[发明专利]基于方波电流调制和FP标准具分光的激光自混合速度测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于方波电流调制和FP标准具分光的激光自混合速度测量系统及方法，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

用于二维和三维速度的测量方法较多，有些技术已经发展较为成熟并形成商业化仪器。随着激光技术和图像处理技术的不断发展，激光多普勒测速技术、粒子图像测速技术、激光散斑测速技术等被广泛应用于多维流速测量。

激光多普勒测量技术一般采用多路分束结构，通过不同方向上的入射光和参考光差频获得多普勒频移，从而计算出该方向上的速度分量。但由于激光多普勒频移需在激光相干长度内发生，引起对系统光路产生了很高的要求，结构和系统调试都很复杂。粒子图像测速技术则很好地突破了激光多普勒测速技术等间单点测量技术的局限性，可以获得整个平面流场内的流速，但也存在信息计算量大、很难拓展至三维等缺点。

相对于激光多普勒技术，基于激光自混合效应的激光自混合技术具有系统结构简单、易于调节等优点，逐渐被应用于运动物体速度、位移和距离的测量。但一般采用的是单通道测量方法，即采用单套激光器和探测器实现一维运动速度的测量。在扩展至二维或三维速度测量时，简单的多套系统组合却很难达到实际应用要求，具体表现在：（1）采用多套光源，其波长和强度的漂移不一致，从而导致不同方向的速度测量误差；（2）多套系统的测量信号很难完全同步，即多维速度的合成会存在偏差；（3）多套光源和探测器的使用，系统成本会相应增加。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于方波电流调制和FP标准具分光的激光自混合速度测量系统及方法，具有结构简单、调试方便等优点，同时通过采用方波电流调制和FP标准具分光的方法，使用单个激光器和探测器，实现运动物体二维运动速度的高精度非接触测量，并可拓展至三维运动速度测量。

本发明的技术解决方案：基于方波电流调制和FP标准具分光的激光自混合速度测量系统，包括光电探测器1、激光器2、激光器调制模块3、FP标准具4、待测物体5、反射镜6、电信号放大器7、计数器8、计算机9，所述光电探测器监测激光输出强度变化，激光器调制模块3对激光器2进行方波电流调制，激光器2出射的激光入射到倾斜的FP标准具4上，一部分透射光直接入射到待测物体5上，另一部分经FP标准具4反射的光束经过反射镜6从另一角度入射到待测物体5上，经待测物体5散射的光由原光路返回激光器2的谐振腔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，并经过电信号放大器7放大，随后经过计数器8计数，单位时间内计数数目即为相应的频率值f，将频率值输入计算机9处理后即可得到各维度速度值V，计算公式为：

V＝λ·f/2

其中，λ为激光器输出激光波长。

在测量系统中，方波电流调制处于低电平时，输出激光波长为λ₁，方波电流调制处于高电平时，输出激光波长为λ₂，而λ₁经FP标准具4直接透射，λ₂被FP标准具4反射。透射的激光用于检测一个方向的物体运动速度，反射的激光用于检测另外一个方向的物体运动速度。由方波电流和FP标准具4组成的波长开关能够保证不同方向的多普勒信号分别被光电探测器1间断的检测到。

所述光电探测器1为激光器2的内置或外置探测器。采用内置探测器可以简化测量系统并提高探测激光自混合信号的灵敏度。

所述激光器2选用电流波长调制系数高的单纵模半导体激光器，单纵模工作则可以避免不同模式叠加引起的波形分立现象，从而提高系统测量精度。

所述激光器调制模块3以方波电流调制方式工作，以实现各维度速度值的准确测量。

所述FP标准具4的特性为经方波电流调制的激光波长λ₁能直接透射，而激光波长λ₂被FP标准具4反射。

所述基于多通道激光自混合效应的速度测量方法，包括以下步骤：

第一步，激光器调制模块3对激光器2进行方波电流调制，调制后的激光λ₁经FP标准具4入射到待测物体5上，调制后的激光λ₂经反射镜6反射后以另外一个角度入射到待测物体5上；

第二步，入射到待测物体5上的激光经散射后部分光按原路返回到激光器2中产生自混合效应；

第三步，光电探测器1将产生自混合效应的光信号转化为电信号；

第四步，电信号经过电信号放大器7放大，随后送入计数器组8处理后得到不同时刻的频率值；