CN2163384Y

CN2163384Y - 跟踪-计数型激光多普勒测速装置

Info

Publication number: CN2163384Y
Application number: CN 92241144
Authority: CN
Inventors: 李恩邦; 王仕康
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 1992-11-10
Filing date: 1992-11-10
Publication date: 1994-04-27
Anticipated expiration: 2002-11-10

Abstract

跟踪-计数型激光多普勒测速装置是一种流速测量用光学仪器。它综合利用频率跟踪和计数方法，以计数型信号处理器的输出反馈控制差分光学频移，使其以等步长阶跃方式跟踪被测速度的大范围变化。该仪器具有信噪比高、对散射粒子密度适应性强、速度分辨率高以及对光电接收器和计数器频率范围要求低等特点。可广泛应用于流体力学、航空航天、燃烧诊断、化工、水利以及生物医学工程等领域的速度测量。

Description

本实用新型涉及一种流速测量用光学仪器。

激光多普勒测速仪（简称LDA）是利用流体中或固体表面的散射粒子对入射激光产生散射，通过探测散射光所产生的多普勒频移，测得流体或固体运动的速度。该技术在流体力学、航空航天、燃烧诊断、化工、水利以及生物医学工程等诸多领域得到广泛应用。

激光多普勒测速仪由光学发射与接收和信号处理两个主要部分构成。典型的光学发射与接收系统由附图1中的激光光源［1］，分束棱镜［2］，声光频移器［3］和［4］，发射透镜［5］和光电接收器［6］组成。频移器［3］和［4］用于产生差分光学频移，以判别被测速度的正负方向。现有的测速仪是采用两组晶体振荡器，或是频率合成器，由操作者人为控制，选择适当的频移量，其缺点是必须根据被测速度的变化不断改变频移量，不便于使用。

在信号处理方面，现有的测速仪主要采用频率跟踪法和多普勒闪烁计数法，相应的仪器分别称为频率跟踪器和计数型多普勒信号处理器（简称计数器）。频率跟踪器就是通过频率反馈环路自动跟踪多普勒信号频率的变化，并将其转换为模拟电压信号，该电压信号与被测速度成线性关系。计数器是对带通滤波后的多普勒信号，测量规定数目的多普勒信号周期所对应的时间，从而确定多普勒频率值，即被测速度值。上述这些晶体振荡器、频率合成器、计数器、光电接收器和频移控制器已是现有技术。现有的以频率跟踪器或计数器为信号处理器的激光测速仪存在以下缺点：

1.多普勒信号的随机间断会破坏跟踪器的正常跟踪。尽管跟踪器内都设置了“脱落”保护电路，但在散射粒子密度较低的情况下，仍有可能造成跟踪环路的失锁，影响仪器的稳定工作。计数器是对单个多普勒“闪烁”信号进行测量，在这方面其性能优于跟踪器。

2.计数器对输入信号的信噪比要求苛刻。在多数情况下获得高信噪比的多普勒信号并非易事。信噪比过低会严重影响数据率和测量精度，甚至导致测量无效。频率跟踪器对信噪比的变化有较强的适应能力，故在低信噪比的情况下，其性能优于计数器。

3.对跟踪器而言存在一个最大跟踪速率，它决定了所能测量的速度变化率；对计数器而言虽无上述限制，但其可测速度范围仍受信噪比的限制。

总之，由频率跟踪器或计数器构成的激光测速仪所存在的上述缺点，是由所采用的信号处理方法决定的。通过改进跟踪器或计数器的设计可在一定程度上改善测速仪的性能，但不能从根本上消除所存在的上述问题。

本实用新型的任务就是提供一种将频率跟踪与多普勒“闪烁”计数方法相互结合而构成的激光多普勒测速仪。在充分发挥两种方法优点的同时，使各自的缺点得到克服。它有如下特点：

1.散射光信号频率被限制在一个人为选定的固定频率范围内，其带宽与仪器的实际测量范围相比是很小的，故可采用窄带滤波器使计数器输入信号的信噪比得到大幅度改善，从而提高了数据率。

2.计数器仍是该测速仪的中心环节，故对散射粒子密度无特殊要求，同时具有动态响应快、无加宽影响、精度高等特点。

3.动态测量范围的改变不影响信噪比和速度分辨率。

4.对光电接收器的频响和计数器频率范围的要求都大幅度降低。

本实用新型是以附图1所示方式构成的：

在由激光源［1］、分束棱镜［2］和发射透镜［5］所构成的典型差动LDA光路中，采用声光频移器件［3］［4］引入差分光学频移，它们分别由射频功率放大器［9］［10］驱动。驱动频率分别由晶体振荡器［11］和频率合成电路［12］产生。散射粒子通过测量点P时产生的散射光由光电接收器［6］转换成光电流信号，由计数器［7］进行处理，其输出通过频移控制电路［8］去控制频率合成电路［12］以确定声光频移器［4］的驱动频率，使由频移器［3］［4］所引入的差分光学频移以等步长阶跃方式跟踪被测速度的大幅度变化。附图1中，［1］激光光源，［2］分束棱镜，［3］［4］声光频移器件，［5］发射透镜，［6］光电接收器，［7］计数型多普勒信号处理器，［8］频移控制电路，［9］［10］射频功率放大器，［11］晶体振荡器，［12］频率合成电路。

Claims

1、一种跟踪-计数型激光多普勒测速装置，该装置由激光光源[1]、分束棱镜[2]、声光频移器件[3][4]、发射透镜[5]、光电接收器[6]、计数型多普勒信号处理器[7]、频移控制电路[8]、射频功率放大器[9][10]、晶体振荡器[11]以及频率合成电路[12]构成，分束棱镜[2]和发射透镜[5]沿激光光源[1]的出光方向放置，三者光轴重合，激光光源[1]发出的激光束被分束棱镜[2]分成两束平行光，分别进入位于分束棱镜[2]和发射透镜[5]之间的声光频移器[3]和[4]，产生的一级衍射光由发射透镜[5]交于测量点，光电接收器[6]位于能够接收来自测量点散射光的位置，

其特征是，

所述晶体振荡器[11]输出信号一路连接到射频功率放大器[9]，放大器[9]的输出连接到声光频移器[3]，另一路连接到频率合成器[12]和射频功率放大器[10]，其输出连接到声光频移器[4]，光电接收器[6]的输出连接到计数型多普勒信号处理器[7]，其输出电压信号连接到频移控制器[8]。