，其中多普勒频移即为接收到的散射光频率与入射光频率之差，而接收到的散射光频率经过了两次多普勒效应，这种模式特点是多普勒频移只与两束入射光方向有关，而与散射光方向无关。多普勒频移和运动微粒速度关系则是采用条纹模式解释，两束入射光的相交区域存在一组明暗相间的干涉条纹，运动微粒以速度v垂直穿过相交区域的干涉条纹时，会向四周空间散射出明暗相间的光信号，光信号的频率即为多普勒频率。其中干涉条纹间距表达式为： 

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\θ}}$

其中θ为两聚焦光束的半夹角，λ为激光波长，光信号的频率为： 

$f_D=\frac{v}{d}=\frac{2v\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}$

由此可以得到运动微粒的速度： 

$v=\frac{{\mathrm{\λf}}_D}{2\sin \mathrm{\θ}}$

激光多普勒测速主要优点在于非接触测量、线性特性、较高空间分辨率和快速动态响应，90年代以来，激光测速开始广泛采用光纤传输激光，抗干扰，系统小型化，可移动测量位置和可应用于各种特殊场合，在测速领域的优势明显。 

其测速应用领域广泛，在工业、医学、国防等领域有很重要的实用价值。虽然光纤-激光多普勒测速仪有优势，但是其价格较高，光路系统比较复杂，装调困难，光能利用率低，传输效率约为50％-60％，适用于大功率激光器中，其推广受到限制。 

与本实用新型相近的已有技术专利“一种被动式双光束激光多普勒测速仪”，专利号200420012009.6，该专利采用的是经典的双光束差动检测方法，其优点是为了获得了最佳散射强度的散射光，采用可变散射角的接受系统，提高散射信号从而提高信噪比，但是该专利未考虑到聚焦处的干涉条纹是否为等间距，所得到的干涉条纹非等间距，粒子路径偏离中心时，多普勒信号就会畸变，多普勒频率不准确性会影响测速的准确性；此外，没有采取抑制背景光，杂散光的措施，增加信号处理的难度。 

实用新型内容

为了克服已有技术所存在的缺陷，本实用新型目的在于使聚焦区域获得等间距的干涉条纹，即散射多普勒信号不发生畸变，以及更好地抑制背景光和非聚焦区域的杂散光干扰，特采用一种高准确率、高测速精度的双光束激光多普勒测速仪。 

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种小型化、高准确率、高测速精度的双光束激光多普勒测速仪。解决技术问题的技术方案，如图1所示，包括激光二极管1、准直器2、分束棱镜3、扩束器4、聚焦透镜5、运动微粒6、散射光接收系统7和信号处理系统8；如图2所示，散射光接收系统7包括：接收透镜9、聚光透镜10、针孔光阑11、干涉滤光片12、雪崩二极管13；如图3所示，信号处理系统又包括：放大滤波器14、波群检测器15、采样控制器16、数字相关器17、PC机18。 

在激光束传播的光轴上，依次放置激光二极管1、准直器2、分束棱镜3、扩束器4、聚焦透镜5；激光二极管1发射出激光束，经过准直器2准直，再被分束棱镜3分成等强度的两束激光，两束激光经过扩束器4之后被聚焦透镜5聚焦在运动微粒6上，从运动微粒6上散射的多普勒信号被采用前向接收的散射光接收系统7中的雪崩二极13管接收，光信号转换成了电信号，之后电信号输入到信号处理系统8中；在信号处理系统8中，放大滤波器14接的输入信号为 

雪崩二极管13的输出信号，放大滤波器14的输出端与波群检测器15的输入端相连，波群检测器15的输出端与采样控制器16的输入端相连，采样控制器16的输出端与数字相关器17的输入端相连，数字相关器17的输出端与PC机18输入端相连。信号处理系统8对多普勒信号进行放大滤波、波群检测、数字相关运算得出多普勒频率并输入到PC机18上经过处理并显示出运动速度。 

其中由于针孔光阑11直径与聚焦区域尺寸有着物像共轭关系，从而可以限制非聚焦区域的杂散光进入光电检测器，减小了后面信号处理系统8的处理难度。而紧贴在雪崩二极管13光敏面上得干涉滤光片12可以抑制背景光的通过。这些措施对增大信噪比很有用处。 

