一种基于不同入射角的激光多普勒测速方法及系统

专利名称：一种基于不同入射角的激光多普勒测速方法及系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210549909.7

专利申请（专利权）人：中国人民解放军国防科技大学
权利人地址：湖南省长沙市开福区德雅路109号

专利发明（设计）人：周健,席崇宾,聂晓明,王琦,金世龙,黄荣,陈兰剑,向志毅

专利摘要：本发明公开了一种基于不同入射角的激光多普勒测速方法及系统，利用两束激光以不同的入射角照射运动表面，由两个探测器分别接收沿入射光相反方向的散射光信号。包含多普勒信息的散射光信号与参考光在探测器表面形成拍频信号。当被测速度较大时，选择较大的入射角进行测量，当被测速度较小时，选择较小的入射角进行测量，以同时满足系统带宽和测速精度的要求。本发明应用于激光和精密测量技术领域，不仅对光源要求较低，还可以降低被处理信号的带宽，从而降低系统的硬件要求，实现在低速和高速范围内的全域测量，使测速系统不存在测量盲区。

主权利要求：
1.一种基于不同入射角的激光多普勒测速方法，其特征在于，包括如下步骤：采用分光结构将激光器的输出激光分束为第一激光与第二激光，并将第一激光分束为第一参考光与第一测试光，将第二激光分束为第二参考光与第二测试光；
将第一测试光以第一入射角θ1照射至运动表面，将第二测试光以第二入射角θ2照射至运动表面，其中，θ1>θ2；
采用第一探测器接收第一参考光以及第一测试光相反方向的第一散射光信号，使第一参考光与第一散射光信号在第一探测器表面产生第一拍频信号；采用第二探测器接收第二参考光以及第二测试光相反方向的第二散射光信号，使第二参考光与第二散射光信号在第二探测器表面产生第二拍频信号：当运动表面的被测速度大于或等于速度阈值时，基于第一拍频信号得到运动表面的被测速度；
当运动表面的被测速度小于速度阈值时，基于第二拍频信号得到运动表面的被测速度。
2.根据权利要求1所述基于不同入射角的激光多普勒测速方法，其特征在于，所述速度阈值为200km/h。
3.根据权利要求1或2所述基于不同入射角的激光多普勒测速方法，其特征在于，所述基于第一拍频信号得到被测速度具体为：所述第一拍频信号的多普勒频率为：
式中，fD1为第一拍频信号的多普勒频率，V为运动表面的运行速度，θ1为第一测试光方向与速度方向的夹角，λ为激光的波长；
因此得到运动表面高速状态下的被测速度，为：
式中，V1为运动表面高速状态下的被测速度， 为第一测速灵敏度。
4.根据权利要求1或2所述基于不同入射角的激光多普勒测速方法，其特征在于，所述基于第二拍频信号得到被测速度具体为：所述第二拍频信号的多普勒频率为：
式中，fD2为第二拍频信号的多普勒频率，V为运动表面的运行速度，θ2为第二测试光方向与速度方向的夹角，λ为激光的波长；
因此得到运动表面低速状态下的被测速度，为：
式中，V2为运动表面低速状态下的被测速度， 为第二测速灵敏度。 说明书 : 一种基于不同入射角的激光多普勒测速方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及激光和精密测量技术领域，具体是一种基于不同入射角的激光多普勒测速方法及系统。背景技术[0002] 激光多普勒测速仪(LaserDopplerVelocimeter,LDV)是一种高精度的速度传感器，测速精度可达0.1％，测速精度稳定。此外它还具有无接触测量、空间分辨率好、动态性能好、方向灵敏度高等众多优点，被广泛用于流体速度以及固体表面的振动、速度、位移等物理参量的测量中。但传统的激光多普勒测速仪受限于信号处理系统的带宽，无法满足超高速运动的测量需求。[0003] 现有的超高速测量方法存在各种缺陷和不足，具体地：[0004] 双频激光器测量方法适用于高速测量，但该方法依赖于双频激光器，而双频激光器成本高且现有双频激光器光源频差较小，导致速度测量灵敏度低，低速测量时误差较大。[0005] 光子多普勒测速仪(PhotonDopplerVelocimetry,PDV)采用单模激光器实现超高速测量，利用高带宽和高采样率的示波器对多普勒信号进行采集处理，系统体积大，结构复杂，成本高昂。而且该方法只能测量物体沿探头轴向的运动速度，当被测物体运动方向偏离探头轴向时测量误差迅速增大，这在一些安装条件受限的应用中是无法接受的。[0006] 边缘技术通过利用F‑P标准具等已知透过率特性的边带滤波器，将激光频率的变化转化为光强变化信息，再将探测到的光强变化信息转化为多普勒频率信息，从而得到被测速度。