激光多普勒測速技術(shù)綜述

激光多普勒測速技術(shù)綜述

1激光多普勒蘇氏相檢測的特點激光多普勒跟蹤技術(shù)是隨著激光成像技術(shù)的誕生而產(chǎn)生的一種新的測量技術(shù)。這是一種利用激光成像功能測量液體或固體速度的技術(shù)。廣泛應用于軍事、航空、宇宙、機械、能源、冶金、水、鋼鐵、測量、醫(yī)學、環(huán)境保護等領(lǐng)域。激光的多普勒效應是激光多普勒測速技術(shù)的重要理論基礎(chǔ),當光源和運動物體發(fā)生相對運動時,從運動物體散射回來的光會產(chǎn)生多普勒頻移,這個頻移量的大小與運動物體的速度、入射光和速度方向的夾角都有關(guān)系。激光多普勒效應的示意圖如圖1所示,其中,O為光源,T為運動物體,S為觀察者的位置。激光的頻率為ν,運動物體的速度為?u?u??那么由于物體運動所產(chǎn)生的多普勒頻移量可表示為:fD=νc|?u?(?es-?eo)|(1)fD=νc∣∣u??(e?s?e?o)∣∣(1)由式(1)可知,可以通過測量激光多普勒頻移量的值來獲得運動物體的速度信息。1964年,Yeh和Cummins首次通過測量激光多普勒頻移量來獲得流體的運動速度,這標志著激光多普勒測速技術(shù)的開端。經(jīng)過40多年的發(fā)展,激光多普勒測速技術(shù)經(jīng)歷了產(chǎn)生、發(fā)展到廣泛應用的過程。憑借其非接觸測量、不干擾目標運動、空間分辨率高、響應速度快、測量精度高及量程大等優(yōu)點,這種測速技術(shù)獲得了長足發(fā)展。根據(jù)采用的激光器類型的不同,本文對已有的單頻激光多普勒測速儀和雙頻激光多普勒測速儀的原理及各自的優(yōu)缺點分別進行了討論,并指出了未來激光多普勒測速技術(shù)的發(fā)展方向。2多普勒頻移量法采用單頻激光器作為光源的單頻激光多普勒測速儀,通過測量由于運動物體對光的散射所產(chǎn)生的多普勒頻移量來獲取待測物體的速度。這種測速儀已經(jīng)有40多年的歷史,在很多領(lǐng)域得到廣泛應用,發(fā)展的也較為成熟,但是它也存在著直流漂移,抗干擾能力差的缺點,應用受到一定的限制。下面介紹幾種常見的單頻激光多普勒測速儀的原理及其優(yōu)缺點。2.1信號光束的頻率1965年,Barker等人發(fā)明了如圖2所示的邁克爾遜干涉型測速儀。激光器輸出的單頻激光經(jīng)前置透鏡L1入射到分束器BS上,被BS分為兩束光。其中,反射光束射到以速度u運動的待測運動物體上,透射光束射到反射鏡M1上。來自M1的反射光束的頻率為激光器自身的頻率ν,作為參考光束。由于多普勒效應,經(jīng)待測運動物體反射回來的光束的頻率變?yōu)棣?2uν/c(2uν/c為光的多普勒頻移量),作為信號光束。信號光束和參考光束經(jīng)過BS合束,經(jīng)透鏡L2準直后,由光電探測器接收,光電探測器輸出的拍頻信號的頻率為:fD=2uνc(2)fD=2uνc(2)于是,可以得到待測物體的速度u:u=c2νfD(3)由式(2)可知,這種測速儀產(chǎn)生的信號頻率與待測運動物體的速度成正比,由于光頻很高,樣品速度不高時也會產(chǎn)生很高的信號頻率,對信號檢測系統(tǒng)的帶寬會有較高的要求。此外,激光器頻率的不穩(wěn)定也會導致測量精度的降低,還存在光路調(diào)節(jié)難度大的缺陷,應用受到很大的限制。2.2兩束光法基于bs2為了能夠降低對信號檢測系統(tǒng)帶寬的要求,需要有效降低測量信號的頻率。