專利名稱：?jiǎn)紊墓馐l移三維激光測(cè)速儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種激光測(cè)速儀。
現(xiàn)有的實(shí)用三維激光測(cè)速儀系統(tǒng)，其入射光均為五束光或六束光，并需使用多譜線的氬離子激光器，依靠雙色或三色光之間的色分離方法實(shí)現(xiàn)多維測(cè)量。由于氬離子激光器價(jià)格高，壽命短，體積大，使用操作復(fù)雜，組成的儀器價(jià)格很高，而在測(cè)量精度和使用條件方面也存在一定的局限性，因此影響它的推廣和應(yīng)用。例如，現(xiàn)有的雙鏡頭六/五光束三維激光測(cè)速系統(tǒng)，難以用在水洞，水槽等有兩種介質(zhì)界面的場(chǎng)合。另一種單鏡頭五光束三維激光測(cè)速系統(tǒng)，由于發(fā)射光束交角小，因此沿光軸速度分量精度低。而且五光束組成的軸對(duì)稱立體錐使測(cè)點(diǎn)難以靠近壁面，給邊界層測(cè)量帶來很大的限制。
本發(fā)明的相近技術(shù)引文為1.US-A-3，532，4272.LDVSystem9100-10forThreeComponentMeascnement3.DANTEC，三維激光測(cè)速儀。
本發(fā)明的目的，為了發(fā)明創(chuàng)造一種簡(jiǎn)單實(shí)用，應(yīng)用單色激光光源的，既有較高軸向速度測(cè)量精度，又能適用于不同介質(zhì)面流場(chǎng)和邊界層測(cè)量的單色四光束頻移三維激光測(cè)速儀。
本發(fā)明的基本點(diǎn)是，單色四光束頻移三維激光測(cè)速儀，它由激光光源(1)，光學(xué)系統(tǒng)和信號(hào)處理三部份組成。入射光來自單色激光光源(1)，經(jīng)分光、偏振旋轉(zhuǎn)和光學(xué)頻移裝置(2)后，形成四束平行光，其空間布置構(gòu)成一個(gè)等腰直角三角形(見圖2)，其偏振方向?yàn)楣馐?18)，(19)與(20)互相垂直，光束(21)分別與光束(18)(19)和(20)成45°。它們的頻移特性是光束(18)為負(fù)頻移，即負(fù)一級(jí)衍射光，光束(20)，(21)為正頻移，即正一級(jí)衍射光，光束(19)為零頻移，即零級(jí)光。接收光系統(tǒng)采用偏振分離方法和兩個(gè)光檢測(cè)器(6)，(7)獲得三維速度信息。信號(hào)處理部份，采用高通濾波器(8)，混頻器(11)，頻率發(fā)生器(10)，帶通濾波器(9)，平方檢測(cè)器(12)，頻率轉(zhuǎn)換器(13)，(14)，(15)及解算裝置(16)組成。
本發(fā)明具有簡(jiǎn)單的光電結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，只需四束入射光，能夠使用氦氖激光器作為單色光源。儀器價(jià)格便宜，壽命長(zhǎng)，可以修正由于入射光不對(duì)稱引起的測(cè)量誤差，測(cè)量精度高，適用性能好，易于推廣和應(yīng)用。
附圖圖1.單色四光束頻移三維激光測(cè)速儀示意圖。
圖2.四束入射光的偏振和頻移特性示意圖。
圖3.四束對(duì)稱入射光的空間幾何布置圖。
圖4.x-y平面中的速度轉(zhuǎn)換關(guān)系圖。
圖5.Y-Z平面中的速度轉(zhuǎn)換關(guān)系圖。
圖6.四光束非對(duì)稱入射時(shí)的空間幾何布置。
圖7.單色四光束頻移三維激光測(cè)速儀光路圖。
下面結(jié)合


本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容。
