单波长单光束非扫描三维激光测速装置及测速方法与流程

1.本发明涉及激光测速仪技术领域，具体涉及一种非侵入式、高精度、原位实时、小型化的单波长单光束非扫描三维激光测速装置及测速方法。


背景技术：

2.激光多普勒测速仪具有非侵入式、高精度、原位实时、线性响应的显著优点，可以用来测量固体、液体和气体的速度。在实际的工程应用中，大多数运动涉及三维速度的变化，一个三维速度测量仪器将会在气候气象、航空航天、流体力学、军事等领域具有非常大的应用价值。
3.目前，三维激光测速仪主要有机械扫描和非机械扫描两种方式。假定在一定的时间和空间尺度上速度矢量保持不变，机械扫描方式利用可转动的反射镜扫描不同点的径向速度来反演测量区域的三维速度，这种方法无法同时测量三维速度，引入机械扫描结构也使得系统结构复杂，整体结构庞大。在速度矢量随着时间和空间变化的情况下，需要一种非扫描实时三维激光测速仪来完成测量任务。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种可同时测量随时间和空间变化情况下的三维速度的单波长单光束非扫描三维激光测速装置及测速方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
6.一方面，本发明提供一种单波长单光束非扫描三维激光测速装置，包括：
7.激光器，用于发射激光信号；
8.分束器，用于将激光信号分束为入射到待测物体的入射信号和本振信号；
9.声光调制器，用于将入射信号移频后入射到待测物体上；
10.四个位于同一竖直面内的第一平凸透镜，四个所述第一平凸透镜呈中心对称且均匀分布，每个所述第一平凸透镜分别收集一束散射信号；
11.二维衍射光栅，用于将本振信号衍射为分别与四束散射信号对应的四束衍射本振信号；
12.合束器，用于将接收第一平凸透镜收集的四束散射信号和二维衍射光栅衍射的四束衍射本振信号合成为四束中频信号；
13.四个位于同一竖直面内的探测器，四个所述探测器呈中心对称且均匀分布，四个探测器分别探测一束中频信号。
14.优选的，还包括：
15.光强衰减器，经分束器分束的本振信号经光强衰减器后入射二维衍射光栅。
16.优选的，还包括：
17.聚焦透镜，经二维衍射光栅衍射后的本振信号经聚焦透镜的准直后进入合束器。
18.优选的，还包括：
19.四个均匀分布且位于同一竖直面内的第二平凸透镜，四个第二平凸透镜分别对应四个探测器，每个第二平凸透镜收集相应的中频信号经对应的探测器探测。
20.优选的，还包括：
21.准直器，激光器发射的激光信号经准直器准直后入射分束器。
22.优选的，还包括：
23.第一反射镜，经分束器分束后的入射信号经第一反射镜进入声光调制器。
24.优选的，还包括：
25.第二反射镜，经声光调制器移频后的入射信号经第二反射镜入射到待测物体上。
26.另一方面，本发明还提供一种利用如上所述的单波长单光束非扫描三维激光测速装置进行三维激光测速的方法，包括：
27.激光信号经分束器分为入射到待测物体的入射信号和本振信号；
28.入射信号经声光调制器移频后入射到待测物体上；
29.入射信号经待测物体散射后的散射信号被四个均匀分布且位于同一竖直面内的第一平凸透镜收集到合束器；
30.本振信号经二维衍射光栅衍射为分别与四束散射信号对应的四束衍射本振信号；
31.四束散射信号和四束衍射本振信号经合束器合成为四束中频信号；
32.四个均匀分布且位于同一竖直面内的探测器分别探测一束中频信号，根据探测的四束中频信号计算待测物体的三维速度分量。
33.优选的，探测器探测的中频信号为：
[0034][0035]
其中，f1、f2、f3、f4分别表示四个探测器探测的中频信号，f
d1
、f
d2
、f
d3
、f
d4
分别表示四个中频信号上的多普勒频移，f
aom
表示声光调制器频移，k
i
表示入射信号波矢，v表示待测物体的速度矢量，k1和k2分别为位于水平面上的两束散射信号波矢，k3和k4分别为位于竖直面上的两束散射信号波矢。
[0036]
优选的，计算待测物体的三维速度分量为：
[0037][0038]
其中，t表示矩阵的转置。k
1,2
+k
3,4
表示k1+k3或者k2+k4[0039]
本发明有益效果：采用单波长单光束非扫描的光学结构来探测运动物体速度，光学系统结构简单，无可移动部件，便于集成和小型化；单光束实现同时测量单点三维速度，可以在速度随时间和空间快速变化的情况下准确完成测速任务。
[0040]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明实施例所述的单波长单光束非扫描三维激光测速装置结构图。
[0043]
图2为本发明实施例所述的单波长单光束非扫描三维激光测速装置的二维衍射光栅的结构图。
[0044]
其中：1
‑
激光器；2
‑
准直器；3
‑
分束器；4
‑
第一反射镜；6
‑
第二反射镜；5
‑
声光调制器；7、8、9、10
‑
平凸透镜；11
‑
光强衰减器；12
‑
二维衍射光栅；13
‑
聚焦透镜；14
‑
合束器；15、16、17、18
‑
第二平凸透镜；19、20、21、22
‑
探测器；23
‑
散射光束。
具体实施方式
[0045]
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0046]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
[0047]
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0048]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
[0049]
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
[0050]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0051]
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且