1969年D.Simpson和P.R.Smy設(shè)計了如圖3所示的差分混頻單頻激光多普勒測速儀。其中,激光器輸出頻率為ν的單頻激光,經(jīng)過一塊平面平行平晶分束器BS1分束后,與透鏡L1一起形成夾角為Δα的兩束光,二者同時入射到以速度u運動的待測物體表面。從樣品反射回來的兩束光均具有多普勒頻移,經(jīng)透鏡和平面平行平晶BS2合束后,由光電探測器D接收。兩束光和待測運動物體的夾角相差一個角度Δα,那么二者產(chǎn)生的多普勒頻移量是不同的。由多普勒效應可知,光電探測器D輸出的拍頻信號的頻率為:fB=2uνc[sin(α+Δα)-sinα](4)由于Δα很小,式(4)可近似為:fB=2uνccosα?Δα(5)由式(5)可知,在這種測速方法中,可以通過選擇合適的α和Δα,來降低測得拍頻信號的頻率,從而降低對檢測系統(tǒng)帶寬的要求。但是這種技術(shù)在實際應用中存在著局限,由于角度Δα很小,精度很難控制,從而會引起速度的測量誤差。在實際應用中,利用這種測速儀只能測量很低的速度,應用受限。2.3光電探測器的誤差拍頻率的確定單頻激光速度干涉儀是為克服接收系統(tǒng)頻響不夠高的缺點而研究出來的一種激光多普勒測速儀,它的測量原理如圖4所示。激光器發(fā)出的頻率為ν的光照射到以速度u運動的待測運動物體上,從運動物體上反射回來的光束經(jīng)分束器BS1分成兩束,其中,反射光束經(jīng)過由反射鏡M1和M2組成的延遲支路后,與BS1的透射光束經(jīng)第二個分束器BS2合束后送入光電探測器D。在光電探測器D中發(fā)生混頻的兩個頻率的光對應于不同時刻的信號光。當樣品速度有變化時,二者的多普勒頻移量是不同的。由多普勒效應可知,在時刻t,光電探測器輸出的差拍信號的頻率為:fB(t)=2νc[u(t)-u(t-τ)](6)由式(6)可知,單頻激光速度干涉儀的光電探測器輸出信號的頻率是對應兩個時刻信號光的差拍頻率。當速度變化特別大時,可以通過減小時間τ,使速度變化引起的差拍頻率在檢測系統(tǒng)的頻響范圍內(nèi)。從系統(tǒng)頻響的角度來看,單頻激光速度干涉儀測量高速運動物體速度的能力是不受限制的,很好地解決了系統(tǒng)頻響不夠高的問題。但是,單頻激光速度干涉儀是對加速度敏感的,當物體勻速運動時,光電檢測器輸出的信號頻率為零,只有速度有變化時才會有拍頻信號,不能測量勻速運動物體的速度。這種測速儀在本質(zhì)上是一種加速度測量儀,不是速度測量儀,從而限制了它的應用范圍。2.4光疊加預處理VISAR是VelocityInterferometerSystemforAnyReflector的簡稱,即為可測量任意反射表面的速度干涉儀,它的測速原理如圖5所示,激光器發(fā)出的光經(jīng)帶孔反射鏡M1、前置透鏡L1和光線轉(zhuǎn)折反射鏡M2照射到運動物體上,從運動物體上返回的散射光由同一透鏡L1收集,通過由透鏡L2和L3組成的望遠鏡系統(tǒng)縮束后經(jīng)過起偏器P,由分束器BS1分束。其中,BS1的透射光由分束器BS2分為兩束,其中一束通過標準具延遲后返回分束器BS2,與M3反射的另一束光疊加,由偏振分束器PBS分束后,相位相差π/2的S偏振光和P偏振光分別由光電探測器D2和D3接收,形成兩套正交編碼信號。BS1上的反射光經(jīng)過由M5,M6,M7和M8組成的延遲支路延遲后,與信號光路等光程,由光電探測器D1接收,用于檢測激光束光強的變化,可以用于在數(shù)據(jù)處理時消除激光器光強波動引起輸出信號幅度的變化,提高測量精度。