所述的分束棱镜分束比1∶1，由一个平行四边形棱镜和一个直角梯形棱镜贴合组成，贴合面为分束面；在其主截面上，直角梯形的斜腰长度与平行四边形的短边长度相等。 

所述的扩束器为伽利略式扩束器，由一对分离的负透镜和正透镜组成。 

所述的准直器为一个口径略大于激光束截面直径的非球面准直透镜。 

本实用新型的积极效果：用非球面透镜进行高精度准直大大压缩了光束的发散角，保证了聚焦区域干涉条纹的等间距；增加了多普勒信号频率的准确性；扩束则增大了光束直径和光束间距，这样有利于减小相交区域的尺寸并提高光强；为了抑制背景光和非聚焦区域的杂散光，采用针孔光阑11和干涉滤光片12，最终提高了测速精度；采用激光二极管1、雪崩二极管13等小型化器件，减小整个装置的体积，也减小了装置的成本，使得该测速装置更易实现。 

附图说明

图1为本实用新型实施例的装置原理图； 

图2为本实用新型实施例的散射光接收系统图。 

图3为本实用新型实施例的信号处理系统构成单元图 

具体实施方式

本实用新型实施例按如1所示的结构实施，图1中的激光二极管1采用Thorlabs公司的型号为HL6335G的635nm单模激光二极管，功率为5mW，带温控系统，图1中的聚焦透镜5玻璃材料为K9，双胶合透镜，口径Φ＝80mm，焦距 f＝500mm，图2中的雪崩二极管采用芷云光电的Si-APD，型号为SAE230Vx，峰值响应波长为650nm。 

在实验时，图1中的激光二极管1采用准直器2进行准直，准直后通过分束棱镜3的分束面中心，输出等强度、平行对称的两束激光。再通过扩束器4扩大光束直径和光束间距，被聚焦透镜5会聚到有运动微粒6的流体测量区域。为保证聚焦区域的干涉条纹等间距，聚焦后的光束束腰位置需近似和焦面重合，准直器2采用的非球面准直透镜准直精度高，可以使得聚焦区域离聚焦后束腰的距离远小于瑞利长度，聚焦区域的干涉条纹近似等间距，从而散射光的多普勒信号准确率高。根据米氏散射的强度分布，这里散射光接收系统7采用前向接收，带孔径光阑的接收透镜9接收来自聚焦区域的散射光，同时阻止入射光的进入，再通过聚光透镜10会聚，其后焦面的针孔光阑11直径和聚焦区域的尺寸有着物像共轭关系，可以限制聚焦区域以外的散射光进入雪崩二极管13，紧贴着雪崩二极管13的光敏面上的干涉滤光片12进行窄带滤光，滤除背景光并只让接近激光波长的光通过，雪崩二极管13将光信号转换为电信号，输出地电信号再输入到信号处理系统8中的放大滤波器14中，微弱的电信号经过放大，并滤除一些噪声信号后，再进行波形变换、波群检测、采样，数字相关运算得出多普勒频率，输入到PC机18上，自动计算出运动微粒速度，即为我么要测量的水流速度。 

上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围。 

Claims (4)

1.一种双光束激光多普勒测速仪，包括激光二极管、准直器、分束棱镜、扩束器、聚焦透镜、运动微粒、散射光接收系统和信号处理系统，其特征在于在激光束传播的光轴上，依次放置激光二极管、准直器、分束棱镜、扩束器、聚焦透镜；激光二极管发射出激光束，经过准直器准直，再被分束棱镜分成等强度的两束激光，两束激光经过扩束器之后被聚焦透镜聚焦在运动微粒上，从运动微粒上散射的多普勒信号被采用前向接收的散射光接收系统中的雪崩二极管接收，光信号转换成了电信号，之后电信号输入到信号处理系统中；在信号处理系统中，放大滤波器接的输入信号为雪崩二极管的输出信号，放大滤波器的输出端与波群检测器的输入端相连，波群检测器的输出端与采样控制器的输入端相连，采样控制器的输出端与数字相关器的输入端相连，数字相关器的输出端与PC机输入端相连。信号处理系统对多普勒信号进行放大滤波、波群检测、数字相关运算得出多普勒频率并输入到PC机上经过处理并显示出运动速度。

2.根据权利要求1所述的双光束激光多普勒测速仪，其特征在于所述的分束棱镜分束比1∶1，由一个平行四边形棱镜和一个直角梯形棱镜贴合组成，贴合面为分束面；在其主截面上，直角梯形的斜腰长度与平行四边形的短边长度相等。

3.根据权利要求1所述的双光束激光多普勒测速仪，其特征在于所述的扩束器为伽利略式扩束器，由一对分离的负透镜和正透镜组成。

4.根据权利要求1所述的双光束激光多普勒测速仪，其特征在于所述的准直器为一个口径略大于激光束截面直径的非球面准直透镜。 

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