强本振型双光束激光多普勒测速方法及系统与流程

本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及强本振型双光束激光多普勒测速方法及系统。

背景技术：

流体流速是工业生产过程中十分重要的参数指标，对该参数的准确监测可以有效地提高生产效率和质量。在传统的测量方法中，无一不要求测量仪器与流体有直接接触，这不仅影响了流体本身的运动情况，而且应用条件十分局限。而激光多普勒测速仪以其非接触测量、空间分辨率高、响应速度快等优点，在很多领域得到广泛应用。如图1所示，现有激光多普勒测速仪主要采用的双光束-双散射模式，由激光器发出的激光进入准直器，准直器的出射光入射到半透半反的分束棱镜，其中一路平行入射到凸透镜，另一路经过反射镜平行入射到凸透镜，两束平行光经过凸透镜聚焦到待测粒子上，粒子的散射光经过凸透镜后，由聚焦透镜聚焦到光电探测器，光电探测器输出一个和流速成正比的拍频信号。利用上述拍频信号，经过计算就可以得到运动物体的速度。但是目前的激光多普勒测速仪仍然存在如下问题：

1、由于是利用流体中颗粒的散射光获取速度信息，散射光强度比较微弱，特别是在只能利用强度更弱的后向散射光的场合，信号的拾取比较困难；

2、若双光束的平分线与所测速度没有完全垂直，则会引入测量误差；

3、双光束方案中要求探测光在待测点严格交叉，导致此类系统对光机稳定性要求极高，在部分严苛环境，如水下高压环境、跨界面测量且存在一定界面波动条件下使用时稳定性受限。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供了强本振型双光束激光多普勒测速方法及系统，目的是为了提高现有激光多普勒测速系统中微弱后向散射光检测能力，消除系统在双光束所在平面内的偏转对测量准确度的影响，同时提高测量系统稳定性。

本发明提供的强本振型双光束激光多普勒测速方法，具体技术方案如下：

强本振型双光束激光多普勒测速方法，包括如下步骤：

s1，激光器射出激光，所述激光经过分光元件被分束为测量光束和本振光束；

s2，所述测量光束被分束为平行且强度相等的第一入射光和第二入射光，所述第一入射光和所述第二入射光聚焦到待测粒子上对应形成第一散射光和第二散射光；

s3，所述第一散射光和所述第二散射光经过缩束平行入射到合束器中，经过聚焦被探测器收集；

s4，所述本振光束经过调制器产生频移后平行入射到合束器中，经过聚焦被光电探测器收集；

s5，光电探测器输出第一散射光与本振光束的第一拍频信号以及第二散射光与本振光束的第二拍频信号，利用所述第一拍频信号和第二拍频信号，计算得出待测流体的流速。

为了实现上述方法，本发明提供了配套的强本振型双光束激光多普勒测速系统，包括激光器、分光元件、分束单元、凸透镜、光学转向元件、缩束透镜组、调制器、合束器和光电探测器，

所述激光器的光源输出端与分光元件的输入端相连，

所述分光元件的第一输出端连接所述分束单元，所述分束单元对准所述凸透镜，所述凸透镜与所述合束器对准，所述缩束透镜组位于所述凸透镜与所述合束器之间，

所述分光元件的第二输出端连接所述调制器，所述调制器对准所述光学转向元件的输入端，所述光学转向元件的输出端对准所述合束器，

所述合束器对准所述光电探测器，所述合束器与所述光电探测器之间设有汇聚透镜，所述汇聚透镜的中轴线与所述合束器出射的光轴在同一直线上。

在某些实施方式中，还包括第一准直器，所述第一准直器位于所述分光元件和所述分束单元之间。

在某些实施方式中，还包括第二准直器和聚焦透镜，所述第二准直器和所述聚焦透镜依次设置在所述调制器和所述光学转向元件之间。

在某些实施方式中，所述分光元件为光纤耦合器。

在某些实施方式中，所述分束单元包括分束棱镜和反射镜，所述分束棱镜和所述反射镜关于所述凸透镜的中轴线对称设置。

在某些实施方式中，所述分束单元包括50/50光纤耦合器、第三准直器和第四准直器，所述50/50光纤耦合器的第一输出端对准所述第三准直器，所述50/50光纤耦合器的第二输出端对准所述第四准直器，所述第三准直器与所述第四准直器关于所述凸透镜的中轴线对称设置。