VISAR能夠測量任意反射表面的關(guān)鍵是采用了滿足虛擬零程差條件的標準具來形成信號光的延遲支路。滿足虛擬零程差條件的標準具可以實現(xiàn)以下功能:可以使BS2的透射光束經(jīng)過標準具延遲后對于BS2的表觀光路和BS2的反射光束的光路相對于BS2對稱,并且,經(jīng)過標準具的光具有一定的延遲,和反射光束對應于不同時刻的光信號,形成速度干涉儀。滿足虛擬零程差的速度干涉儀可以測量任意反射表面的原理如下:待測運動物體表面的激光光斑內(nèi)含有很多散射顆粒,由于散斑效應,從待測物體反射回來的光束的波面是不規(guī)則的,不同點的相位有很大差異。當標準具滿足虛擬零程差條件時,待測物體表面不同散射點的光經(jīng)歷不同的路徑到達分束器表面時,各點的光波是自相疊加,具有恒定的相位關(guān)系,可以發(fā)生差拍干涉。另外,VISAR通過起偏器P,λ/4波片和偏振分束器PBS可以獲得兩套正交的編碼信號,可以提高測量精度,鑒別運動過程中加速和減速的變化。VISAR最大的優(yōu)點是可以測量任意反射面的待測運動物體,能夠鑒別待測物體速度的加減變化過程,還具有高的時間分辨率、高測量精度、非接觸測量的優(yōu)點。但VISAR結(jié)構(gòu)復雜,造價昂貴,調(diào)試困難,難以小型化。同時,VISAR同速度干涉儀一樣是對加速敏感的儀器,本質(zhì)上是一種加速度計,不能用于勻速運動的目標的速度測量,應用受到一定的限制。2.5速度u大小的測量LDV的全稱是LaserDopplerVelocimeter,即激光多普勒測速儀。LDV是一種利用運動物體散射光的多普勒頻移來獲得速度信息的非侵入速度測量技術(shù),在流體速度測量中應用廣泛。典型的LDV的測量原理如圖6所示,激光器發(fā)出的光經(jīng)分束器BS和反射鏡M后,變成兩束平行的激光束,這兩束激光束經(jīng)透鏡L聚焦相交,確定一個測量區(qū)域。當一個以速度u運動的待測粒子通過測量區(qū)域時,兩束入射光在光電探測器方向上的散射光頻率分別為:ν1=ν[1+?u?(?es-?eo1)c](7)ν2=ν[1+?u?(?es-?eo2)c](8)其中,ν為激光器的頻率。由式(7)和式(8)可知,光電探測器輸出的拍頻信號的頻率為:fB=ν1-ν2=2uνsin(θ/2)c(9)由式(9)可知,由fB的值,可確定速度u的大小。LDV具有非接觸測量,高的空間分辨率、線性響應的優(yōu)點,但是在測量時對系統(tǒng)有一定的防震要求,需保證光學系統(tǒng)與待測系統(tǒng)無相對運動,結(jié)構(gòu)復雜、造價昂貴,使其應用受到一定的限制。2.6流體速度測量系統(tǒng)基于自混頻效應的激光多普勒測速儀[2,13,14,15,16,17,18]的裝置原理圖如圖7所示,由于激光二極管對光反饋很敏感,很少量的重注入光就會使二極管的發(fā)光特性發(fā)生敏感的效應。當待測物體以速度u運動時,由運動物體表面散射回來的一部分光注入激光二極管的諧振腔內(nèi),從而在腔內(nèi)產(chǎn)生干涉,由激光二極管后面的監(jiān)測光電二極管接收腔內(nèi)發(fā)生干涉的光信號,光電二極管輸出的是腔內(nèi)自混頻干涉信號,經(jīng)放大器放大后,由頻譜儀分析,可以得到與運動物體速度u相關(guān)的多普勒頻移量:fD=2uλ(10)其中,u為運動物體沿光軸方向的運動速度;λ為激光器的波長。由式(10)可知,可以通過測定fD,進而得到運動物體在光軸方向的速度分量。