專利名稱：三維激光多普勒信號的光學(xué)頻移分離方法及三維激光多普勒測速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于三維流速測量的光學(xué)方法及儀器。
激光多普勒測速儀(簡稱LDA)以其顯著的特點(如不干擾流場、空間分辨高、響應(yīng)快、精度高等)已成為流體力學(xué)、航空航天、燃燒診斷、化工、水利以及生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域中不可缺少的流速測量手段。近代流體力學(xué)和許多工程應(yīng)用中所遇到的流動問題大多屬于三維流動。在研究各速度分量之間的相關(guān)以及計算剪應(yīng)力(雷諾應(yīng)力)等參數(shù)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(fā)展的早期，人們就提出了構(gòu)成三維系統(tǒng)的方案。這些方案都是以參考光束型光路為基礎(chǔ)。這種三維系統(tǒng)最大的優(yōu)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。但由于存在光路分散布置且不易調(diào)整以及空間分辨率低等問題而大大降低了其實用價值，因而這種三維系統(tǒng)未能得到充分的發(fā)展和應(yīng)用。
現(xiàn)有的三維LDA系統(tǒng)都是在雙光束LDA基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。具有信噪比和空間分辨率高等優(yōu)點，但不同速度分量之間的信號分離則成為一個關(guān)鍵問題。已有的分離三維信號的方法包括以多譜線激光器為光源的色分離法，分色與分偏振(或頻移)相結(jié)合的方法，以及頻移結(jié)合偏振的分離方法，以上述方法構(gòu)成的三維LDA存在以下缺點1.分色系統(tǒng)需要多譜線輸出的激光器，目前都是使用氬離子激光器。氬離子激光器價格很高，使得整個系統(tǒng)的造價大幅度提高，不利于推廣應(yīng)用。此外，氬離子激光器的壽命也較短。
2.光學(xué)發(fā)射部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易調(diào)整。在采用色分離技術(shù)時，需要一套分光光路將不同波長的光從氬離子激光器輸出的混合光中分離出來，每一波長的光再經(jīng)過分束、頻移后聚焦于測量點(有些系統(tǒng)甚至采用兩只發(fā)射透鏡)，其光路布置十分復(fù)雜。例如，美國TSI公司9100-11型三維系統(tǒng)，僅其光學(xué)發(fā)射部分就有27個光學(xué)元件，其加工費用和調(diào)整難度是可想而知的。在采用偏振分離法時，也需要一套光路系統(tǒng)將入射激光的偏振態(tài)精確地變換到所需的狀態(tài)。調(diào)整繁雜以及由散射光偏振態(tài)的改變而引起的不同分量之間的“交叉干擾”等問題是偏振分離型LDA所固有的缺點。
3.接收部分需要多只光電接收器和復(fù)雜的分光系統(tǒng)。由于三個速度分量是由不同的激光波長或是偏振態(tài)區(qū)分的，所以每一分量的散射光信號要用一只光電接收器探測，而且要有一套與發(fā)射部分相類似的分光系統(tǒng)。
總之，以現(xiàn)有方法所構(gòu)成的三維LDA結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易調(diào)整，商品化的儀器費用相當(dāng)昂貴，難以推廣應(yīng)用。
本發(fā)明的目的就是提供一種完全依靠光學(xué)頻移區(qū)分全部三維速度分量的方法和一種以該方法構(gòu)成的三維激光多普勒測速裝置。
本發(fā)明涉及的信號分離方法是利用三種固定的光學(xué)頻移分別作為三維被測速度的載頻，使此三種頻移與相應(yīng)速度分量產(chǎn)生的多普勒頻移選加后在頻譜上位于互不重疊的頻帶。散射光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，利用三種并行的選頻濾波器從同一光電流信號中分離出對應(yīng)于三維被測速度分量的頻率信號。
附

圖1是按照本發(fā)明所述方法構(gòu)成的頻移分離型三維激光多普勒測速裝置。附圖中，[1]He-Ne激光器，[2][4]分束棱鏡，[3][5][6]聲光頻移器件，[7][9]光楔，[8]直角棱鏡對，[10]發(fā)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]多普勒信號處理器。由激光器[1]發(fā)出的激光束經(jīng)分束棱鏡[2]后被分為兩束，一束進(jìn)入頻移器[3];另一束沿入射方向進(jìn)入另一分束棱鏡[4]，被分成兩束等光強(qiáng)的平行光，分別進(jìn)入頻移器[5][6]。頻移器[3]由頻率為f3的信號驅(qū)動，產(chǎn)生的一級衍射光由棱鏡對[8]分出后經(jīng)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(qū)動，它們產(chǎn)生的一級衍射光經(jīng)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)均平行于發(fā)射系統(tǒng)的光軸，經(jīng)透鏡[10]聚焦于測量點P。光束B與A組合，光束C與A組合分別測量垂直于系統(tǒng)光軸平面內(nèi)的兩個速度分量;光束D與A組合測量沿系統(tǒng)軸向的速度分量。由光電接收器[11]產(chǎn)生的光電流信號經(jīng)分配器[12]被分為三路，由選頻濾波器[13][14][15]分別選出對應(yīng)于三維速度分量的頻率信號。此三路信號分別經(jīng)混頻電路[19][20][21]與鎖相頻率合成器產(chǎn)生的本振信號混頻，差頻信號被送入三通道多普勒信號處理器處理，得到三維被測速度值。
以此方法構(gòu)成的三維激光多普勒測速裝置具有以下優(yōu)點1.激光源可使用單色激光器，如He-Ne激光器。與氬離子激光器相比其價格低，壽命長。
2.光學(xué)發(fā)射部分的光路大為簡化，使儀器的費用大幅度降低，而且便于調(diào)整。
3.接收部分只需一只光電接收器，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(fù)方向。
權(quán)利要求
1.三維激光多普勒信號的光學(xué)頻移分離方法，其特征是利用三種固定的光學(xué)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，三路并行的選頻濾波器從光電流信號中分離出對應(yīng)于三維被測速度分量的頻率信號。
2.按照權(quán)利要求1所述方法構(gòu)成的三維激光多普勒測速裝置，該裝置由He-Ne激光器[1]、分束棱鏡[2][4]、聲光頻移器件[3][5][6]、光楔[7][9]、直角棱鏡對[8]、發(fā)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]、多普勒信號處理器[19][20][21]組成，其特征是在測量三維速度分量時，采用單色激光器[1]、單只發(fā)射透鏡[10]和單只光電接收器[11]。
全文摘要
三維激光多普勒信號的光學(xué)頻移分離方法及三維激光多普勒測速裝置。本發(fā)明涉及一種用于三維流速測量的光學(xué)方法及儀器。利用三種光學(xué)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(jìn)行信號分離。所構(gòu)成的三維測速裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整且造價低?？蓮V泛用于流體力學(xué)、化工、水利以及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)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(yōu)先權(quán)日1992年12月12日
發(fā)明者李恩邦 申請人:天津大學(xué)