第１ ４卷第７期 光 学 学 报 ＡＣＴＡ ＯＰＴＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ Ｖｏ１．１４，Ｎｏ．７ １９９｛年７月 ＪｕＬｖ，１９９４ 频移分离型三维激光多普勒测速仪研究 １ ｂ ， ２ （天津大学热匿丽ｉ 天津３０００７２） 李思邦 ＴＨ Ａ擒要研究一种采用频移分离方法白哥新型三维激光多普勒测速仪（３。ＬＤＶ）．该仪器以单色｝ Ｎｅ激光器和单其光电探测器并配合简单的光学发射和接收系统即实现了三维速度分量的回对测 量．－－＋分量的速度信号由声光调 器引＾的三种光学颠移区分，通过电子滤波器完成信号的相 互分离．在光学发射系统设计中采用独特的单轴四光束结构，通过光束组合形成三组双光束差动 模式的激光多普勒测速议光路．本文中还给出了该仪器的系统设计参数并分析了轴向分量的测量 萎关 激ｔ调激忸 州多—普—勒—测一 速投． ｌ 引 言 光她声光调制器 在许多基础和应用研究领域，流场显示和测量技术的作用愈来愈重要．对于复杂流场的 流速测量，激光多普勒测速仪（ＬＤＶ） 。 的优势不仅在于其高精度、高分辨率和非接触测量， 更重要的是它可ｌ以同时测量二维或三维流速分量．现有的三维激光多普勒测速仪大多以多普 线输出的Ａｒ＋激光器为光源，采用色分离或是色分离与偏振分离以及额移分离相结合的方法 实现三维速度分量的同时测量［。 ］．由于在光学发射和散射光接收部分都需要相应的偏振分 光或滤光光路，所以这些三维激光多普勒测速仪的整体结梅很复杂．虽然三维激光多普勒测 速仪已商品化，但价格昂贵，在很大程度上限制了三维激光测速技术的应用． 本文将研究一种以光学频移分离信号的新型三维激光多普勒测速仪．该仪器采用单色 Ｈｅ—Ｎｅ激光器和单一光电探测器并配合简单的光学发射和接收系统即实现了三维速度分量的 同时测量． ２仪器的原理与构成 该三维激光多普勒测速仪的基本工作原理是用三种不同的光学额移作为三个分量速度信 号的载频，通过电子滤波器实现信号的相互分离． ２．１光学系统 图１为三维激光多普勒测速仪光学系统结构图，光路为单轴四光束非对称结构．２５ ｍＷ Ｈｅ—Ｎｅ激光器作光源，其输出光束被分束器（２）和（４）分为三束平行光．使用三只声光调制器 ＊本课题得到天津市２１世纪青年科学基金的资助． 收稿日期ｔ１９９５．年７月８日ｆ收割謦改稿日期：１９９３年１２月１０日 ＇ ；ｌ ｌ ７期 李思邦： 频移分离型三维激光多普勒测速仪研究 Ｆ扭．１ Ｏｐｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ３Ｄ ＬＤＶ ｓｙｓｔｅｍ （１）Ｈｅ Ｎｅ ；（２），（４）ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ‘（３），（５），（６）咖ｅ，ｅｌｌｓ；（７），（９）ｗｅｄｇｅｓ｛（８）ｐｒｉａｍ ｐａ ；（１０） ａ船ｍｍ Ｅ ｌｅｎｓ●（１１）ｒｃｏ．１ｙｉｎｇ ｏｐｔｉｃｇ ａｎｄ ＰＭＴ 产生所需的光学频移．声光调制器（３）由５５ Ｍ］－－Ｉｚ的频 率信号驱动，其一级衍射光由棱镜组（８）选出，零级光 沿原方向入射到发射透镜（１０）．另外两只调制器的驱动 频率分别为４５ Ｍ］－Ｉ－ｚ和６５ ＭＩ－Ｉ－ｚ，只使用它们产生的一 级衍射光 光路中的四组光楔用于调整四束光的入射方 向，使它们相互平行．四束入射光分别以Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 标识，经发射透镜后交于一点，形成测量点Ｐ．光束Ａ 未经频移，分别与光束Ｂ（频移４５ ＭＨｚ）、光束Ｃ（频移 Ｌ ６５ ＭＨｚ）、光束Ｄ（频移５５ ＭＨｚ）组合椅成三组双光束 Ｆ ·２ Ｒ￣ｌａｔｉｏｎｓ ａｍｏｎｇ ｒ－０ １，２·３）ａｎｄ 差动模式的激光多普勒测速仪光路．光束Ｂ与Ａ组合 ｉｒｌｃ￣ｄｅｎｔ ｂｅａｍｓ 用于测量位于垂直于光轴平面内的速度分量Ｖ．；光束Ｃ与Ａ组合测量另一与ｒ 位于同一平 面且与Ｖ 垂直的速度分量 第三个速度分量 ｓ由光束Ｄ与Ａ测量，速度分量 、 、 与 入射光束的对应关系如图２所示． ２．２信号检测与分离 在本文研究的三维激光多普勒测速仪中，三维速度分量是由具有不同光学频移的三组双 光束系统分别测量，因此在光学发射和接收系统都可以省去颇为复杂的偏振分光或滤光光 路，使光学系统的结构大为简化．不仅如此，三个分量的速度信号的检测用同一光电探测器 即可完成．