在某些实施方式中，所述光学转向元件为离轴抛物面镜。

在某些实施方式中，所述调制器为声光调制器或者电光单边带调制器。

本发明具有以下有益效果：(1)相对现有的激光多普勒流速测量方法，可以提高微弱后向散射光检测能力；

(2)相对现有的激光多普勒流速测量方法，可以消除系统在双光束所在平面内的偏转对测量准确度的影响，可以获得系统在此平面内相对于目标物的偏转角；

(3)相对现有的激光多普勒流速测量方法，可以降低系统对光机稳定性的要求，拓展使用范围。

附图说明

图1是现有技术中激光多普勒测速仪的结构示意图；

图2是本发明提供的强本振型双光束激光多普勒测速方法的流程图；

图3是本发明入射光、散射光方向与粒子速度方向关系示意图；

图4是实施例1强本振型双光束激光多普勒测速的结构示意图；

图5是实施例1强本振型双光束激光多普勒测速示意图；

图6是实施例1中频谱信号示意图；

图7是系统测量速度、理论速度与转盘旋转频率的关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

激光器的输出光被分别作为本振光束和测量光束。其中本振光束经过调制器产生频移，测量光束分成两束强度相等的平行激光(第一入射光和第二入射光)入射到凸透镜后，汇聚到一点(聚焦点)。粒子垂直于两汇聚光束(第一入射光和第二入射光)的平分线的直线通过此聚焦点，受待测速粒子运动的影响，照射到粒子上的两束激光(第一入射光和第二入射光)的频率都产生多普勒频移；由于两束汇聚激光束(第一入射光和第二入射光)与粒子运动方向的夹角不同，两束散射光(第一散射光和第二散射光)所产生的多普勒频移量也不同。因此两束散射光(第一散射光和第二散射光)被探测器收集后，与到达探测器的本振光束产生的拍频信号有两个多普勒频移。

如图3所示，将双光束照射到粒子上形成的散射光分别记为散射光1(第一散射光)和散射光2(第二散射光)，两束散射光(第一散射光和第二散射光)与本振光束被探测器接收，产生拍频信号。若速度的方向正好与双光束的平分线垂直，则方向上的两散射光(第一散射光和第二散射光)与本振光束的拍频信号频率分别为fsd1和fsd2

式中和分别为入射光方向上的单位矢量，则分别获取fsd1和fsd2，并相减，由此即可得到速度

式中，f′为声光调制器产生的频移，λ为激光在介质中的波长，κ为两入射光(第一入射光与第二入射光)平分线与第一入射光或第二入射光的夹角角度。

若双光束(第一入射光和第二入射光)平分线的垂直线与流速v′p的夹角为θ，则方向上的(第一散射光和第二散射光)与本振光束的拍频信号频率分别为f′sd1和f′sd2：

获取f′sd1和f′sd2，解关于vp′和θ的方程。

以上述原理为基础，本发明提供的强本振型双光束激光多普勒测速方法，如图2所示，具体技术方案如下：包括如下步骤：

s1，激光器射出激光，激光经过分光元件被分束为测量光束和本振光束；

s2，测量光束被分束为平行且强度相等的第一入射光和第二入射光，第一入射光和第二入射光聚焦到待测粒子上对应形成第一散射光和第二散射光；

s3，第一散射光和第二散射光经过缩束平行入射到合束器中，经过聚焦被探测器收集；

s4，本振光束经过调制器产生频移后平行入射到合束器中，经过聚焦被光电探测器收集；

s5，光电探测器输出第一散射光与本振光束的第一拍频信号以及第二散射光与本振光束的第二拍频信号，利用第一拍频信号和第二拍频信号，计算得出待测流体的流速。

实施例1

为了配合上述的测速方法，本实施例提供了相应的强本振型双光束激光多普勒测速系统，如图4所示，包括激光器1、分光元件2、分束单元、凸透镜5、光学转向元件12、缩束透镜组7、调制器9、合束器8和光电探测器14，

