專利名稱：共面偏振二維頻移激光測速儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域?yàn)橐环N激光測速儀。
本發(fā)明相近技術(shù)情況國際上目前常見的二維激光測速儀，大多數(shù)能測量垂直于入射光平面內(nèi)的二維速度分量，使用受到一定限制。例如在軸對稱管流測量中，由于管壁曲面的折射影響，無法用上述儀器測得管道內(nèi)徑向速度分量?，F(xiàn)有的測量沿光軸平面內(nèi)二維速度分量的激光沿速儀，使用頻率分離或色分離方法。前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需用高性能的光電子器件，價格昂貴;后者只限于使用多譜線工作的激光器(如氬離子激光器)。這兩種方法采用單透鏡工作時，對軸向速度的測量精度低，影響了它的推廣應(yīng)用。
國內(nèi)情況，目前只有能測量垂直于入射光平面內(nèi)的二維速度分量的激光測速儀。可測量沿光軸平面內(nèi)二維速度分量的儀器尚屬空白。
相近的技術(shù)可參閱1.LaserVelocimetrySystems，TSIInc.1987.
2.LaserDopperAnemometry，DISAElectronics，1983.
3.DifferentialDopplerTechnigueforOn-AxisBackscatterMeasurements，USPatent4，263，002.
本發(fā)明的目的，為了發(fā)明創(chuàng)造一種簡便易行的測量入射光束平面內(nèi)二維速度分量的激光測速儀，即共面偏振二維頻移激光測速儀。
本發(fā)明的基本點(diǎn)是共面偏振二維頻移激光測速儀，是由頻移入射光路，接收光系統(tǒng)和信號處理三部份組成。三束入射光均來自同一激光器(1)，它們之間的交角可以采用不同數(shù)值，三束共面平行光束(10)、(11)、(12)具有不同頻移量，其偏振方向(見圖2)為光束(10)和(12)互相垂直，光束(11)與光束(10)、(12)均成45°;接收光系統(tǒng)采用偏振分離方法和兩個光檢測器(19)、(20)，獲得二維速度分量的信息;信號處理部份，采用電子混頻和數(shù)據(jù)解算裝置(29)相結(jié)合的方法，可消除現(xiàn)有激光測速儀對入射光束的對稱性有嚴(yán)格要求的限制，實(shí)現(xiàn)平行于光軸速度分量VR和垂直于光軸速度分量VX的精確測量。該儀器結(jié)構(gòu)簡單，與現(xiàn)有技術(shù)相比壓縮接收頻帶一倍以上，提高了信噪比，又節(jié)省高頻響應(yīng)的光電子器件，從而降低造價，成本低。本發(fā)明的激光測速儀既可采用大功率的氬離子激光器，又可采用小功率的氦氖激光器，因此該激光測速儀適用性好，易于推廣應(yīng)用。
附圖圖1共面偏振二維頻移激光測速儀的示意圖。
圖2三束共面入射光偏振方向示意圖(即圖1中AA方向示圖)。
結(jié)合


本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容共面偏振二維頻移激光測速儀是由頻移入射光路、接收光學(xué)系統(tǒng)和信號處理三部份組成。其布置見圖1所示。
由激光器(1)發(fā)出的單色光束經(jīng)分光偏振旋轉(zhuǎn)裝置(2)得到三束共面平行光。它們的偏振方向見圖2所示，其中光束(10)和(12)的偏振方向互相垂直，光束(11)與光束(10)、(12)的偏振方向均成45°。光束(10)和(12)是經(jīng)聲光調(diào)制器(5)(6)調(diào)制以后玫降難萇涔猓渲幸皇欽患豆?，另一束是搁u患豆狻Ｆ狄破德史直鶚莊2S和-f1S，可以按實(shí)際需要選擇此頻率值以得到不同的頻移量(即頻差)。入射透鏡(8)將具有不同頻率(f0-f1S)、(f0+f2S)、f0的三束入射光聚焦到相交的測量控制體(13)。當(dāng)運(yùn)動微粒通過該相交區(qū)時，根據(jù)雙光束雙散射外差原理，散射光(14)中包含著正比于速度分量V1和V2的多普勒頻率信號，即fD 1=2sin K1λV1+f1s(A)fD 2=2sinK2λV2+f2s(B)]]>散射光(14)經(jīng)收集透鏡(15)匯聚，再經(jīng)偏振分光鏡(16)分離開兩種正交偏振散射光束(17)、(18)，分別匯聚到兩個針孔光闌(3)、(4)，再進(jìn)入光檢測器(19)、(20)。在兩個光檢測器輸出的電信號中，分別包含了頻率fD1和fD2。
為了得到平行于入射光系統(tǒng)光軸的速度分量VR，將兩路信號經(jīng)濾波放大器(21)(22)后，通過混頻器(24)得到差頻(fD1-fD2)及其頻移頻率(f1S-f2S)。頻率處理器(27)用于轉(zhuǎn)換處理，得到正比于此差頻及其頻移頻率之和的信號，然后輸入解算裝置(29)進(jìn)行解算處理。
為了得到垂直于光軸的速度分量Vx，將光檢測器送來的其中一路信號經(jīng)濾波放大器(23)后同來自頻移發(fā)生器(26)的頻率信號fM進(jìn)入混頻器(25)進(jìn)行混頻，輸出的信號頻率為fD1+(f1S-fM)，用頻率處理器(28)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，得到正比于此頻率的信號，然后輸入解算裝置(29)進(jìn)行解算處理。
