[发明专利]基于旋转光栅的激光多普勒测速装置及其测速方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光和精密测量技术领域，特别涉及一种基于旋转光栅的激光多普勒测速装置及其测速方法。

背景技术

激光多普勒测速仪的基本原理是：当一束激光入射到相对运动物体上时，其散射光的频率与入射光的频率是不相同的，两者的差就是多普勒频率，它与物体的运动速度成正比。因此通过探测多普勒频率即可测出物体的运动速度。

激光多普勒测速仪常见的测量模式有三种：参考光模式、自混合模式及双光束差动模式。其中参考光模式，其多普勒信号与接收方向有关，而且探测器孔径的大小也会影响信号的测量精度；自混合模式，由于它是通过检测激光器光强的波动频率进行测量的，所以当工作电流和外界温度发生改变时，光强也会相应地改变，这对多普勒频率测量精度的影响也很大；而双光束差动模式，其多普勒信号与接收方向无关，探测器的孔径可以任意增大，而且激光光强的波动只会影响信号的信噪比，并不会影响测量精度。双光束差动激光多普勒测速仪的诸多优点使其在气体、液体的流速测量及固体表面运动速度的测量等多种场合得到广泛的应用。

然而，目前国内外成型的双光束差动激光多普勒测速仪还存在诸多不足：(1)波长漂移。典型的双光束差动激光多普勒测速仪中多普勒频率不仅与物体的运动速度有关，还与入射激光束的波长有关。然而激光束的波长通常都存在漂移，从而引入了测量误差；(2)激光器。现有仪器通常采用氦氖激光器或半导体激光器作为光源，一方面氦氖激光器体积大，需高压电源供电，故均将激光器与其电源装在一个独立的机箱内，体积大、笨重、不安全；另一方面半导体激光器的线宽较宽，从而影响系统的测量精度；(3)方向辨别。国内外大部分的产品都没有方向辨别的功能。即使少部分产品具有方向辨别的功能，也都是采用声光晶体或电光晶体移频实现的。然而声光晶体或电光晶体都需要复杂的控制系统，体积较大，价格昂贵。另外，控制系统引入的射频干扰会严重影响多普勒信号，不利于提取多普勒频率；(4)信号处理机。目前已有的系统通常都采用快速傅立叶变换(FFT)的方法，但是直接将FFT峰值谱对应的频率作为多普勒频率值，则存在精度低的问题。因为频率分辨率为△f＝f_s/N，其中f_s为采样频率，N为分析数据长度。而且直观上提高频率分辨率的两种方法(降低采样频率和增加数据分析点数)都不可行，这是因为：一方面，由于待测物体运动速度的动态变化范围较大，要覆盖速度的整个动态变化范围，不能降低采样频率；另一方面，FFT的运算量与数据分析点数密切相关，增加数据分析点数N，会使得整个信号处理算法的计算量大大增加，消耗的系统资源增多，实时性变差。

综上，现有技术中的测速仪器，均存在：对波长漂移敏感、体积大、结构复杂、干扰强、信号处理机性能差、价格昂贵的缺点。

发明内容

为克服现有激光多普勒测速仪的上述缺点，本发明的目的在于提供一种基于旋转光栅的激光多普勒测速装置及其测速方法，利用旋转光栅将光束分束与移频集于一体，一方面在原理上实现了多普勒频率与激光束的中心波长无关，消除激光束中心波长的漂移对测量精度的影响；另一方面，在控制系统体积、不引入其他干扰的前提下，实现方向辨别的功能。信号处理算法中充分运用频域内频谱细化技术与频谱校正技术，提高频谱分辨率及多普勒频率的准确度，从而大大减小了传统信号处理算法引起的误差。本发明提供一种对激光波长不敏感、可辨别速度方向、集成化程度高、结构简单、体积小、灵敏可靠、测量精度高。其具有对激光波长不敏感、可辨别速度方向、集成化程度高、结构简单、体积小、灵敏可靠、测量精度高的优点。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于旋转光栅的激光多普勒测速装置，包括：检测探头，同轴电缆收集检测探头的检测信号，传输至用于结算速度的信号处理电路板，信号处理电路板连接显示屏并将检测信号在显示屏上显示；所述检测探头包括一激光器，激光器激光路径上设置用于准直的准直镜，准直镜后设置有旋转光栅，两个全反镜平行对称设置于经旋转光栅衍射后的激光路径上，并将激光反射后使激光从检测探头的检测孔射出，收集透镜位于检测孔内，收集被测物体散射的激光，激光经成一定角度向下倾斜的全反镜反射至汇聚透镜，光电探测器收集汇聚透镜的激光，并将信号由进行信号放大和滤波的前置电路经同轴电缆传出检测探头。

进一步的，所述激光器为单纵模固体激光器或半导体激光器。

进一步的，所述激光器发射的激光经旋转光栅形成±1级衍射光。

进一步的，所述检测探头中±1级衍射光的夹角为θ，利用两全反镜改变光束传播方向进行合束，合束时两束光的夹角同样是θ。