單色四光束三維頻移激光測(cè)速儀的光學(xué)和信號(hào)處理系統(tǒng)如圖1所示。從激光光源(1)發(fā)出的單色光經(jīng)分光，偏振旋轉(zhuǎn)和光學(xué)頻移裝置(2)后，形成四束平行光，其空間分布和偏振方向見圖2。其中光束(18)，(20)和(21)成等腰直角三角形布置，光束(19)位于系統(tǒng)光軸位置，是光束(18)和(21)的角平分線(見圖3)，并通過直角三角形外接圓的圓心Ｋ鈉穹較蛭汗饈 8)，(19)與(20)互相垂直，光束(21)分別與光束(18)，(19)與(20)成45°。為了能判別三維速度方向，在光束(18)，(20)和(21)的光路中分別插入三個(gè)頻移器件。并由頻移發(fā)生器(3)供給驅(qū)動(dòng)功率，其驅(qū)動(dòng)頻率可圍繞一個(gè)中心頻率上下變化，其中光束(18)為負(fù)一級(jí)衍射光，頻移頻率為fs1，光束(20)和(21)為正一級(jí)衍射光，頻移頻率為fs3和fs2，光束(19)為零級(jí)光，頻率為f0。光束(18)，(19)，(20)，(21)四束平行光經(jīng)過一聚焦透鏡(4)匯聚于相交區(qū)，即測(cè)量控制體。
當(dāng)運(yùn)動(dòng)粒子通過測(cè)量控制體時(shí)，受入射光照射向四周散射光線，接收透鏡(22)收集散射光，再由偏振分離器(5)將正交偏振的散射光分離開，分別送到光檢測(cè)器(6)，(7)去。光束(18)，(19)和(21)的散射光進(jìn)入光檢測(cè)器(6)，光束(20)和(21)的散射光進(jìn)入光檢測(cè)器(7)，并把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。從光檢測(cè)器(6)輸出的電信號(hào)是多種差拍信號(hào)的疊加。包含有光束(18)和(19)的散射光差拍頻率(fs1+f1)，光束(19)和(21)的散射光差拍頻率(fs2+f2)以及光束(18)和(21)的散射光差拍頻率(fs2+f1+fdy)。其中f1、f2和fdy分別為與速度分量V1、V2和Vdy成比例的頻率(見圖4)。由于頻率(fs2+fs1+fdy)較(fs1+f1)和(fs2+f2)高得多，因此可用高通濾波器(8)得到(fs2+fs1+fdy)。然后再經(jīng)電子混頻器(11)降低其頻移頻率，頻率發(fā)生器(10)用來獲得所需的本振頻率fs0，混頻后得到的頻率fy＝fsy+fdy，它是與y方向速度Vy(見圖4)成比例的頻率fdy和頻率fsy＝fs0-(fs2+fs1)的合成。另一路可用帶通濾波器(9)得到(fs1+f1)和(fs2+f2)，再經(jīng)平方檢測(cè)器(12)，得到與X方向速度Vx(見圖4)成比例的頻率fdx＝f2-f1和頻移頻率fsx＝fs2-f1的合成頻率fx＝fsx+fdx。經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換器(13)和(14)分別得到與fy和fx成比例的模擬量或數(shù)字量從光檢測(cè)器(7)輸出的電信號(hào)中可得代表Vd2速度分量(見圖5)的頻率fd2和頻移頻率fsz＝fs3-fs2的合成頻率fz＝fsz+fd2。經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換器(15)得到與f2成比例的模擬量或數(shù)字量。
解算裝置(16)用來實(shí)現(xiàn)三維速度分量的分析和修正。
在理想的四光束對(duì)稱入射情況下，光束(19)，(20)與光束(18)，(21)之間的交角均相等(見圖3)，在xy平面(圖4)和yz平面(圖5)中各速度分量分別有如下關(guān)系式V1＝ (λ)/(2sink) f1＝Vxycos(θ+k)＝Vycosk-VxsinkV2＝ (λ)/(2sink) f2＝Vxycos(θ-k)＝Vycosk+VxsinkVy＝ (λ)/(2sin2k) fdyVd2′＝ (λ)/(2sink′) fd2由上列式，可解得Vx＝ 1/(2sink) (V2-V1)＝ (λ)/((2sink)2) (f2-f1)Vd2＝Vyzcos(α+45°)＝Vzcos45°-Vysin45°Vz＝ (Vd2)/(cos45°) +Vy＝ ( /(2sink′cos45°) fd2+ (λ)/(2sin2k) +fdy再由解算裝置可得到三維速度分量，其運(yùn)算關(guān)系如下Vx＝ (λ)/((2sink)2) (f2-f1)＝ (λ)/((2sink)2) (fx-fsx)