为获得大于１ ００ Ｍ￣－Ｉｚ的频率响应和良好的信噪比，实际系统中采用ＲＣＡ４５２６光 电倍增管作光电探测器． 光电探测器既可以布置成前向接收方式如图１所示，也可以工作在后向接收模式．当散 射粒子以速度矢量ｙ通过测量体时，探测器将产生包含三个速度分量信息的复合信号，其频 谱示意图如图３所示．位于４５ ＭＩ－－Ｉｚ、６５ Ｍ］－－Ｉｚ和５５ ＭＨｚ附近的频谱分量分别对应于速度分 量Ｖ 、Ｖｚ和 出现在１０ ＭＨｚ和２０ＭＨｚ附近的频谱分量是由所引入的三种光学频移的差频 所产生，本文不讨论这一点．与速度分量Ｖ 、 和 对应的频谱成份由三个通道的带通滤波 器将它们相互分离． 一－ 图４为信号分离单元的原理框图．分离后的信号在送入相应的多普勒信号处理器之前与 频率合成器产生的本振信号进行混频，将各通道光学频移量的主要部分从该通道的信号频率 中减掉，只保留＿部分作为实际用于区分速度正负方向的频移量．图５为所记录的经分离和 光 学 学 报 ｔ４卷 ５Ｈｈ＋ｂＩ辑Ｍ№十ｂ·‘５ｉ￣－Ｉ＝＋ｈａ Ａ 直 Ｆｉｇ．４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ咄ｍ ａ１ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ ｌｉＰ Ａｍｐ－ｂａｒｇｉ－ｐａｍ ａｍｐｌｆｉｉｅｒ Ｉ Ｇｃ－ｇａｉｎ ｏｏｎｔｒＭ Ｆｉｇ．３ Ｓｌ￣ｅｔｒａ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌ 混频处理后的实测信号波形，被测对象为未经人工播粒的水流，实验中每个通道的实际频移 量均为１ ０ ｋＨｚ． 一一 Ｆｉｇ．５ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅ—ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｓｉｇｎａｌｓ （ａ）ｓ￣ｇ，ａ］ｓ ｏｆ ＣＨ１（ｔｏｐ）ａｎｄ ＣＨ２（ｂｏｔｔｏｍ），（ｂ）ＣＨ３皇ｉｌ ｌａ１（ｔｏｐ）ａｎｄ ｉｔｓ ｓｐｅｃｔｒａｍ（ｂｏｔｔｏｍ） ２．３系统设计参数 频移分离型三维激光多普勒测速仪的光学及系统参数分别列于表１和表２－ Ｔａｂｌｅ １．Ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｔａｂｌｅ ２，Ｓｙｓｔｅｍ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｈｅ ３Ｄ ＬＤＶ ｓｙｓｔｅｍ ＴｒａｎｓｍｉＲｉｇ ｏｐｔｎｉｃｓ Ｃａｒｒｉｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｉ．ｅ． Ｂｒａｇｇ ｃ￣１１ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ Ｆｒｅｑｔｍｎｃｙ ｓｈｉｆｔｓ： ＣＭｌ，ＣＨｚ ＣＭ Ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ： ［ａｓｅｒ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ６３２．８ ｎｍ ４５ＭＨｚ，５５ＭＨｚ，６５ＭＨｚ ｆｏｃａｌｌｅｎ窖ｔｈ ｂｅａｍ ｓｐａｃｉｎｇ ｒ ｒ ３００ｍｍ ２５Ⅱ１Ⅱｌ １２．５ ｍｍ ３７．５ｍｍ ｆｒｏｍＢｔｏＣ ｆｒｏｍＡｔｏ ａｘ ｆｒｏｍＤｔｏ ａｘｉｓ １０ ｋＨｚｔｏ ２Ｍ］＇Ｉｚ（Ｂ ｓｔｅｐｓ） 土１０ ｋＨｚｔｏ土２ＭＨｚ（１６ ｓｔｅｐｓ） Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｏｐｔｉｃｓ＆ＰＭＴ ｆｏｃａｌ Ｌｅｎｇｔｈ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｎ，ｒ２ ２００ ｐｍ １００ＭＨｚ ｒ３ ２０．５０ ｍ／ｓ～＋６４．５０ ｍ／ｓ ３０．６０ ｍ／ｓ～＋３０．６０ ｍ／ｓ ｂｏａｘｄｗｉｄｔｈ Ｍｅａｓｕｘｉｇ ｖｏｌｕｍｅ ｎｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｘ，Ｙ Ｚ ｆｒｉｎｇｅ ｓｐａｃｉｎｇ： ｛ ｊｕＵ ≤２Ⅱ１Ⅱｌ １０．７５ｍ ７．