[发明专利]基于三角波电流调制的激光自混合多维速度测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于三角波电流调制的激光自混合多维速度测量装置及方法，特别适用于水体流速、固体颗粒物运动速度的快速非接触测量。

背景技术

对于复杂的多维运动速度测量，目前被证明较为有效的是激光多普勒测速技术。激光多普勒测速技术具有非接触性、响应快、空间分辨率高等优点，广泛应用于流体力学、化工、水利、生物医药、环境等诸多领域的流速测量，特别是三维流动速度的测量。

在激光多普勒多维速度测量技术中，主要采用参考光束型的系统结构方案。通过入射激光和参考激光的相干叠加分别得出不同方向上的多普勒频移，即对应不同方向上的多维速度分量。但由于采用多个分光器件和探测器，并需将光程差保持在激光相干长度之内，存在系统复杂、光路很难调整等问题而很难得到充分的发展和应用。随后，逐步发展了采用多谱线激光器和声光调制器等方案，在系统结构和信号分离方面均有所改进，同时也产生了新的问题：多谱线激光器价格昂贵、寿命短，不利于推广应用；声光频移装置的频移幅度有一定限制，引入的分光器件提高了系统的复杂程度。

由激光多普勒技术发展而来的激光自混合技术（即激光器的出射光经外部物体散射或反射后，部分光反馈回激光腔形成新的谐振，通过测量激光功率、频率的变化来获取外部物体运动、形貌等信息的测量技术），具有系统结构简单、易于调节且不受激光器功率波动影响等优点，可广泛应用于速度、位移、距离等物理量的高精度测量。但是，在多维速度测量方面，由于激光自混合测量系统一般均采用内置探测器，多维速度分量相互叠加，同样存在速度分量信号无法提取、方向无法识别等问题。

理论上，多套激光自混合系统同时在不同的方向或位置上进行激光自混合传感，即可实现多维或多点传感。1998年,法国的T.Bosch教授率先采用扫描方案实现三维面型的准确测量，随后又采用两个激光器实现较高精度的固体表面二维速度测量。2008年，意大利巴里大学的S.Ottonelli等采用三个独立的DFB激光器作为光源，成功研发了能同时测量三个自由度的激光自混合传感系统。2010年，澳大利亚的Yah Leng Lim则采用1*12的垂直腔面发射激光器阵列实现多点流速的实时测量。但是，除了系统的复杂性增大和成本上升以外，面临的主要问题还在于：①多套单通道激光自混合系统的信号漂移和光源调制特性无法一致。激光自混合效应的测量都是基于对激光输出光强的探测，而光强对外界环境、抽运水平是敏感的，不同的信号漂移使多套系统的测量结果受到很大的影响，无法避免的测量误差将妨碍准确地获取多维速度或多点位移的实时变化过程和高阶相关性；②多系统同时测量时很难实现信号的同步检测，即同一点三维速度等物理量的准确测量很难实现。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供基于三角波电流调制的激光自混合多维速度测量装置及方法，在保持了激光自混合系统的结构简单、易于调节等优点的同时，通过采用三角波电流调制、多路不同光程结构以及带通滤波信号处理方法等，使用单个激光器和探测器，无需声光调制器件，实现目标物多维运动速度的非接触高分辨率测量。

本发明的技术解决方案：基于三角波电流调制的激光自混合多维速度测量装置，包括光电探测器1、激光器2、激光器调制模块3、第一光纤4、光纤分束器5、第二光纤6、第三光纤7、第四光纤8、第一光纤聚焦器9、第二光纤聚焦器10、第三光纤聚焦器11、待测运动物体12、微分放大电路13、三通道滤波器组14、三通道计数器组15、计算机16，所述激光器调制模块3对激光器2进行三角波电流调制，以实现多维速度方向的准确判别，激光器2出射的激光耦合到第一光纤4中并传输到光纤分束器5，光纤分束器5将激光分为三束，经第二光纤6和第一光纤聚焦器9的激光从第一维度以一定角度入射到待测运动物体12上，经第三光纤7和第二光纤聚焦器10的激光从第二维度入射到待测运动物体12上，经第四光纤8和第二光纤聚焦器11的激光从第三维度入射到待测运动物体12上，其中第二光纤6、第三光纤7和第四光纤8的长度各不相同在三角波电流调制下即可实现多维速度信号的准确区分，多路入射激光经待测运动物体12散射后，一部分散射光按各自光路反馈回激光器2，产生激光自混合效应。发生激光自混合效应后的激光被光电探测器1接收，并经过微分放大电路13放大，随后经过三通道滤波器组14和三通道计数器组15滤波和计数，单位时间内计数数目即为相应的频率值，分别将各通道信号上升沿和下降沿的频率ν_上升（ν是希腊字母，现代物理学中频率的符号，和V不同。）和ν_下降送入计算机16处理后得到各维度速度大小及方向，速度V的计算公式为：