基于旋转光栅的激光多普勒测速装置及其测速方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光和精密测量技术领域，特别涉及一种基于旋转光栅的激光多普勒 测速装置及其测速方法。
【背景技术】
[0002] 激光多普勒测速仪的基本原理是：当一束激光入射到相对运动物体上时，其散射 光的频率与入射光的频率是不相同的，两者的差就是多普勒频率，它与物体的运动速度成 正比。因此通过探测多普勒频率即可测出物体的运动速度。
[0003] 激光多普勒测速仪常见的测量模式有三种：参考光模式、自混合模式及双光束差 动模式。其中参考光模式，其多普勒信号与接收方向有关，而且探测器孔径的大小也会影 响信号的测量精度；自混合模式，由于它是通过检测激光器光强的波动频率进行测量的，所 以当工作电流和外界温度发生改变时，光强也会相应地改变，这对多普勒频率测量精度的 影响也很大；而双光束差动模式，其多普勒信号与接收方向无关，探测器的孔径可以任意增 大，而且激光光强的波动只会影响信号的信噪比，并不会影响测量精度。双光束差动激光多 普勒测速仪的诸多优点使其在气体、液体的流速测量及固体表面运动速度的测量等多种场 合得到广泛的应用。
[0004] 然而，目前国内外成型的双光束差动激光多普勒测速仪还存在诸多不足：（1)波 长漂移。典型的双光束差动激光多普勒测速仪中多普勒频率不仅与物体的运动速度有关， 还与入射激光束的波长有关。然而激光束的波长通常都存在漂移，从而引入了测量误差； (2)激光器。现有仪器通常采用氦氖激光器或半导体激光器作为光源，一方面氦氖激光器体 积大，需高压电源供电，故均将激光器与其电源装在一个独立的机箱内，体积大、笨重、不安 全；另一方面半导体激光器的线宽较宽，从而影响系统的测量精度；（3)方向辨别。国内外 大部分的产品都没有方向辨别的功能。即使少部分产品具有方向辨别的功能，也都是采用 声光晶体或电光晶体移频实现的。然而声光晶体或电光晶体都需要复杂的控制系统，体积 较大，价格昂贵。另外，控制系统引入的射频干扰会严重影响多普勒信号，不利于提取多普 勒频率；(4)信号处理机。目前已有的系统通常都采用快速傅立叶变换（FFT)的方法，但是 直接将FFT峰值谱对应的频率作为多普勒频率值，则存在精度低的问题。因为频率分辨率 为Λ f = fs/N，其中fs为采样频率，N为分析数据长度。而且直观上提高频率分辨率的两种 方法（降低采样频率和增加数据分析点数）都不可行，这是因为：一方面，由于待测物体运 动速度的动态变化范围较大，要覆盖速度的整个动态变化范围，不能降低采样频率；另一方 面，FFT的运算量与数据分析点数密切相关，增加数据分析点数N，会使得整个信号处理算 法的计算量大大增加，消耗的系统资源增多，实时性变差。
[0005] 综上，现有技术中的测速仪器，均存在：对波长漂移敏感、体积大、结构复杂、干扰 强、信号处理机性能差、价格昂贵的缺点。
【发明内容】
[0006] 为克服现有激光多普勒测速仪的上述缺点，本发明的目的在于提供一种基于旋转 光栅的激光多普勒测速装置及其测速方法，利用旋转光栅将光束分束与移频集于一体，一 方面在原理上实现了多普勒频率与激光束的中心波长无关，消除激光束中心波长的漂移对 测量精度的影响；另一方面，在控制系统体积、不引入其他干扰的前提下，实现方向辨别的 功能。信号处理算法中充分运用频域内频谱细化技术与频谱校正技术，提高频谱分辨率及 多普勒频率的准确度，从而大大减小了传统信号处理算法引起的误差。本发明提供一种对 激光波长不敏感、可辨别速度方向、集成化程度高、结构简单、体积小、灵敏可靠、测量精度 高。其具有对激光波长不敏感、可辨别速度方向、集成化程度高、结构简单、体积小、灵敏可 靠、测量精度高的优点。
