一种用于水下测速的双光束差动激光多普勒测速仪

1.本发明涉及激光和精密测量技术领域，具体是一种用于水下测速的双光束差动激光多普勒测速仪，用于在水下环境测量载体相对于水的运动速度，也可以用于测量流体自身流速。


背景技术：

2.目前，船、艇等水中运动载体的速度测量主要依靠全球导航卫星系统(global navigation satellite system,gnss)、惯性导航系统(inertial navigation system，ins)、声学多普勒计程仪(doppler velocity log,dvl)、电磁计程仪、水压计程仪、转轮计程仪、拖曳计程仪等设备，这些设备各有缺点：
3.gnss需要接收外部的卫星信号，属于非自主系统，动态性能和抗干扰能力较差，在特定场合需要关闭gnss以保持载体的隐蔽性。
4.ins通过测量载体的视加速度，然后转化成绝对加速度，进行积分得到载体的速度，测量过程的误差项较多，需要进行复杂的计算修正，而且常常需要外部测速器件对ins进行辅助，以抑制ins的误差随时间发散。
5.dvl利用声学多普勒效应测量载体相对于水底或某一深度水层的速度，但是dvl的实时性较差，由于声速在水中约为1500m/s，测量载体相对于5米深度水层的速度时，就有大于6ms的时间延迟。
6.电磁计程仪、水压计程仪、转轮计程仪、拖曳计程仪的缺点是测速精度较低，在成本敏感的低精度测速场合应用较多，但是在与ins进行组合导航等高精度场合已鲜少使用。综上，现有水下测速设备具有隐蔽性差、实时性差、结构复杂、精度低等弊端，水下导航领域迫切需要测速精度高、实时性好、兼具隐蔽性、便携性的新型水下测速仪器，以安装于水中航行载体上，为载体提供高精度的速度信息。