Vy＝ (λ)/(2sin2k) fdy＝ (λ)/(2sin2k) (fy-fsy)Vz＝ (λ)/(2sink′cos45°) fd2+ (λ)/(2sin2k) fdy＝ (λ)/(2sink′cos45°) (fz-fsz)+ (λ)/(2sin2k) (fy-fsy)在四光束非完全對(duì)稱入射的情況下(見圖6)，各分量間相互影響造成的誤差不可忽略?？梢杂脤?shí)際測(cè)量得到的光束交角，通過計(jì)算裝置的修正計(jì)算得到精確的三維速度分量。下面是這種解析修正方法的推導(dǎo)結(jié)果設(shè)以光束(18)，(21)所構(gòu)成的平面為xy平面，光束(19)在xy平面的投影為x軸。四光束相交區(qū)(即測(cè)量點(diǎn))為坐標(biāo)原點(diǎn)O。則在圖6所示的直角坐標(biāo)系中，每一光束所代表的方向可以k和θ兩個(gè)方向角確定。由于四光束的不對(duì)稱性，可以分別測(cè)量出各光束的方向角k1，k2，k3，θ3和θ0。由這些常數(shù)所構(gòu)成的矩陣R可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)測(cè)量通道所得到輸出數(shù)據(jù)f2-f1，fdy和fd2同三維正交速度分量Vx，Vy和Vz之間的精確轉(zhuǎn)換，可有
顯示器(17)用來顯示和記錄三維速度分量的分析結(jié)果。
實(shí)施例圖7是單色四光束頻移三維激光測(cè)速儀的光路圖，結(jié)合光路具體說明入射光路中分光，偏振旋轉(zhuǎn)和頻移裝置(2)及散射光接收裝置的構(gòu)成。由激光光源(1)發(fā)出的單色線偏振光經(jīng) 1/2 波片(23)變成圓偏振光，再經(jīng)偏振分光器(24)得到兩束偏振方向互相垂直的光束。其中垂直偏振的一束光經(jīng)反射鏡(28)，聲光調(diào)制器(32)后，取其一級(jí)衍射光即入射光束(20)。經(jīng)偏振分光器(24)后，具有水平偏振的光束經(jīng) 1/2 波片(25)轉(zhuǎn)成45°偏振，然后由偏振分光器(26)再分成兩束互相垂直偏振光，其中水平偏振的透射光束經(jīng)中性分光面(34)后，大部份反射，再經(jīng)反射鏡(29)和聲光調(diào)制器(30)后得負(fù)一級(jí)衍射光，成為入射光束(18)，小部份透射光成為入射光束(19)。垂直偏振的一束經(jīng)反射鏡(27)，聲光調(diào)制器(31)得正一級(jí)衍射光，再經(jīng) 1/2 波片(33)后轉(zhuǎn)成45°偏振，成為入射光束(21)。光束(18)，(20)和(21)的頻移量分別由聲光調(diào)制器(30)，(32)和(31)的驅(qū)動(dòng)頻率fs1，fs2，fs3給定。它們可圍繞中心頻率40MHZ上下變化。四束平行光束由聚焦透鏡(4)匯聚于測(cè)量控制體。當(dāng)運(yùn)動(dòng)微粒經(jīng)測(cè)量控制體時(shí)，產(chǎn)生的散射光經(jīng)接收透鏡(22)，偏振分光器(5)分離為兩部份正交偏振光，并分別成象在兩個(gè)針孔光闌(37)，(36)上，再進(jìn)入光檢測(cè)器(7)和(6)。障板(35)用來阻擋入射光進(jìn)入光檢測(cè)器和限制測(cè)量體的體積。它對(duì)于提高信噪比是十分重要的。