[0007] 为达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0008] 一种基于旋转光栅的激光多普勒测速装置，包括：检测探头，同轴电缆收集检测探 头的检测信号，传输至用于结算速度的信号处理电路板，信号处理电路板连接显示屏并将 检测信号在显示屏上显示；所述检测探头包括一激光器，激光器激光路径上设置用于准直 的准直镜，准直镜后设置有旋转光栅，两个全反镜平行对称设置于经旋转光栅衍射后的激 光路径上，并将激光反射后使激光从检测探头的检测孔射出，收集透镜位于检测孔内，收集 被测物体散射的激光，激光经成一定角度向下倾斜的全反镜反射至汇聚透镜，光电探测器 收集汇聚透镜的激光，并将信号由进行信号放大和滤波的前置电路经同轴电缆传出检测探 头。
[0009] 进一步的，所述激光器为单纵模固体激光器或半导体激光器。
[0010] 进一步的，所述激光器发射的激光经旋转光栅形成±1级衍射光。
[0011] 进一步的，所述检测探头中±1级衍射光的夹角为Θ，利用两全反镜改变光束传 播方向进行合束，合束时两束光的夹角同样是Θ。
[0012] 进一步的，所述信号处理电路板中先对检测探头输出的信号进行快速傅里叶变换 FFT，然后再运用频谱细化技术提高频谱分辨率，最后再利用频谱校正技术对细化后的频谱 进行修正，从而提取出多普勒频率，解算出被测物体的运动速度。
[0013] 一种基于旋转光栅的激光多普勒测速方法，该先对检测探头输出的信号进行快速 傅里叶变换FFT，然后再运用频谱细化技术提高频谱分辨率，最后再利用频谱校正技术对细 化后的频谱进行修正，从而提取出多普勒频率，解算出被测物体的运动速度。
[0014] 相对于现有技术，本发明的有益效果为：
[0015] ( -）巧妙地利用旋转光栅将光束分束与移频集于一体，一方面在原理上实现了 多普勒频率与激光束的中心波长无关，消除激光束中心波长的漂移对测量精度的影响；另 一方面，在控制系统体积、不引入其他干扰的前提下，有效地解决了速度方向模糊的难题。
[0016] (二）充分运用频域内频谱细化技术与频谱校正技术，提高频谱分辨率及多普勒 频率的准确度，从而大大减小了传统信号处理算法引起的误差。
[0017] (三）用单纵模固体激光器代替传统的He-Ne激光器或者半导体激光二极管，使激 光器同时具有线宽窄，功率大及体积小等诸多优点，有利于提高多普勒信号的信噪比及空 间分辨率。
【附图说明】
[0018] 图I :本发明的总体结构框图
[0019] 图2 :本发明的原理框图
[0020] 图3 :本发明信号处理流程框图
[0021] 图4 :本发明速度测试原理图。
[0022] 其中：检测探头-1，同轴电缆-2,信号处理电路板-3,显示屏-4,被测物体-5,激 光器-6、准直镜-7、旋转光栅-8、全反镜-9、全反镜-10,收集透镜-11、全反镜-12、会聚透 镜-13、光电探测器-14、前置电路-15。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0024] 如图1、2所示，一种基于旋转光栅的激光多普勒测速装置及其测速方法，包括：检 测探头1，同轴电缆2收集检测探头1的检测信号，传输至用于结算速度的信号处理电路板 3,信号处理电路板3连接显示屏4并将检测信号在显示屏4上显示；所述检测探头1包括 一激光器6,激光器6激光路径上设置用于准直的准直镜7,准直镜7后设置有旋转光栅8， 两个全反镜9和10平行对称设置于经旋转光栅8衍射后的激光路径上，并将激光反射后使 激光从检测探头1的检测孔射出，收集透镜11位于检测孔内，收集被测物体散射的激光，激 光经成一定角度向下倾斜的全反