具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0052]
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
[0053]
实施例
[0054]
本发明实施例提供的单波长单光束非扫描三维激光测速装置，采用四个对称放置的探测器同时接收散射信号，进而同时获得单点三维速度矢量。
[0055]
图1位单波长单光束非扫描三维激光测速装置的结构图。如图1所示，单波长单光束非扫描三维激光测速装置包括如下结构：
[0056]
激光器1，激光器1用于发射激光信号。所述激光器1可以是半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。在气体流速测量所使用波长可以是1064nm、1550nm、2μm，在液体流速测量所使用的波长可以是486nm、532nm、633nm，或他们之间的任何一个波长。
[0057]
散射信号接收器，接收待测物体的散射信号。所述散射信号接收器是单透镜或者是透镜的组合，也可以是空间光
‑
光纤的耦合器。
[0058]
本实施例中，四个位于同一竖直面内的第一平凸透镜7、8、9、10组成散射信号接收器，四个所述第一平凸透镜呈中心对称且均匀分布，每个所述第一平凸透镜分别收集一束散射信号。
[0059]
分束器3将激光信号分束为入射到待测物体的入射信号和本振信号。
[0060]
声光调制器5，用于将入射信号移频后入射到待测物体上。
[0061]
二维衍射光栅12，用于将本振信号衍射为分别与四束散射信号对应的四束衍射本振信号。所述二维衍射光栅是透射式二维衍射光栅，在本实施例中，取(+1,0)、(
‑
1,0)、(0,
‑
1)、(0,+1)四束衍射光作为本振光束。二维衍射光栅位于聚焦透镜的前焦点处，四束散射光束和四束本振光束分布在合束器上相交。
[0062]
图2是二维衍射光栅结构示意图，如图2所示，在本发明实施例中，其结构参数为：栅距dx、dy为8μm，结构宽度a为5.656μm，结构长度b为5.656μm,结构深度h为375nm。激光波长1.5μm，起到消零级衍射光作用，
±
1级衍射光效率为12.83％。
[0063]
合束器14，用于将接收透镜收集的四束散射信号和二维衍射光栅衍射的四束衍射本振信号合成为四束中频信号。
[0064]
四个位于同一竖直面内的探测器19、20、21、22，四个所述探测器呈中心对称且均匀分布，四个探测器分别探测一束中频信号。
[0065]
在本实施例中，所述探测器19、20、21、22分别提取四束本振信号分别与四束散射信号进行拍频后的差频信号，即多普勒频率，可以接收空间光信号或者连接光纤，采用普通相干探测或者平衡探测方式。
[0066]
光强衰减器11，经分束器分束的本振信号经光强衰减器后入射二维衍射光栅。所述光强衰减器可以是衰减空间光的中性滤波片或中性滤波片的组合，或者是光纤衰减器，功率衰减比例0
‑
100％可调。
[0067]
聚焦透镜13，经二维衍射光栅衍射后的本振信号经聚焦透镜的准直后进入合束器。
[0068]
四个均匀分布且位于同一竖直面内的第二平凸透镜15、16、17、18，四个第二平凸透镜分别对应四个探测器，每个第二平凸透镜收集相应的中频信号经对应的探测器探测。
[0069]
准直器2，激光器发射的激光信号经准直器2准直后入射分束器。所述准直器2是三合透镜光纤耦合器，全发散角0.3mrad，光纤是pc或者apc接头。
[0070]
第一反射镜4，经分束器3分束后的入射信号经第一反射镜4进入声光调制器5。
[0071]
第二反射镜6，经声光调制器5移频后的入射信号经第二反射镜6入射到待测物体上。
[0072]
结合图1、图2所示，本发明实施例所述的单波长单光束非扫描三维激光测速装置的工作原理如下：激光器1的出射激光经过准直器2耦合后，被分束器3分为两部分。一部分经过声光调制器5移频后入射到运动物体上，散射光束23携带运动物体的多普勒频移信号，被第一平凸透镜7、8、9、10收集。另一部分作为本振光束经过光强衰减器11和二维衍射光栅12分束，取其一级衍射光被聚焦透镜13准直，本振光束和散射光束经过合束器14，分别被第二平凸透镜15、16、17、18收集，在探测器19、20、21、22上拍频，其中在探测器3db带宽范围内的中频信号可以被探测到，中频信号包含多普勒频移和声光调制器频移，利用声光调制器可以实现多普勒频率的符号判定，即中频信号大于声光调制器频移，多普勒频率符号为正，否则，符号为负。
[0073]
在本发明实施例中，探测器上中频信号由下面公式表示：
[0074][0075]
其中，f1、f2、f3、f4分别对应探测器19、20、21、22上的中频信号，f
d1
、f
d2
、f
d3
、f
d4
分别是探测器19、20、21、22上的多普勒频移，f
aom
是声光调制器频移，ki是入射光束波矢，k1、k2、k3、k4分别是第一平凸透镜7、8、9、10收集的散射光束波矢。v是运动物体速度矢量。k1和k3平行于xz平面，k2和k4平行于yz平面。
[0076]
每个探测器上的多普勒频移正比于入射光束和散射光束角平分线方向上的速度分量，解调探测器上中频信号获得多普勒频移，通过下面公式计算在三个坐标轴上的速度分量：
[0077][0078]
其中，t表示矩阵的转置，k
1,2
+k
3,4
表示k1+k3或者k2+k4[0079]
综上所述，本发明实施例所述的单波长单光束非扫描三维激光测速装置以及测速方法，采用四个对称放置的探测器同时接收散射信号，进而同时获得单点三维速度矢量。单波长单光束非扫描的光学结构来探测运动物体速度，光学系统简单，无可移动部件，便于集成和小型化。单光束实现同时测量单点三维速度，可以在速度随时间和空间快速变化的情况下完成测速任务。
[0080]
以上所述仅为本公开的优选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人
员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
[0081]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。