基于三角波電流調制的激光自混合多維速度測量裝置及方法，包括激光器、光纖、光纖分束器、光纖聚焦器、光電探測器及信號處理電路組成，采用三角波電流調制、多路不同光程結構以及帶通濾波信號處理電路等組成激光自混合傳感系統，采用單個激光器和探測器實現多維速度大小和方向的準確在線測量。本發明專利技術結構簡單、易于調節、成本低、空間分辨率高，有效拓展了基于激光自混合效應的速度傳感方法，特別是為遠距離物體三維運動速度的非接觸在線監測提供了可靠的解決方案。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種，特別適用于水體流速、固體顆粒物運動速度的快速非接觸測量。
技術介紹
對于復雜的多維運動速度測量，目前被證明較為有效的是激光多普勒測速技術。激光多普勒測速技術具有非接觸性、響應快、空間分辨率高等優點，廣泛應用于流體力學、化工、水利、生物醫藥、環境等諸多領域的流速測量，特別是三維流動速度的測量?！ぴ诩す舛嗥绽斩嗑S速度測量技術中，主要采用參考光束型的系統結構方案。通過入射激光和參考激光的相干疊加分別得出不同方向上的多普勒頻移，即對應不同方向上的多維速度分量。但由于采用多個分光器件和探測器，并需將光程差保持在激光相干長度之內，存在系統復雜、光路很難調整等問題而很難得到充分的發展和應用。隨后，逐步發展了采用多譜線激光器和聲光調制器等方案，在系統結構和信號分離方面均有所改進，同時也產生了新的問題多譜線激光器價格昂貴、壽命短，不利于推廣應用；聲光頻移裝置的頻移幅度有一定限制，引入的分光器件提高了系統的復雜程度。由激光多普勒技術發展而來的激光自混合技術(即激光器的出射光經外部物體散射或反射后，部分光反饋回激光腔形成新的諧振，通過測量激光功率、頻率的變化來獲取外部物體運動、形貌等信息的測量技術)，具有系統結構簡單、易于調節且不受激光器功率波動影響等優點，可廣泛應用于速度、位移、距離等物理量的高精度測量。但是，在多維速度測量方面，由于激光自混合測量系統一般均采用內置探測器，多維速度分量相互疊加，同樣存在速度分量信號無法提取、方向無法識別等問題。理論上，多套激光自混合系統同時在不同的方向或位置上進行激光自混合傳感，即可實現多維或多點傳感。1998年，法國的T. Bosch教授率先采用掃描方案實現三維面型的準確測量，隨后又采用兩個激光器實現較高精度的固體表面二維速度測量。2008年，意大利巴里大學的S. Ottonelli等采用三個獨立的DFB激光器作為光源，成功研發了能同時測量三個自由度的激光自混合傳感系統。2010年，澳大利亞的Yah Leng Lim則采用1*12的垂直腔面發射激光器陣列實現多點流速的實時測量。但是，除了系統的復雜性增大和成本上升以外，面臨的主要問題還在于①多套單通道激光自混合系統的信號漂移和光源調制特性無法一致。激光自混合效應的測量都是基于對激光輸出光強的探測，而光強對外界環境、抽運水平是敏感的，不同的信號漂移使多套系統的測量結果受到很大的影響，無法避免的測量誤差將妨礙準確地獲取多維速度或多點位移的實時變化過程和高階相關性；②多系統同時測量時很難實現信號的同步檢測，即同一點三維速度等物理量的準確測量很難實現
技術實現思路
本專利技術的技術解決問題克服現有技術的不足，提供，在保持了激光自混合系統的結構簡單、易于調節等優點的同時，通過采用三角波電流調制、多路不同光程結構以及帶通濾波信號處理方法等，使用單個激光器和探測器，無需聲光調制器件，實現目標物多維運動速度的非接觸高分辨率測量。本專利技術的技術解決方案基于三角波電流調制的激光自混合多維速度測量裝置，包括光電探測器I、激光器2、激光器調制模塊3、第一光纖4、光纖分束器5、第二光纖6、第三光纖7、第四光纖8、第一光纖聚焦器9、第二光纖聚焦器10、第三光纖聚焦器11、待測運動物體12、微分放大電路13、三通道濾波器組14、三通道計數器組15、計算機16，所述激光器調制模塊3對激光器2進行三角波電流調制，以實現多維速度方向的準確判別，激光器2出 射的激光耦合到第一光纖4中并傳輸到光纖分束器5，光纖分束器5將激光分為三束，經第二光纖6和第一光纖聚焦器9的激光從第一維度以一定角度入射到待測運動物體12上，經第三光纖7和第二光纖聚焦器10的激光從第二維度入射到待測運動物體12上，經第四光纖8和第二光纖聚焦器11的激光從第三維度入射到待測運動物體12上，其中第二光纖6、第三光纖7和第四光纖8的長度各不相同在三角波電流調制下即可實現多維速度信號的準確區分，多路入射激光經待測運動物體12散射后，一部分散射光按各自光路反饋回激光器2，產生激光自混合效應。發生激光自混合效應后的激光被光電探測器I接收，并經過微分放大電路13放大，隨后經過三通道濾波器組14和三通道計數器組15濾波和計數，單位時間內計數數目即為相應的頻率值，分別將各通道信號上升沿和下降沿的頻率V是希臘字母，現代物理學中頻率的符號，和V不同。)