该方法对光源和光学系统的要求易于满足，但采用该方法时进入系统的噪声功率大、测速精度和测速灵敏度低、测速范围有限，而且激光模式跳动、光斑形状及强度分布对标准具透过率曲线有很大影响。[0007] 条纹成像技术通过F‑P标准具和成像系统记录条纹空间位置随时间的变化，利用条纹的几何位移确定散射信号的多普勒频移，原理简单，量程大，时间和空间分辨率高。但该方法不适于低速测量，且目前较为普遍的阵列探测器不利于对环形条纹的移动进行测量，光学系统复杂且成本昂贵。发明内容[0008] 针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于不同入射角的激光多普勒测速方法及系统，降低了对测速系统带宽和光源要求，大大降低了系统成本。[0009] 为实现上述目的，本发明提供一种基于不同入射角的激光多普勒测速方法，包括如下步骤：[0010] 采用分光结构将激光器的输出激光分束为第一激光与第二激光，并将第一激光分束为第一参考光与第一测试光，将第二激光分束为第二参考光与第二测试光；[0011] 将第一测试光以第一入射角θ1照射至运动表面，将第二测试光以第二入射角θ2照射至运动表面，其中，θ1>θ2；[0012] 采用第一探测器接收第一参考光以及第一测试光相反方向的第一散射光信号，使第一参考光与第一散射光信号在第一探测器表面产生第一拍频信号；采用第二探测器接收第二参考光以及第二测试光相反方向的第二散射光信号，使第二参考光与第二散射光信号在第二探测器表面产生第二拍频信号：[0013] 当运动表面的被测速度大于或等于速度阈值时，基于第一拍频信号得到运动表面的被测速度；[0014] 当运动表面的被测速度小于速度阈值时，基于第二拍频信号得到运动表面的被测速度。[0015] 在其中一个实施例，所述速度阈值为200km/h。[0016] 在其中一个实施例，所述基于第一拍频信号得到被测速度具体为：[0017] 所述第一拍频信号的多普勒频率为：[0018][0019] 式中，fD1为第一拍频信号的多普勒频率，V为运动表面的运行速度，θ1为第一测试光方向与速度方向的夹角，λ为激光的波长；[0020] 因此得到运动表面高速状态下的被测速度，为：[0021][0022] 式中，V1为运动表面高速状态下的被测速度， 为第一测速灵敏度。[0023] 在其中一个实施例，所述基于第二拍频信号得到被测速度具体为：[0024] 所述第二拍频信号的多普勒频率为：[0025][0026] 式中，fD2为第二拍频信号的多普勒频率，V为运动表面的运行速度，θ2为第二测试光方向与速度方向的夹角，λ为激光的波长；[0027] 因此得到运动表面低速状态下的被测速度，为：[0028][0029] 式中，V2为运动表面低速状态下的被测速度， 为第二测速灵敏度。[0030] 为实现上述目的，本发明还提供一种基于不同入射角的激光多普勒测速系统，包括：[0031] 激光器，用于输出激光；[0032] 分光结构，位于所述激光器的输出光路上，用于将所述激光器输出的激光分束为第一激光与第二激光；[0033] 第一迈克尔逊干涉仪，位于所述第一激光的光路上，用于将所述第一激光分束为第一参考光与第一测试光，并将所述第一参考光以及运动表面上所述第一测试光相反方向的第一散射光信号反射至第一探测器；[0034] 第一探测器，用于接收所述第一参考光以及所述第一散射光信号，并产生第一拍频信号；[0035] 第二迈克尔逊干涉仪，位于所述第二激光的光路上，用于将所述第二激光分束为第二参考光与第二测试光，并将所述第二参考光以及运动表面上所述第二测试光相反方向的第二散射光信号反射至第二探测器；[0036] 第二探测器，用于接收所述第二参考光以及所述第二散射光信号，并产生第二拍频信号；[0037] 信号处理组件，与所述第一探测器、所述第二探测器电连接，用于对第一拍频信号、第二拍频信号分别进行处理，得到运动表面在超高速状态下或低速状态下的被测速度。[0038] 与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：[0039] 1、针对不同的测速范围选用不同的入射角进行测量，结构简单，降低了对系统带宽和光源要求，大大降低了系统成本；[0040] 2、可以实现低速和超高速范围内的全域测量，使测速系统不存在测量盲区。附图说明[0041] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。[0042] 图1为本发明实施例中测速方法的流程图；[0043] 图2为本发明实施例中测速系统的结构图。