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固体激光多普勒测速仪的设计 固体 激光 多普勒 测速仪 的 设计重庆大学 硕士 学位论文 (学术学 位)学生姓名 :陈益 萍 指导教师 :汪 涛 副 教授 专 业 :光学 工程 学科门类 :工 学 重庆大学 物理学院 二 O 一 三年四 月 Design of Solid Laser Doppler VelocimetryA Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master s Degree of Engineering By Chen Yiping Supervised by Associate Prof.WangTao Specialty :Optical EngineeringCollege of Physics ofChongqing University, Chongqing, China April, 2013重庆大学硕 士学位论 文 中文摘要摘 要激 光 多 普勒 测 速技 术 是测量 运动 物 体速 度 的非常 重 要 的方 法 之一 。 激光 多 普勒 测 速仪 以 其测 速 精度 高、 测 速范 围 广、 空间分 辨 率高 、 动态 响 应快 、非 接 触 测量等优点正快 速地发展 成为众多 领域中 极 其重 要的测速装置 。 因此对于该测速技术的研究具有十分重 要的意义 论文首先介绍了激光多普勒测速技术的历史 发展、 国 内和国 外的应用情况 , 然后阐述了激光多普勒测速基本原理和光路模式,基于多普勒测速原理和通过对几种光路模式的对比,和 对元器件的分析、选型以及参数设置 ,设计了测速系统的双光束- 双散射光路结构、光收集装置、前置放 大电路和滤波电路。论文接着 介绍了多普勒信号处理的几种重要方法, 对比分析后采用了快速傅里叶变换 FFT 方法。基于该方法设计了 DSP 数字信号处理模块 ,主 要包括中央处理器、A/D 模数转换器和 FIR 滤波器的设计。 中央处理器 的数据采 集和处理模块设计采用的是基于美国德州仪器的 TMS320C6713 与 1420 芯 片, 能进行实时、快速的信号处理。 最后, 在实验室搭建了一个多普勒测速 LDV 装 置来测量固体的运动速度,运动固体采用的是转盘。通过这个装置, 成功地测出了转盘的速度, 且具有一定的精确度, 达到了测量运动的固体速度的目的 ,且验证了所设计的整个测速 装置的可行性。关键 词: 多普勒测速 ,散射,DSP ,FFT I 重庆大学硕 士学位论 文 英文摘要ABSTRACTLaser Doppler velocimetry is one of the most important ways of measuring the velocity of the moving object. Doppler velocimetry ,with its high measurement precision, wide speed range, high spatial resolution, fast dynamic response, non-contact measurement, etc. are rapidly developing to become extremely important speed measuring device in many areas. Therefore it is of great significance for the study of the velocimetryFirstly the paper introduces the historical development of,laser Doppler velocimetry and its domestic and foreign applications. And then the paper expounded the basic principles and the optical path mode of laser Doppler velocimetry.Based on the principle of Doppler velocimetry and comparison of several optical path modeS and components analysis, selection and parameter setting, we designed a dual beam - double scattering optical structure, the light collection device, pre-amplifier and filter circuit.The paper then introduces several important methods of the Doppler signal processing,and adopted Fast Fourier Transform FFT after comparative analysisBased on this method ,a DSP digital signal processing module was designed, which included a central processor, A / D analog-to-digital converter and the FIR filter. Data acquisition and processing module of the central processor design is based on the Texas Instruments TMS320C6713 and 1420 chip,which