由光檢測(cè)器(7)和(6)輸出的電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)的高通濾波器(8)(見圖1)，混頻器(11)，頻率發(fā)生器(10)，帶通濾波器(9)，平方檢測(cè)器(12)，頻率轉(zhuǎn)換器(13)，(14)，(15)及解算裝置(16)，得到三維速度分量Vx，Vy，Vz。并由顯示器(17)顯示和記錄其三維速度分量。
權(quán)利要求
1.一種三維激光測(cè)速儀，它由激光光源(1)，光學(xué)系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)三部份組成，其特征是a.入射光來自單色光源(1)，經(jīng)分光，偏振旋轉(zhuǎn)和光學(xué)頻移裝置(2)后，形成四束平行光，其空間布置構(gòu)成一等腰直角三角形，偏振方向，光束(18)，(19)與光束(20)互相垂直，光束(21)分別與光束(18)，(19)和(20)成45°，光束(18)為負(fù)一級(jí)衍射光，光束(20)，(21)為正一級(jí)衍射光，b.接收光系統(tǒng)采用偏振分離方法以及兩個(gè)光檢測(cè)器(6)，(7)接收三維速度信息，c.信號(hào)處理系統(tǒng)是由高通濾波器(8)，混頻器(11)，頻率發(fā)生器(10)，帶通濾波器(9)，平方檢測(cè)器(12)，頻率轉(zhuǎn)換器(13)，(14)，(15)，解算裝置(16)組成。
2.按照權(quán)利要求1所說的三維激光測(cè)速儀，其特征在于所說的激光測(cè)速儀的單色光源(1)為氦氖激光器。
3.按照權(quán)利要求1所說的三維激光測(cè)速儀，其特征在于所說的四束平行光在空間構(gòu)成的等腰直角三角形，其光束(19)位于系統(tǒng)光軸位置，是光束(18)和(20)的角平分線，并通過等腰直角三角形外接圓的圓心。
4.按照權(quán)利要求1所說的三維激光測(cè)速儀，其特征在于所說的激光測(cè)速儀光束(18)，(20)和(21)的光路中分別插入聲光調(diào)制器(30)，(32)，(31)，并由頻移發(fā)生器(3)供給驅(qū)動(dòng)功率，其驅(qū)動(dòng)頻率圍繞40MHE中心頻率上下變化。
5.按照權(quán)利要求1所說的三維激光測(cè)速儀，其特征在于所說的激光測(cè)速儀的分光，偏振旋轉(zhuǎn)和光學(xué)頻移裝置(2)，它由 1/2 波片(23)，(25)，(33)，偏振分光器(24)，(26)，中性分光鏡(34)，反射透鏡(27)，(28)，(29)，聲光調(diào)制器(30)(31)，(32)組成。
6.按照權(quán)利要求1所說的三維激光測(cè)速儀，其特征在于所說的激光測(cè)速儀的接收光系統(tǒng)，是由接收透鏡(22)，障板(35)，偏振分光器(5)，光檢測(cè)器(6)，(7)，針孔光闌(37)，(36)組成。
全文摘要
單色四光束頻移三維激光測(cè)速儀，它由激光器，光學(xué)系統(tǒng)，信號(hào)處理三部分組成。從單色激光光源發(fā)出的光經(jīng)分光，偏振方向旋轉(zhuǎn)和光學(xué)頻移裝置后，形成四束平行光，在空間形成等腰直角三角形。接收光路采用偏振分離方法和兩個(gè)光檢測(cè)器，獲得三維速度信息，由信號(hào)處理系統(tǒng)得到精確解。本發(fā)明具有最簡(jiǎn)單的光電結(jié)構(gòu)，儀器造價(jià)低，測(cè)量精度高，適用性能好，易于推廣和應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01P3/36GK1034618SQ88100189
公開日1989年8月9日 申請(qǐng)日期1988年1月28日 優(yōu)先權(quán)日1988年1月28日
發(fā)明者沈熊, 嚴(yán)幼幼 申請(qǐng)人:清華大學(xué)