和V 送入計算機16處理后得到各維度速度大小及方向，速度V的計算公式為V — I V 上升 _ V 下降 I · λ其中，λ為激光器輸出激光波長，各光纖聚焦器所在光路的光強變化分量上升沿頻率大于下降沿頻率時待測運動物體12的運動速度方向與激光出射方向相同，各光纖聚焦器所在光路的光強變化分量上升沿頻率小于下降沿頻率時待測運動物體12的運動速度方向與激光出射方向相反。所述光電探測器I為激光器2的內置或外置探測器。采用內置探測器可以簡化系統并提高探測激光自混合信號的靈敏度。所述激光器2選用電流波長調制系數高的單縱模半導體激光器，半導體激光器的電流波長調制系數宜超過O. Inm/mA,易于進行三角波電路調制，單縱模工作則可以避免不同模式疊加弓I起的波形分立現象，從而提高系統測量精度。所述激光器調制模塊3以三角波電流調制方式工作，以實現多維速度方向的準確判別。所述光纖分束器5根據實際需要選用具有相應出射光纖數的分束器，對于三維速度測量則選用1X3單模光纖保偏分束器，各束出射光強可按比例均分。所述第二光纖6、第三光纖7、第四光纖8的長度L2、L3> L4各不相同，具體根據各自對應維度上的速度測量范圍確定。第一光纖聚焦器9、第二光纖聚焦器10、第三光纖聚焦器11各自對應測量維度上的最大速度分別為V2max、V3max、V4max時，權利要求1.基于三角波電流調制的激光自混合多維速度測量裝置，其特征在于包括光電探測器(I)、激光器(2)、激光器調制模塊(3)、第一光纖(4)、光纖分束器(5)、第二光纖(6)、第三光纖(7)、第四光纖(8)、第一光纖聚焦器(9)、第二光纖聚焦器(10)、第三光纖聚焦器(11)、待測運動物體(12)、微分放大電路(13)、三通道濾波器組(14)、三通道計數器組(15)、計算機(16)，所述激光器調制模塊(3)對激光器(2)進行三角波電流調制，以實現多維速度方向的準確判別，激光器(2)出射的激光耦合到第一光纖(4)并傳輸到光纖分束器(5),光纖分束器(5)將激光分為三束,經第二光纖(6)和第一光纖聚焦器(9)的激光以一定角度入射到待測運動物體(12)上，經第三光纖(7)和第二光纖聚焦器(10)的激光從第二維度入射到待測運動物體(12)上，經第四光纖(8)和第二光纖聚焦器(11)的激光從第三維度入射到待測運動物體(12)上，其中第二光纖(6)、第三光纖(7)和第四光纖(8)的長度各不相同在三角波電流調制下即實現多維速度信號的準確區分，多路入射激光經待測運動物體(12)散射后，一部分散射光按各自光路反饋回激光器(2)，產生激光自混合效應；發生激光自混合效應后的激光被光電探測器(I)接收，并經過微分放大電路(13)放大，隨后經過三通道濾波器組(14)和三通道計數器組(15)濾波和計數，單位時間內計數數目即為相應的頻率值，分別將各通道信號上升沿和本文檔來自技高網...
【技術保護點】
基于三角波電流調制的激光自混合多維速度測量裝置，其特征在于：包括光電探測器（1）、激光器（2）、激光器調制模塊（3）、第一光纖（4）、光纖分束器（5）、第二光纖（6）、第三光纖（7）、第四光纖（8）、第一光纖聚焦器（9）、第二光纖聚焦器（10）、第三光纖聚焦器（11）、待測運動物體（12）、微分放大電路（13）、三通道濾波器組（14）、三通道計數器組（15）、計算機（16），所述激光器調制模塊（3）對激光器（2）進行三角波電流調制，以實現多維速度方向的準確判別，激光器（2）出射的激光耦合到第一光纖（4）并傳輸到光纖分束器（5），光纖分束器（5）將激光分為三束，經第二光纖（6）和第一光纖聚焦器（9）的激光以一定角度入射到待測運動物體（12）上，經第三光纖（7）和第二光纖聚焦器（10）的激光從第二維度入射到待測運動物體（12）上，經第四光纖（8）和第二光纖聚焦器（11）的激光從第三維度入射到待測運動物體（12）上，其中第二光纖（6）、第三光纖（7）和第四光纖（8）的長度各不相同在三角波電流調制下即實現多維速度信號的準確區分，多路入射激光經待測運動物體（12）散射后，一部分散射光按各自光路反饋回激光器（2），產生激光自混合效應；發生激光自混合效應后的激光被光電探測器（1）接收，并經過微分放大電路（13）放大，隨后經過三通道濾波器組（14）和三通道計數器組（15）濾波和計數，單位時間內計數數目即為相應的頻率值，分別將各通道信號上升沿和下降沿的頻率ν上升和ν下降送入計算機（16）處理后得到各維度速度大小及方向，速度V的計算公式為：V＝|ν上升?ν下降|·λ其中，λ為激光器輸出激光波長，各光纖聚焦器所在光路的光強變化分量上升沿頻率大于下降沿頻率時待測運動物體（12）的運動速度方向與激光出射方向相同，各光纖聚焦器所在光路的光強變化分量上升沿頻率小于下降沿頻率時待測運動物體（12）的運動速度方向與激光出射方向相反。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：桂華僑，王杰，程寅，陸亦懷，劉建國，張靜，
申請(專利權)人：中國科學院合肥物質科學研究院，
類型：發明
國別省市：
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