[0044] 附图标号：激光器1、分光结构2、准直镜组3、第一分光镜401、第一全反镜402、第一衰减片403、第一滤光片404、第一小孔光阑405、第二小孔光阑406、第一探测器5、第二分光镜601、第二全反镜602、第二衰减片603、第二滤光片604、第三小孔光阑605、第四小孔光阑606、第二探测器7、运动表面8。[0045] 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式[0046] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0047] 需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。[0048] 另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。[0049] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0050] 另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。[0051] 实施例1[0052] 本实施例公开了一种基于不同入射角的激光多普勒测速方法，该方法利用两束激光以不同的入射角照射运动表面，由两个探测器分别接收沿入射光相反方向的散射光信号。包含多普勒信息的散射光信号与参考光在探测器表面形成拍频信号。当被测速度较大时，选择较大的入射角进行测量，当被测速度较小时，选择较小的入射角进行测量，以同时满足系统带宽和测速精度的要求。[0053] 具体地，由多普勒效应可知，运动粒子的散射将会引起入射光的频率改变。因此，当同一束激光经迈克尔逊干涉仪产生参考光与测试光，测试光以入射角θ照射至运动表面产生散射，参考光与沿测试光相反方向的散射光被同一探测器接受时使得探测器表面产生拍频信号，拍频信号的频率与入射角以及被测速度的大小有关，为：[0054][0055][0056] 式中，f为拍频信号的频率，V为运动表面的速度，λ为激光的波长， 为测速灵敏度。[0057] 由上式可知，当被测速度V相同时，增大入射角θ可以减小多普勒频率。但当入射角变大时，测速灵敏度S变小，造成低速测量时误差变大。因此，当入射角θ较小时，测速灵敏度高，相同被测速度时的拍频信号频率较大，适用于低速测量。但当被测速度较大时，拍频信号频率过大会对信号处理系统的带宽提出较高的要求，此时利用较大的入射角θ进行测量，相同被测速度时可以降低拍频信号的频率，但采用大的发射角测速灵敏度较低，不适于低速测量。针对不同的测速范围，选择合适的发射角进行测量，可以实现低速和超高速范围内整个运行速度的全域测量。基于此，参考图1，本实施例中基于不同入射角的激光多普勒测速方法具体包括如下步骤：[0058] 首先，采用分光结构将激光器的输出激光分束为第一激光与第二激光，并将第一激光分束为第一参考光与第一测试光，将第二激光分束为第二参考光与第二测试光；[0059] 再将第一测试光以第一入射角θ1照射至运动表面，同时将第二测试光以第二入射角θ2照射至运动表面，其中，θ1>θ2；[0060] 第一测试光、第二测试光照射至运动表面后，运动表面将产生沿各个方向的散射光，由多普勒效应可知，散射光的频率将发生偏移；因此，采用第一探测器接收第一参考光以及第一测试光相反方向的第一散射光信号，使包含多普勒频率的第一散射光与第一参考光信号在第一探测器表面产生第一拍频信号；同时采用第二探测器接收第二参考光以及第二测试光相反方向的第二散射光信号，使包含多普勒频率的第二散射光与第二参考光信号在第二探测器表面产生第二拍频信号；[0061] 由于第一入射角θ1>第二入射角θ2，因此：[0062] 当运动表面的被测速度大于或等于速度阈值时，基于第一拍频信号得到运动表面的被测速度；[0063] 当运动表面的被测速度小于速度阈值时，基于第二拍频信号得到运动表面的被测速度。[0064] 本实施例中的速度阈值具体为200km/h，即基于第一拍频信号得到被测速度的过程具体为：[0065] 首先，第一拍频信号的多普勒频率为：[0066][0067] 式中，fD1为第一拍频信号的多普勒频率，V为运动表面的运行速度，θ1为第一测试光方向与速度方向的夹角，λ为激光的波长；[0068] 因此得到运动表面高速状态(≥200km/h)下的被测速度，为：[0069][0070] 式中，V1为运动表面高速状态下的被测速度， 为第一测速灵敏度。[0071] 基于第二拍频信号得到被测速度的过程具体为：[0072] 首先，第二拍频信号的多普勒频率为：[0073][0074] 式中，fD2为第二拍频信号的多普勒频率，V为运动表面的运行速度，θ2为第二测试光方向与速度方向的夹角，λ为激光的波长；[0075] 因此得到运动表面低速状态(<200km/h)下的被测速度，为：[0076][0077] 式中，V2为运动表面低速状态下的被测速度， 为第二测速灵敏度。