三維雷射都卜勒信號的光學頻移分離方法及三維雷射都卜勒測速裝置的製作方法
2023-05-11 16:00:16 1
專利名稱：三維雷射都卜勒信號的光學頻移分離方法及三維雷射都卜勒測速裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於三維流速測量的光學方法及儀器。
雷射都卜勒測速儀(簡稱LDA)以其顯著的特點(如不幹擾流場、空間分辨高、響應快、精度高等)已成為流體力學、航空航天、燃燒診斷、化工、水利以及生物醫學工程等諸多領域中不可缺少的流速測量手段。近代流體力學和許多工程應用中所遇到的流動問題大多屬於三維流動。在研究各速度分量之間的相關以及計算剪應力(雷諾應力)等參數時，必須同時得到所有的三個流速分量。在這種情況下，完全的三維測速儀器是必不可少的。
在LDA發展的早期，人們就提出了構成三維系統的方案。這些方案都是以參考光束型光路為基礎。這種三維系統最大的優點是每一探測器接收一個分量的信號，不存在信號分離問題。但由於存在光路分散布置且不易調整以及空間解析度低等問題而大大降低了其實用價值，因而這種三維系統未能得到充分的發展和應用。
現有的三維LDA系統都是在雙光束LDA基礎上發展起來的。具有信噪比和空間解析度高等優點，但不同速度分量之間的信號分離則成為一個關鍵問題。已有的分離三維信號的方法包括以多譜線雷射器為光源的色分離法，分色與分偏振(或頻移)相結合的方法，以及頻移結合偏振的分離方法，以上述方法構成的三維LDA存在以下缺點1.分色系統需要多譜線輸出的雷射器，目前都是使用氬離子雷射器。氬離子雷射器價格很高，使得整個系統的造價大幅度提高，不利於推廣應用。此外，氬離子雷射器的壽命也較短。
2.光學發射部分結構複雜且不易調整。在採用色分離技術時，需要一套分光光路將不同波長的光從氬離子雷射器輸出的混合光中分離出來，每一波長的光再經過分束、頻移後聚焦於測量點(有些系統甚至採用兩隻發射透鏡)，其光路布置十分複雜。例如，美國TSI公司9100-11型三維系統，僅其光學發射部分就有27個光學元件，其加工費用和調整難度是可想而知的。在採用偏振分離法時，也需要一套光路系統將入射雷射的偏振態精確地變換到所需的狀態。調整繁雜以及由散射光偏振態的改變而引起的不同分量之間的「交叉幹擾」等問題是偏振分離型LDA所固有的缺點。
3.接收部分需要多隻光電接收器和複雜的分光系統。由於三個速度分量是由不同的雷射波長或是偏振態區分的，所以每一分量的散射光信號要用一隻光電接收器探測，而且要有一套與發射部分相類似的分光系統。
總之，以現有方法所構成的三維LDA結構複雜，不易調整，商品化的儀器費用相當昂貴，難以推廣應用。
本發明的目的就是提供一種完全依靠光學頻移區分全部三維速度分量的方法和一種以該方法構成的三維雷射都卜勒測速裝置。
本發明涉及的信號分離方法是利用三種固定的光學頻移分別作為三維被測速度的載頻，使此三種頻移與相應速度分量產生的都卜勒頻移選加後在頻譜上位於互不重疊的頻帶。散射光信號經光電轉換後，利用三種並行的選頻濾波器從同一光電流信號中分離出對應於三維被測速度分量的頻率信號。
附
圖1是按照本發明所述方法構成的頻移分離型三維雷射都卜勒測速裝置。附圖中，[1]He-Ne雷射器，[2][4]分束稜鏡，[3][5][6]聲光頻移器件，[7][9]光楔，[8]直角稜鏡對，[10]發射透鏡，[11]光電接收器，[12]信號分配器，[13][14][15]選頻濾波器，[16][17][18]頻率下混電路，[19][20][21]都卜勒信號處理器。由雷射器[1]發出的雷射束經分束稜鏡[2]後被分為兩束，一束進入頻移器[3];另一束沿入射方向進入另一分束稜鏡[4]，被分成兩束等光強的平行光，分別進入頻移器[5][6]。頻移器[3]由頻率為f3的信號驅動，產生的一級衍射光由稜鏡對[8]分出後經光楔入射到透鏡[10]。頻移器[3]的零級光(未頻移部分)直接入射到透鏡[10]。頻移器[5][6]分別由頻率為f1和f2的信號驅動，它們產生的一級衍射光經光楔入射到透鏡[10]。四束入射光(其中一束未頻移，以A表示;另外三束分別頻移f1、f2和f3，分別以B、C、D表示)均平行於發射系統的光軸，經透鏡[10]聚焦於測量點P。光束B與A組合，光束C與A組合分別測量垂直於系統光軸平面內的兩個速度分量;光束D與A組合測量沿系統軸向的速度分量。由光電接收器[11]產生的光電流信號經分配器[12]被分為三路，由選頻濾波器[13][14][15]分別選出對應於三維速度分量的頻率信號。此三路信號分別經混頻電路[19][20][21]與鎖相頻率合成器產生的本振信號混頻，差頻信號被送入三通道都卜勒信號處理器處理，得到三維被測速度值。
以此方法構成的三維雷射都卜勒測速裝置具有以下優點1.雷射源可使用單色雷射器，如He-Ne雷射器。與氬離子雷射器相比其價格低，壽命長。
2.光學發射部分的光路大為簡化，使儀器的費用大幅度降低，而且便於調整。
3.接收部分只需一隻光電接收器，而且不需任何分光光路。
4.消除了各速度分量的「方向模糊」，可以判別出流速分量的正負方向。
權利要求
1.三維雷射都卜勒信號的光學頻移分離方法，其特徵是利用三種固定的光學頻移分別作為三維被測速度信號的載頻，散射光信號由單一光電接收器探測，三路並行的選頻濾波器從光電流信號中分離出對應於三維被測速度分量的頻率信號。
2.按照權利要求1所述方法構成的三維雷射都卜勒測速裝置，該裝置由He-Ne雷射器[1]、分束稜鏡[2][4]、聲光頻移器件[3][5][6]、光楔[7][9]、直角稜鏡對[8]、發射透鏡[10]、光電接收器[11]、信號分配器[12]、選頻濾波器[13][14][15]、頻率下混電路[16][17][18]、都卜勒信號處理器[19][20][21]組成，其特徵是在測量三維速度分量時，採用單色雷射器[1]、單只發射透鏡[10]和單只光電接收器[11]。
全文摘要
三維雷射都卜勒信號的光學頻移分離方法及三維雷射都卜勒測速裝置。本發明涉及一種用於三維流速測量的光學方法及儀器。利用三種光學頻移作為三維被測速度信號載頻，散射光信號由單一光電接收器探測，由具有不同通帶的選頻濾波器進行信號分離。所構成的三維測速裝置結構簡單，易於調整且造價低。可廣泛用於流體力學、化工、水利以及生物醫學工程等領域的三維流場的速度測量。
文檔編號G01P5/00GK1077798SQ9211423
公開日1993年10月27日 申請日期1992年12月12日 優先權日1992年12月12日
發明者李恩邦 申請人:天津大學