is of real-time and fast signal processingFinally, a Doppler velocimetry LDV apparatus was built in the laboratory to measure the velocity of the moving solid turntable. By this means, successful measurement of the speed of the solid turntable was obtained,which is of a certain degree of accuracy. So it achieved the purpose of measuring the speed of the moving solid and verified the feasibility of the entire speed measuring design Keywords :Laser Doppler Velocimeter, scatter, Digital signal processing, Fast Fourier transform II 重庆大学硕 士学位论 文 目 录目 录中文 摘要. I 英 文 摘要 II 1 绪 论 1 1.1 激光多普勒测速技术的历史背 景与发展过程. 1 1.2 激光多普勒测速技术实际应用 情况2 1.3 论文的主要研究内容3 2 激 光多 普勒 测 速仪 的基 本原 理和 光路 结 构的 设计 4 2.1 激光多普勒效应的基本概念和 原理4 2.2 光学外差检测6 2.3 多普勒测速系统的光路模式8 2.3.1 参考光 模式8 2.3.2 单光束- 双散 射模式. 8 2.3.3 双光束- 双散 射模式. 9 2.4 本课题的光路结构设计单元9 2.4.1 光源 10 2.4.2 分光系 统. 11 2.4.3 光接收 系统 11 3 本 课题 的多 普 勒信 号处 理系 统设 计 15 3.1 中央处理器模块15 3.2 A/D 转换模块 17 3.3 FIR 滤波器的设计. 20 4 多 普勒 信号 处 理方 法与 实验. 25 4.1 多普勒信号处理方法 25 4.1.1 频谱分 析法 25 4.1.2 频率跟 踪法 26 4.1.3 计数法27 4.1.4 快速傅 里叶变换 法FFT 28 4.1.5 数字相 关法 29 4.2 本课题系统信号处理 29 5 实 验结 果及 分 析. 39 6 总 结. 41 III 重庆大学硕 士学位论 文 目 录 致 谢. 42 参 考 文献. 43 附 录. 45 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目 录 45IV 重庆大学硕 士学位论 文 1 绪 论1 绪 论1.1 激光 多普 勒测 速技 术的 历史 背景 与 发 展过 程 多普勒效应是在 1842 年, 被物理学家多普勒发 现的, 它最早是在声学领域为人所 熟 知。 我 们熟 知 在声 学多 普 勒效 应 中, 如果我 们 朝着 声 波波 源 的方 向移 动 , 那么 所 接收 到 的频 率 比声 源波 本 身的 频 率高 ;反之 , 如果 远 离声 源 运动 ,那 么 接 收到 的 频 率就 变 低; 如果 观 察者 相 对声 源 静止 ,那 么 接 收到 的频 率 保持 不 变。1905年爱因斯坦在他的狭义相对论中指出, 相似的多普勒效应在光波领域中同样存在,而 且 我们 可 以利 用 这一 效应 来 测量 运 动物 体的速 度 。光 学 多普 勒 效应 就是 , 当 光源 与 光 接 收 器 之 间 发 生 相 对 运 动 时, 发 射 光 波 与 接 收 光 波 之 间 会 产 生 频 率 偏 移, 其大小与光源和光接收器之间的相对速度有关。1960 年激光器诞生了, 人们通过对激光的研究了解了激光具有良好的相干性、 单色性好、 亮度高、 方向性好等优点,激 光 的应 用 使得 光 波中 的多 普 勒效 应 更明 显、更 易 观察 , 这也 促 进了 多普 勒 测 速1技术的发展。1964 年,柯明斯(/.mins )和叶(Y.Yeh ) 首次观察到液体2中粒子的散射光频移,并测得流体的层流管流分布。1966 年,Forman,Pike 等人发 表 了第 一 篇著 名 的有 关激 光 风速 仪 的论 文 。自 此 以后 , 许多 科 学家 对这 项 技 术进行了探索与研究, 先后出现了几百篇研究论文。 从此, 一种新的速度测量技术-激 光 多普 勒 测速 技 术诞 生了 , 并且 随 着时 间的推 移 和人 们 不懈 的 努力 ,激 光 多 普勒测速技术得到了迅速的 发展,相应地 激光多普勒测速仪 Laser Doppler Velocimeter 也成为一种新型的、 重要的速度 测量工具。 实际上, 激光多普勒测速技术 简称 LDV 属于 激光技术的一种重要运用。LDV 与其传统的测速方法相比,具 有 很多 它 们无 法 比拟 的优 点 ,比 如 激光 多普勒 测 速技 术 属于 无 接触 测量 (有利于 测 量高 温 、有 毒 或腐 蚀性 的 液体 或 气体 的速度 ) ,它 的 精度 高 (实 际测 量 精 度已经达到 1%2% ) 、 空间分辨率高 (实际分辨 率已达 20100 微米)、 线性度好,并 且 动态 响 应很 快 、测 量速 度 范围 广 (测 量速度 从 每秒 几 毫米 到 超音 速之 间 ) ,而且被测点可以很小, 还有良好的方向灵敏性等等。 从 1964 年第一次测得流体速度到现在, 激光多普勒测速技术已经发展了将近 50 年了, 它的发展过程主要分为以下三个阶段: 第一阶段,1964 年1972 年, 这是激光测速发 展的初期。 