在頻移量為零時，即f1S＝f2S＝fM，VX和VR有簡單關(guān)系式VX＝C1(fD1-fD2)+C2fD2(C)VR＝C3(fD1-fD2)+C4fD2(D)式中C1，C2，C3，C4均為與激光波長入和光束入射角K1，K2有關(guān)的常數(shù)，可以通過解算裝置設(shè)置這些常數(shù)得到VR和VX的最終值。
當(dāng)K1＝K2＝K時(對稱入射)可得最簡單式VX＝ (λ)/(2sin2K) (fD1-fD2)+ (λ)/(sin2K) fD2(E)VR=λ4sin2K(fD 1-fD 2) (F)]]>由(E)式可見，VX不僅是fD2的函數(shù)，還與(fD1-fD2)有關(guān)，其影響作用不可忽略。
在實(shí)用上得到K1＝K2是困難的。如果不能精確相等，VX還會影響VR的測量結(jié)果，由(C)、(D)式可推算出，當(dāng)VX≈10VR，K1和K2相差1%時，VX對VR的影響附加量可達(dá)10%，這是一個不可忽視的測量誤差。而使用(C)，(D)式作解算處理，可以實(shí)現(xiàn)精確的二維速度測量。
存在頻移量的情況下，設(shè)VR通道頻移量為fSR＝f1S-f2S，V2通道頻移量為fSX＝f2S-fm，則有VX＝C1〔(fD1-fD2)-fSR〕+C2(fD2-fSX)VR＝C3〔(fD1-fD2)-fSR〕+C4(fD2-fSX)只要選取不同的頻移配置，就可得到兩通道不同的頻移量。依靠解算裝置可以方便地實(shí)現(xiàn)頻移量修正。取f1＝〔(fD1-fD2)-fSR〕，f2＝(fD2-fSX)則VX＝C1f1+C2f2VR＝C3f1+C4f2所以采用電子混頻和數(shù)據(jù)解算裝置相結(jié)合的方法，可以解決由于入射光束交角及幾何布置不對稱性所造成分量間的相互干擾問題，可以實(shí)現(xiàn)精確的二維速度測量。測量結(jié)果由顯示器(7)顯示出來。
權(quán)利要求
1.一種可測沿系統(tǒng)光軸和垂直于系統(tǒng)光軸的共面偏振二維頻移激光測速儀，它由頻移入射光路，接收光系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)三部分組成，其特征在于所說的激光測速儀的三束入射光(10)，(11)，(12)均來自同一單色光的激光器(1)，其中光束(12)、(10)分別經(jīng)過聲光調(diào)制器(5)、(6)，三者處于平行光軸的平面內(nèi)，三束共面并行光束(10)、(11)、(12)的偏振方向，其光束(10)和(12)互相垂直，光束(11)與光束(10)、(12)均成45°，信號處理系統(tǒng)由電子混頻和數(shù)據(jù)解算裝置結(jié)合組成。
2.按照權(quán)利要求1所說的共面偏振二維頻移激光則速儀，其特征在于所說激光測速儀的三束入射光(10)、(11)、(12)之間的交角k1、k2可以取不同數(shù)值。
3.按照權(quán)利要求1所說的共面偏振二維頻移激光測速儀，其特征在于所說的光束(12)、(10)分別經(jīng)過聲光調(diào)制器(5)、(6)后，產(chǎn)生衍射光，一束為正一級光，另一束為負(fù)一級光，它們的驅(qū)動頻率之差，可以按照實(shí)際需要選取不同值。
4.按照權(quán)利要求1所說的共面偏振二維頻移激光測速儀，其特征在于所說的信號處理系統(tǒng)是由濾波放大器(21)、(22)、(23)，混頻器(24)、(25)，頻移發(fā)生器(26)，頻率轉(zhuǎn)換器(27)、(28)，數(shù)據(jù)解算裝置(29)組成。
5.按照權(quán)利要求1所說的共面偏振二維頻移激光測速儀，其特征在于所說的激光測速儀的單色光源可為氦氖激光器及氬離子激光器。
6.按照權(quán)利要求1、4所說的共面偏振二維頻移激光測速儀，其特征在于所說的信號處理系統(tǒng)的解算裝置(29)用于同時處理與混頻器(24)輸出頻率成比例的信號以及與混頻器(25)輸出頻率成比例的信號，解算得到平行于光軸的速度分量VR和垂直于光軸的速度分量VX。
全文摘要
共面偏振二維頻移激光測速儀，使用單色三束共面激光束入射相交于測量區(qū)。當(dāng)運(yùn)動微粒通過測量區(qū)時，根據(jù)雙光束雙散射外差原理，由兩個激光檢測器獲得二維速度分量所對應(yīng)的頻率信息。由電子混頻和數(shù)據(jù)解算裝置所組成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，解決了由于入射光束交角的限制及幾何布置不對稱性所造成的分量間相互干擾問題。本發(fā)明測量軸向速度分量的精度高，其儀器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適用性好，易于推廣。
文檔編號G01P5/00GK1033420SQ8710147
公開日1989年6月14日 申請日期1987年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1987年11月30日
發(fā)明者沈熊, 嚴(yán)幼幼 申請人:清華大學(xué)