技术实现要素：

7.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种用于水下测速的双光束差动激光多普勒测速仪，将激光多普勒测速仪应用于水下测量，可实现自主式、无接触测量，且测速精度高、空间分辨率高、方向灵敏度高、实时性好。
8.为实现上述目的，本发明提供一种用于水下测速的双光束差动激光多普勒测速仪，包括壳体以及设在所述壳体内的测速组件；
9.所述壳体的外壁上设有能够流过流体的测速槽，所述测速组件包括：
10.发射单元，用于输出两束等强度、等光程的入射光；
11.发射透镜，位于入射光的光路上，用于使两束入射光聚焦；
12.第一透明窗口，位于所述测速槽一侧的槽壁上且位于入射光的光路上，用于使两束入射光射出所述壳体后在所述测速槽内相交，并在被测目标的作用下产生散射光；
13.第二透明窗口，位于所述测速槽另一侧的槽壁上且位于入射光与散射光的光路
上，用于使入射光与散射光射入所述壳体；
14.光阑，位于入射光与散射光的光路上，用于遮挡入射光并透过散射光；
15.接收透镜，位于散射光的光路上，用于使散射光聚焦；
16.接收单元，位于散射光的光路上，用于对聚焦后的散射光进行光电转换，并进行载体相对于水的运动速度解算或水体流速解算。
17.在其中一个实施例，所述发射单元包括：
18.激光器驱动模块，用于驱动激光器；
19.激光器，与所述激光器驱动模块电连接，用于发出激光；
20.分光棱镜，位于所述激光器的输出光路上，以将所述激光器发出的激光分束成两束等强度、等光程的入射光；
21.所述接收单元包括：
22.光电探测器，其光敏面位于散射光的聚焦点上，用于对散射光进行光电转换后输出电信号；
23.信号解算模块，与所述光电探测器电连接，用于根据所述光电探测器输出的电信号，解算得到载体相对于水的运动速度或水体流速；
24.水密电缆，与所述信号解算模块电连接，用于将载体相对于水的运动速度发送到上位机进行显示以及进一步的处理。
25.在其中一个实施例，所述壳体为c型结构，所述测速槽即为所述c型结构的c型口。
26.在其中一个实施例，所述壳体内和/或所述壳体上具有第一平面、第二平面与第三平面，所述第一平面与所述第三平面平行，且均垂直于所述第二平面；
27.所述测速组件还包括发射反射镜与接收反射镜，所述发射反射镜位于所述第一平面与所述第二平面相交的位置，所述接收反射镜位于所述第三平面与所述第二平面相交的位置；
28.所述激光器、所述分光棱镜、所述发射透镜与所述发射反射镜依次间隔与所述第一平面相交；
29.所述发射反射镜、所述第一透明窗口、所述第二透明窗口、所述光阑与所述接收反射镜依次间隔与所述第二平面相交；
30.所述接收反射镜、所述接收透镜与所述光电探测器依次间隔与所述第三平面相交；
31.在其中一个实施例，所述激光器驱动模块与所述信号解算模块集成在同一块电路板上；
32.所述电路板位于所述第一平面与所述第三平面之间且与所述激光器、所述光电探测器相邻的位置。
33.在其中一个实施例，所述壳体包括密封相连的底板与舱盖；
34.所述舱盖上设有发射通孔与接收通孔，所述第一透明窗口密封安装在所述发射通孔上，所述第二透明窗口密封安装在所述接收通孔上。
35.与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
36.1、相比现有水下测速设备，本发明为自主式、无接触测量，测速精度高、空间分辨率高、方向灵敏度高、实时性好；
37.2、本发明利用两个反射镜，将光轴进行两次90
°
折叠，形成c型结构光路，使系统易于进行集成化、小型化设计；
38.3、本发明的各个元件容易获得，装配简单，易于实现。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。
40.图1为本发明实施例中测速仪的外部结构示意图；
41.图2为本发明实施例中测速仪的内部结构示意图；
42.图3为本发明实施例中测速仪的光路结构示意图；
43.图4为本发明实施例中壳体的剖视图；
44.图5为本发明实施例中第一透明窗口的安装剖视图；
45.图6为本发明实施例中第二透明窗口的安装剖视图。
46.附图标号：壳体1、测速槽101、第一平面102、第二平面103、第三平面104、激光器2、分光棱镜3、发射透镜4、发射反射镜5、第一透明窗口6、第二透明窗口7、光阑8、接收反射镜9、接收透镜10、光电探测器11、电路板12、激光器驱动模块1201、信号解算模块1202、水密电缆13、第一光轴14、第二光轴15、第三光轴16、第四光轴17、第一测速主光轴18、第二测速主光轴19、第三测速主光轴20、底板21、舱盖22、发射通孔2201、接收通孔2202、第一o型橡胶圈23、第一螺丝24、第二o型橡胶圈25、第一压环26、第三o型橡胶圈27、第二压环28、第二螺丝29、水密连接件30、被测速度的方向31。
47.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
50.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
51.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相
连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
52.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
53.如图1-3所示为本实施例公开的一种用于水下测速的双光束差动激光多普勒测速仪，搭载在水下载体上，可在水下环境测量载体相对于水的运动速度。该测速仪其主要包括壳体1以及设在壳体1内的测速组件。