６５ｍ ３误差分析与测量精度 ３．１三维速度分量的坐标变换 被测速度分量ｎ、 、ｒａ是由信号处理器输出的频 率测量值＾、＾、，：通过下面的关系式计算得到： ＣＨ１．ＣＨ２ ＣＨ３ ７期 李恩邦： 频移分离型三维激光多普勒测速仪研究 式中 （ 一１，２，３）为各通道实际的频移量是已知值； 为激光波长； 、如、巩分别为光束Ｂ与 光束ｃ与 、光束Ｄ与 在测量点处的交角．由图２可以看到，速度分量ｎ、ｒ：、 是非正 Ｉ 小：｝１／、 Ｊ ｌ＿ｃｔｇ ／、Ｔ１／、 —ｃｔｇ ／ ｏ ｌ ：ｌ， ｃｓｃ 一 （２） 式中 是坐标轴 与 之间的夹角．将（１）式代入，得 ｊ ｌ—ｌ ／、 ：／、 ０ ｌ＾一 ｌ （３） Ｊ ｌ一 ｔｇ ／、Ｔ一 ｔｇ ／、 盹ｃｓｃ 一 式中所包含的变换矩阵元素值完全由光学系统的参数决定．由表１所给出的光学参数计算出 『０ ｌ ７．６ ７．６Ｏ 。 ．３６ ９０ ２４Ｊ． Ｌ－９１．３６ 一 ９１ ０］（０（ｍ／ｓ／ＭＨｚ）． ｌ对于单光轴三维激光多普勒测速仪，人们最关心的是沿光轴方向速度分量的测量精度． 在本文研究的三维激光多普勒测速仪中，轴向速度分量 是由测得的速度分量 、 、 台 一一Ｖ Ｌ Ｃｔｇ ／、 一 ２ｃｔ县 ／、 ＋Ｖ３ｃｓｃ （４） 因此，Ｖ ，Ｉ ，和 ｓ的测量误差都会影响 ；的测量精度．如果设ｎ、 、 的测量标准偏差分 如果三个通道采用相同精度的信号处理器，可以认为 一 ｚ— ｓ一盯．由（４）、（５）两式可推 导出 的表达式： 拍 ／ 一（１＋２ ｃｔｇ ）Ｍ． （６） 随 的变化关系曲线如图６所示．很显然，轴向分 量的测量标准差 总是大于直接测量速度分量的标准 差，而且受 与 之间夹角 的影响很大．对于表１中 的参数，计算出的 比 大十倍左右，这表明轴向分量 的测量精度比其它分量低很多． 提高轴向分量测量精度的直接方法是使用具有较 高频率测量精度的多普勒信号处理器．另￣１＂－－种有效的 Ｆ＿呕．６ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ 方法是加大 与ｒ，的夹角 ，＿这可以由更换短焦距的 ｔｈｅ ＯＺｌ－ａ姐ｓ ｖｅｌｏｃｌｔｙ ｃｏｍｐｏｎｅｚｔｔ ｗｉｔｈ 发射透镜来实现．基于这种考虑，实际系统中另外设计 ｔｈｅ ａｒ－ｇ１ｅ ｂＣｔｔ．Ｖｔ￣ｎ Ｖ３ ａｎｄ 光 学 学 报 １ ４卷 了焦距为１ ５０ ｍｍ的发射透镜 结论本文研究了一种利用频移分离方法构成的新型三维多普勒测速仪．该仪器仅使用单 色Ｈｅ—Ｎｅ激光器和单只光电探测器就实现了三维速度分量的同时测量．系统中引入光学频移 可以消除各速度分量的“方向模糊”．分析表明，该三维激光多普勒测速仪系统的轴向速度分 量的测量精度与另两分量相比要低很多，这可以通过改变光学参数，比如发射透镜的焦距， 而使轴向分量的测量精度得以提高． 参［１］Ｆ．Ｄｕｒｓｔ，Ａ．Ｍｅｌｌｉｎｇ，Ｊ．Ｈ．Ｗｈｉｔｅｌａｗ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９８１） 考文献 ＡＣａｄｅｍｉｃ ｐｒｅｓｓ， 酣ａｎｄ ａ 擗ｏｙ Ｌ邮 Ｄｏ￣／ｅｒ 唧。仃 ［２ｊ Ｌ．Ｅ．Ｄｒａｉｎ， Ｌ∞ Ｔｅｃ￣ｉｑｕｅ．ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ， Ｃ￣ｉｅｈｅｓｔｅｒ（１９８０） ［３］Ｊ．Ｈａｌｌｅｒｍｅｉｅｒ，Ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ａ ３－Ｄ ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｓｔｕｄｙ￣ｇｒａｖｉｔｙ ｗａｖ￣．￣ｉ－ｎ ｓｈａｌｌｏｗ ｗａｔｅｒ． ０ ，１９７３，１２ ｌ ２９４￣３００ ［４］Ｔ．Ｓａｔｏ，０．Ｓａｓａｋｉ，Ｎｅｗ ３－Ｄ ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ ｕｓｉｎｇ ｃｒｏｓｓ—ｂｉｓｐｅｃｔｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ·却 ·卿￡·，１９７８，１７ ３８９０～３８９３ ｒ５］Ａ．Ｂｏｕｔｉｅｒｔ ｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｌａｓｅｒ ｖｅｌｏｃｉｍｅ￣ｙ：Ａ ｒｅｖｉｅｗ．ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏ．ｆ ２ａｄ ｔｎｔｅｒｎａｔｕ￣ｑｌ却仇 ｍ。，‘ ｔ∞ｚ‘呻８ ｏ．ｆ Ｌａｓｅｒ 嬲Ⅲ 删叩ｔｏ Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｌｉｓｂｏｎ（１９８４） ［９３ Ｐ．Ｂｕｃｈａｖｅ．Ｔｈｒ￣ｅ－ｅｏｍｐｏｎｅｎｔ ＬＤＡ ｍｅａｓｕｒｅ￣ｎｅｎｔｓ．ＤＩＳＡ Ｉｎ．ｆｏｒｍａｔｉｏｎ·１９８４，２５ ｌ ３～９ ［７３ ＬＤＶ Ｓｙｓｔｅｍ ９１００—１１，Ｂｒｏｃｈｕｒｅ（１９８４），Ｔｈｅｒｍｏ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｃ．· Ｔｈｒｅｅ—Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｅｉｍｅｔｅｒ Ｕｓｉｎｇ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｌｉ Ｅｎ－ｂａｎｇ （ 咖耐 ｍ Ｅｎｅｒｇｙ 珈 嘞 ｒ啪 ， ３０００７２，（ ｍ） （Ｒｅｃｅｉｖｅｄ １９９３；ｒｅｖｉｓｅｄ ｒ９９３） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｎｅｗ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｖｅｌｃｉｏｍｅｔｅｒ（３Ｄ ＬＤＶ）ｂｙ ｏｎｌｙ ｕｓｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｖｅｌｃＩｐｅｄ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｍ１３ｏｎｅｎｔｓ ａｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｃｏｌｏｒ Ｈｅ—Ｎｅ ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｏｎｅ ｐｈｏｔｏ— ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｓｉｅｐｉｅ ｔｒｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｏｐｔｉｃｓ．Ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｒｅ ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｅｄ ｂｙ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔｓ ｎｔｉｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｒｅｅ Ｂｒａｇｇ ｃｅｌｌｓ，ａｎｄ ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｂｙ ｂａｎｄ—ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒｓ．Ａ ｎｏｖｅｌ ａｎｄ ｓｉｍｐｌｅ ｆｏｕｒ－ｂｅａｍ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｎｇ ｏｐｔｉｉｃｓ ｗｈｉｏｈ ｃｏｎｔａｉｓ ｔｈｒｅｅ ｓｅｔｎｓ ｏｆ ｄｕａｌ—ｂｅａｍ ＬＤＶ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ３Ｄ ＬＤＶ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｎ—ａｘｉｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｖｅｌｃｉｏｍｅｔｅｒｙ，ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ， ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ， ａｃｏｎｓｔｏ－ｏｐｔｉｃ（Ｂｒａｅ，ｇ）ｃｅｌｌ，