激光器1的光源输出端与分光元件2的输入端相连，

分光元件2的第一输出端连接分束单元，分束单元对准凸透镜5，凸透镜5与合束器8对准，缩束透镜组7位于凸透镜5与合束器8之间，

分光元件2的第二输出端连接调制器9，调制器9对准光学转向元件12的输入端，光学转向元件12的输出端对准合束器8，

合束器8对准光电探测器14，合束器8与光电探测器14之间设有汇聚透镜13，汇聚透镜13的中轴线与合束器8出射的光轴在同一直线上。

本实施例中，还包括第一准直器3，第一准直器3位于分光元件2和分束单元之间。第一准直器3保证分光元件2的第一输出端输出的光束平行出射至分束单元。

本实施例中，还包括第二准直器10和聚焦透镜11，第二准直器10和聚焦透镜11依次设置在调制器9和光学转向元件12之间。保证调制器9出射的光束平行入射聚焦透镜11，经过聚焦透镜11聚焦出射至光学转向元件12。

在本实施例中，分光元件2为光纤耦合器。需要特别说明的是分光元件2不限于光纤耦合器。

本实施例中，分束单元包括分束棱镜4和反射镜7，分束棱镜4和反射镜7关于凸透镜5的中轴线对称设置。

本实施例中，光学转向元件12为离轴抛物面镜。

本实施例中，调制器9为声光调制器。

上述系统的光束传导过程如下：

所述激光器1出射激光，激光经过光纤耦合器被分束为测量光束和本振光束，测量光束入射至第一准直器3，第一准直器3的出射光经过半透半反的分束棱镜4分束为第一入射光和第二入射光，第一入射光和第二入射光强度相等，其中第一入射光平行入射到凸透镜5，第二入射光经过反射镜7平行入射到凸透镜5，第一入射光和第二入射光经过凸透镜5聚焦到待测粒子上，粒子的第一散射光和第二散射光经过凸透镜5后由缩束透镜组7接收，并实现缩束，缩束后的信号光平行入射到高分光比的合束器8，此合束器8的选取原则为保证足够的信号光透射同时反射的本振光束的功率不能太低。光纤耦合器的另一个输出端与声光调制器9连接，声光调制器9与第二准直器10连接，本振光束入射至声光调制器9，第二准直器10出射的本振光束经过聚焦透镜11后经由离轴抛物面镜平行入射到合束器8。合束器8的出射光经过汇聚透镜13聚焦到光电探测器14，光电探测器14输出第一散射光和第二散射光与本振光的拍频信号。

如图5所示，以转盘上的点作为测试点，测量此点的切线方向的速度。

激光器1发出的光经光纤耦合器分为两束光。其中一束作本振光束,另外一束由分束棱镜4分成强度相等的双光束，聚焦照射到转盘上，其散射光携带有多普勒频移信息。将散射光与参考光用同一光电探测器14接收，光电探测器14输出的拍频信号经放大后,送往频谱仪。

频谱仪上看到两个频移峰，如图6所示，由公式(6)和(7)计算得转盘上一点的切向速度为9.1969m/s，此速度偏离双光束平分线垂直方向24.40°。作为对比，测量转盘转速为17.36转/s，绕行半径r＝0.084m，计算速度为9.1577m/s，测量结果与实际运动速度吻合较好,测量误差在0.43％。若采用经典的双光束激光多普勒测速系统，同样的情况，测量误差达到8.9％。因此强本振型激光多普勒测速减小了由于系统位置偏转带来的测量误差。

图7描绘了双光束平分线的垂直线与流速的夹角θ＝10°时，系统测量速度与转盘旋转频率间的关系，并绘出理论值，测量值与理论值吻合较好。

实施例2

本实施例的强本振型双光束激光多普勒测速系统中，除了分束单元和调制器9，其他结构均与实施例1中一致，

本实施例中，分束单元包括50/50光纤耦合器、第三准直器和第四准直器，50/50光纤耦合器的第一输出端对准第三准直器，50/50光纤耦合器的第二输出端对准第四准直器，第三准直器与第四准直器关于凸透镜5的中轴线对称设置。测量光束经过50/50光纤耦合器分束为第一入射光和第二入射光，第一入射光和第二入射光强度相等，其中第一入射光经过第三准直器平行入射到凸透镜5，第二入射光经过第四准直器平行入射到凸透镜5，

本实施例中，调制器9为电光单边带调制器。光纤耦合器的另一个输出端与电光单边带调制器连接，电光单边带调制器与第二准直器10连接，本振光束入射至电光单边带调制器，第二准直器10出射的本振光束经过聚焦透镜11后经由离轴抛物面镜平行入射到合束器8。

上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。