[0078] 本发明中针对不同的测速范围选用不同的入射角进行测量，不仅结构简单，降低了对系统带宽和光源要求，大大降低了系统成本，还可以实现低速和超高速范围内的全域测量，使系统不存在测速测量盲区。[0079] 实施例2[0080] 参考图2，本实施例公开了一种基于不同入射角的激光多普勒测速系统，该系统主要包括：[0081] 激光器1，用于输出激光，本实施例中，激光器1可以采用单纵模固体激光器；[0082] 分光结构2，位于激光器1的输出光路上，用于将激光器1输出的激光分束为第一激光与第二激光，其中，分光结构2可以采用分光棱镜，并可以在分光结构2与激光器1之间布置准直镜组3，以对输出激光进行准直；[0083] 第一迈克尔逊干涉仪，位于第一激光的光路上，用于将第一激光分束为第一参考光与第一测试光，并将第一参考光以及运动表面8上第一测试光相反方向的第一散射光信号反射至第一探测器5；[0084] 第一探测器5，用于接收第一参考光以及第一散射光信号，并产生第一拍频信号；[0085] 第二迈克尔逊干涉仪，位于第二激光的光路上，用于将第二激光分束为第二参考光与第二测试光，并将第二参考光以及运动表面8上第二测试光相反方向的第二散射光信号反射至第二探测器7；[0086] 第二探测器7，用于接收第二参考光以及第二散射光信号，并产生第二拍频信号；[0087] 信号处理组件，与第一探测器5、第二探测器7电连接，用于对第一拍频信号、第二拍频信号分别进行处理，得到运动表面8在高速状态下或低速状态下的被测速度。[0088] 在具体实施过程中，第一迈克尔逊干涉仪包括第一分光镜401、第一全反镜402、第一衰减片403、第一滤光片404、第一小孔光阑405与第二小孔光阑406，其中，第一分光镜401位于第一激光的光路上，将第一激光在第一分光镜401上的反射光作为第一测试光，将第一激光在第一分光镜401上的透射光作为第一参考光。第一衰减片403、第一全反镜402则依次位于第一参考光的光路上，经第一分光镜401透射的第一参考光经过第一衰减片403和第一全反射镜后原路返回，经第一分光镜401反射后经过第一滤光片404、第一小孔光阑405后到达第一探测器5。经第一分光镜401反射的第一测试光经第二小孔光阑406后以角度θ1入射到运动表面，运动表面的漫反射将产生沿各个方向的散射光，其中沿第一测试光入射相反方向的散射光经过第二小孔光阑406和第一分光镜401，再由第一滤光片404滤除杂散光，再经第一小孔光阑405达到第一探测器5表面，与第一参考光一起在第一探测器5表面产生第一拍频信号。[0089] 在具体实施过程中，第二迈克尔逊干涉仪包括第二分光镜601、第二全反镜602、第二衰减片603、第二滤光片604、第三小孔光阑605与第四小孔光阑606，其中，第二分光镜601位于第二激光的光路上，将第二激光在第二分光镜601上的透射光作为第二测试光，将第二激光在第二分光镜601上的反射光作为第二参考光。第二衰减片603、第二全反镜602则依次位于第二参考光的光路上，经第二分光镜601反射的第二参考光经过第二衰减片603和第二全反射镜602后原路返回，经第二分光镜601透射后经过第二滤光片604、第三小孔光阑605后到达第二探测器7。经第二分光镜601透射的第二测试光经第四小孔光阑606后以角度θ2入射到运动表面，运动表面的漫反射将产生沿各个方向的散射光，其中沿第二测试光入射相反方向的散射光经过第四小孔光阑606由第二分光镜601反射，再由第二滤光片604滤除杂散光，再经第三小孔光阑605达到第二探测器7表面，与第二参考光一起在第二探测器7表面产生第二拍频信号。[0090] 在具体实施过程中，信号处理组件可以选择采用数据采集卡与计算机，数据采集卡与第一探测器5、第二探测器7电连接，用于采集第一拍频信号、第二拍频信号，计算机与数据采集卡电连接，用于得到第一拍频信号的频率与第二拍频信号的频率并计算出运动表面8的速度信息，实现低速和超高速状态下的全域速度测量，至于运动表面8速度信息的具体计算过程与实施例1相同，因此本实施例中不再对其赘述。[0091] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

专利地区：湖南

专利申请日期：2022-05-20

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114966729B