54.壳体1的外壁上设有能够流过流体的测速槽101。本实施例中，壳体1为c型结构，测速槽101即为c型结构的c型口，且壳体1内和/或壳体1上具有第一平面102、第二平面103与第三平面104，第一平面102与第三平面104平行，且均垂直于第二平面103。其中，第一平面102可以理解为与壳体1c型结构上顶边所在平面平行的面，第一平面102可以理解为与壳体1c型结构上底边所在平面平行的面，第二平面103可以理解为穿过壳体1c型结构顶边与底边且与c型结构上侧边平行的面。
55.测速组件包括发射单元、发射透镜4、发射反射镜5、第一透明窗口6、第二透明窗口7、光阑8、接收反射镜9、接收透镜10与接收单元。其中，发射单元由激光器驱动模块1201、激光器2与等光程的分光棱镜3组成，接收单元由光电探测器11、信号解算模块1202与水密电缆13组成，其中，激光器驱动模块1201与信号解算模块1202集成在同一块电路板12上，激光器2、光电探测器11分别与电路板12电连接。具体地，激光器2、分光棱镜3、发射透镜4与发射反射镜5依次间隔位于壳体1c型结构的顶边内且与第一平面102相交；发射反射镜5、第一透明窗口6、第二透明窗口7、光阑8与接收反射镜9依次间隔与第二平面103相交；接收反射镜9、接收透镜10与光电探测器11依次间隔位于壳体1c型结构的底边内且与第三平面104相交。电路板12位于第一平面102与第三平面104之间且与激光器2、光电探测器11相邻的位置，即电路板12位于壳体1c型结构的侧边内，实现小型化、集成化设计。
56.本实施例中测速仪的测速原理/过程为：
57.1、电路板12上的激光器驱动模块1201驱动激光器2(为半导体激光器2，激光波长为532nm，功率为50mw)发出的激光由等光程的分光棱镜3(分光比为1:1)分成两束等强度、等光程的平行光分别为第一入射光与第二入射光；
58.2、第一入射光与第二入射光入射到发射透镜4(为凸透镜)上进行聚焦，再由发射反射镜5对聚焦后的光路进行反射：
59.反射前，第一入射光的光轴(定义为第一光轴14)和第二入射光的光轴(定义为第二光轴15)位于第一平面102内，第一光轴14和第二光轴15的角平分线为测速仪光路的第一测速主光轴18；
60.反射后，第一入射光的光轴(定义为第三光轴16)和第二入射光的光轴(定义为第四光轴17)位于第二平面103内，第三光轴16和第四光轴17的角平分线为测速仪光路的第二测速主光轴19；
61.由于第一平面102与第二平面103垂直，即第一测速主光轴18与第二测速主光轴19垂直，形成“l”型发射光路。
62.3、经过第一透明窗口6之后，第一入射光与第二入射光在流体中相交，相交区域为
控制体，被测运动目标位于控制体内。聚焦后的第一入射光与第二入射光夹角之半为α，双光束角平分线(即第二测速主光轴19)的法线方向为被测速度的方向31；
63.4、被测目标对控制体内的第一入射光、第二入射光进行散射并产生散射光，第一入射光、第二入射光以及散射光经过第二透明窗口7后，第一入射光、第二入射光被光阑8遮挡，未被遮挡的散射光被接收反射镜9反射：
64.反射前，散射光的光轴(即第二测速主光轴19)位于第二平面103内；
65.反射后，散射光的光轴(定义为第三测速主光轴20)位于第三平面104内；
66.由于第三平面104垂直于第二平面103，且平行于第一平面102，即第二测速主光轴19垂直于第三测速主光轴20，形成“」”型接收光路；
67.5、由于不同方向的第一入射光与第二入射光在同一方向上的散射光进行干涉，因此反射后的散射光由接收透镜10(为凸透镜)聚焦到光电探测器11的光敏面上进行光电转换，得到多普勒信号，然后光电探测器11将多普勒信号送到电路板12上的信号解算模块1202，解算出载体相对于水的运动速度或水体流速，然后将速度信号经过水密电缆13发送到上位机进行显示以及进一步的处理，其中，载体相对于水的运动速度或水体流速v的解算过程为：
[0068][0069]
其中，λ为入射激光在真空中的波长，α＝arctan(d/2f)为第一入射光与第二入射光的半夹角，d为等光程分光棱镜3的分光间距，f为发射透镜4的焦距。
[0070]
由上述测速仪的测速原理/过程可知，第一测速主光轴18、第二测速主光轴19、第三测速主光轴20共同构成测速仪的c型光路，且c型光路与壳体1的c型开口方向相反。本发明通过利用发射反射镜5与接收反射镜9分别将发射光路、接收光路进行90
°
折叠，使测速仪的大部分光学、电学元件都位于被测目标的同一侧，从而减小测速仪的整体体积，便于进行系统小型化、集成化设计。
[0071]
参考图4-6，壳体1包底板21与舱盖22，底板21与舱盖22之间通过第一o型橡胶圈23进行防水密封，并通过第一螺丝24进行固定。
[0072]
在具体实施过程中，舱盖22上设有发射通孔2201与接收通孔2202，第一透明窗口6密封安装在发射通孔2201上，第二透明窗口7密封安装在接收通孔2202上。具体地，第一透明窗口6与舱盖22之间通过第二o型橡胶圈25进行防水密封，通过第一压环26将第一透明窗口6压紧于舱盖22的发射通孔2201处。第二透明窗口7与舱盖22之间通过第三o型橡胶圈27进行防水密封，通过第二压环28将第二透明窗口7压紧于舱盖22的接收通孔2202处。其中，第一压环26与第二压环28均通过第二螺丝29与舱盖22连接固定。本实施例中，第一透明窗口6、第二透明窗口7在c型光路中作为光学元件，对激光具有折射和反射的作用，在c型壳体1中构成壳体1的一部分，起到密封作用。
[0073]
在具体实施过程中，舱盖22上设置有水密连接件30，即水密电缆13可经过水密连接件30连接壳体1内的测试组件与壳体1外的上位机。
[0074]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。