這種測速儀具有尺寸小,造價低,結(jié)構(gòu)簡單,無需嚴格的光學對準的優(yōu)點。但是,這種測速儀的幾何設(shè)置在測量流體速度時,不夠?qū)嵱?。另?利用這種測速儀還存在光斑效應,將帶來測量誤差,信號處理的難度也較大。3雙頻激光器+雙頻激光器雙頻激光多普勒測速儀不同于單頻激光多普勒測速儀,采用雙頻激光器作為光源,能夠克服單頻激光多普勒測速儀易受測量環(huán)境影響的缺點,抗干擾能力強,具有較高的信噪比。3.1多光束激光多普勒測速儀的系統(tǒng)原理正交偏振雙頻激光多普勒測速儀[19,20,21,22,23,24,25]的測量原理如圖8所示。雙頻激光器發(fā)出的光為偏振方向相互垂直的線偏振光,頻率分別為ν1和ν2(其中,ν1垂直于紙面,ν2平行于紙面)。激光器輸出光束經(jīng)分束器BS分為兩束。其中,反射光束穿過透振方向和紙面成45°的檢偏器P1后,由光電探測器D1接收,得到的拍頻信號作為參考信號,頻率為Δν=∣ν1-ν2∣。透射光束經(jīng)過偏振分光棱鏡PBS后,偏振方向相互垂直的線偏振光ν1和ν2相互分離,其中偏振方向垂直于紙面的ν1光被反射到靜止的參考角錐棱鏡M1上,偏振方向平行于紙面的ν2光穿過PBS,照射到可動角錐棱鏡M2上。當M2以速度u運動時,由于多普勒效應,返回光的頻率將會變?yōu)棣?+fD,其中,fD是ν2光的多普勒頻移量。M2的返回光重新通過PBS,并與ν1光經(jīng)M1的返回光在PBS再度會合,經(jīng)反射鏡R反射后,通過透振方向與紙面成45°的檢偏器P2,被光電探測器D2接收,得到的拍頻信號作為測量信號,頻率為∣ν1-ν2-fD∣。將參考信號與測量信號進行混頻后,可得到帶有速度信息的多普勒頻移量fD,待測速度u可由fD表示為:u=fD2ν2c(11)在這種測量方法中,D2探測到的拍頻信號頻率為∣ν1-ν2-fD∣,無論運動物體速度u是否為零(對應的fD為零),Δν始終存在,起了載波的作用,測量鏡M2的移動只是使這個頻差增加或減少,不存在單頻激光多普勒測速儀的直流漂移問題。另一方面,這種測速方法要求fD≤Δν,這就決定了外差式雙頻激光多普勒測速儀的最大測量速度取決于雙頻激光器的頻差。至今已見報道的此類測速儀所用的雙頻激光器的頻差還不夠高,限制了它們的測速范圍。例如,美國Agilent公司生產(chǎn)的外差式雙頻激光測速儀的光源采用的是頻差為4MHz的縱向塞曼雙頻激光器,其最大測速只有1000mm/s;美國ZYGO公司采用結(jié)構(gòu)更為復雜,造價更為昂貴的頻差為20MHz的聲光調(diào)制雙頻激光器作為光源,最大測速也只能達到5.1m/s;國內(nèi)生產(chǎn)的外差式雙頻激光測速儀的最大測速在300mm/s以下;均無法滿足目前對高速運動物體進行速度測量的需求。3.2雙頻激光的檢測算法由清華大學研制的HH型雙頻激光多普勒測速儀的測量原理如圖9所示。不同于正交偏振雙頻激光多普勒測速儀必須采用偏振方向相互垂直的線偏振雙頻激光器作為光源,這種測速儀既可以采用同偏振的線偏振雙頻激光器作為光源,也可以采用垂直偏振的線偏振雙頻激光器作為光源。圖9是采用同偏振的線偏振雙頻激光器作為光源的情況。激光器發(fā)出的雙頻激光為偏振方向相同的線偏振光,頻率分別為ν1和ν2,頻差Δν=∣ν1-ν2∣。輸出光經(jīng)分束器BS分為兩束光。一束反射光由光電探測器D1接收,測得的拍頻信號fD1作為參考信號。另一束透射光照射到以速度u運動的待測物體上,經(jīng)待測物體反射后,光束中兩個頻率的光產(chǎn)生不同的多普勒頻移,反射光由光電探測器D2接收,測得的拍頻信號fD2