在此期间, 人们使用 各 种元 件 拼凑 、 组建 大多 数 的光 学 装置 。装置 比 较简 单 ,调 准 不方 便, 且 光 学性 能 不高 。 与此 同 时, 人们 都 还处 在 探索 和实验 验 证各 种 外差 检 测模 式过 程 中 。虽 然 频移 技 术很 早 就存 在了 , 但由 于 这期 间光学 结 构系 统 很复 杂 且效 率不 高 , 频移 技 术很 难 得到 广 泛使 用。 信 号处 理 方面 ,大多 采 用已 有 的频 谱 分析 仪。 频 谱 分1 重庆大学硕 士学位论 文 1 绪 论 析仪不但费时, 而且精度差。 当时大多数的流动测量是在低湍流度条件下进行的,实验结果以平均速度分布为主。 第二阶段,1973 1981 年, 这是激光测速发展的中期。在此期间, 工程师们研 制 出了 各 种各 样 的光 学系 统 和信 号 处理 系统, 在 光学 系 统和 信 号处 理系 统 方 面都 得 到了 很 大的 改 善。 在光 学 系统 方 面, 集成光 学 单元 的 出现 大 大增 加了 光 路结构 的 紧凑 性 ,调 节 和校 准也 变 得简 单 了很 多。光 束 扩展 , 偏振 分 离, 空间 滤 波 ,光 学 频移 , 频率 分 离等 在激 光 测速 仪 中相 继得到 应 用, 并 成为 实 际产 品中 不 可 分3-6割的一部分 。在信号处理方 面,研制出了计 数式处理器、频率跟踪器 和光子相关器,相比以前的频谱分析仪,处理信号的效率和精度都大大提高了。 第三阶段,1982 年到现在,此间应用研究得到迅速发展。激光多普勒测速技术 已 经发 展 到能 够 成功 地进 行 大部 分 速度 测量的 水 平 , 成 为了 测 速等 领域 内 不 可或 缺 的手 段 之一 。 光学 、电 子 学 、 计 算机 以及其 它 有关 技 术方 面 的改 进促 进 了 激光多普勒测速技术 的进展。 但是这期间,LDV 的功能还比较单一,只能得到粒子的 运 动速 度 而不 能 得到 粒子 直 径, 并 且还 只能单 点 测量 而 不能 多 点测 量。 针 对 这些缺点,人们 分别研制出了相位 多普勒粒径测速技术 PDSA 和全场多普勒测速技710术 DGV , 这两种新发展出的技术能克服前 面提到的两个缺点,所以它们的应用 前 景更 好 。 另 外 ,半 导体 激 光器 、 雪崩 光电二 极 管与 光 纤的 应 用, 使多 普 勒 测速 仪 小型 化 了, 更 方便 工厂 和 现场 测 量。 以后, 激 光多 普 勒测 速 技术 还应该朝着提 高 信号 质 量和 从 噪声 信号 中 更加 准 确地 提取信 息 的方 向 努力 , 并且 使之 变 得 小型化, 更简便、更易于操作 。 总 之 , 激光 多 普勒 测 速技 术任 然 在不 断 发展 ,它 正 与 电子 技 术、 计算 机 技 术以及其他新学科、新技术紧密结合,形成一种新型而强有力的测试手段。1.2 激光 多普 勒测 速技 术实际应用情况 目前 , 激光多普勒测速技术 LDV 广泛地应用 于航空航天、 空气动力学、 流体力 学 以及 医 疗检 测 仪器 等领 域 ,而 且 也大 量地应 用 在工 业 生产 等 领域 的速 度 测 量以 及 其它 的 相关 测 量 , 激光 多 普勒 速 度技 术已经 从 实验 室 的实 验 研究 走进 了 工 厂11-15现场 。激光多普勒测速技术实际应用情况概括起来主要在以下几个方面 :(1 ) 激光多普勒测速技术被用来测量风洞、 水 筒、 水工模型、 射流元件等各场合中流体的流场分布和有关的物理参量; (2 )激光多普勒测速技术被用来测量 边界层流体和二相流 ; (3 )最近,激光多普勒测速技术 已 经能测量亚音速、超音速喷气流的速度,所 以 被用 来 研究 喷 气过 程、 燃 烧过 程 ,为 燃气轮 机 、气 缸 、锅 炉 、原 子能 反 应 堆等方面的设计研究提供了有价值的实验数据和测试结果; 2 重庆大学硕 士学位论 文 1 绪 论 (4 ) 激光多普勒测速技术被用来测量铝板、 钢板的轧制速度以及 固体粉末 的输 送 速度 , 它还 被 用来 测量 天 然气 的 输送 速度和 控 制棉 纱 、纸 、 人造 纤维 的 运 动速度,从而达到 提高产品质量 的目的 。 (5 ) 激光多普勒测速技术被用来 结合其他 的技术, 这样就 扩大的测速仪的用途,比如同时测量 物质的 浓度,或者 是振动等其他物理参量。 现在 , 激光多普勒测速技术 LDV 已经 慢慢在我国 国民经济 中的很多部门 都得到 了 实际 的 应用 , 并 且 已经 取 到了 良 好的 成绩 。 激 光多 普 勒测 速 技术 自 身也正在不 断 地深 入 发展 , 以适 应迅 猛 发展 、 不断 提高 的 科 学研 究 水平 与 迎合 日常 多 样 化生 产 的需 要 。但 是 目前 在我 国 国内 , 用于 工业测 量 的激 光 多普 勒 测速 仪几 乎 全部从 国 外进 口 ,它们 不仅 价格 十 分昂 贵 ,而 且日常 维 护 也 很 不方 便 。这 无疑 增 加 了企 业 成本 , 甚至 在 生产 中 也 无法 得 到 广泛 使用 。 因 此, 研 发具 有 我国 自主 知 识 产权 的 激光 测 速仪 不 但可 以打 破 国外 技 术垄 断 、节 约 资金 , 而且 在 国内 也有很好的市场前景。综 上 所 述, 激 光多 普 勒测 速 技术 具 有多 种优 点 , 在实 际 的科 研 、生 产 、工 程和工厂中应用非常广泛,因此对于该测速技术的研究具有十分重要的意义。1.3 论文 的主 要研 究内 容 论 文 首 先介 绍 了激 光 多普 勒测 速 技术 的 历史 发展 、 国 内和 国 外的 应用 情 况 ,然后 阐述 了 激光 多 普勒 测速 基 本原 理 和 光 路模式 , 基于 多 普勒 测 速原 理和 通 过 对几 种 光路 模 式的 对 比, 和 对 元 器件 的 分析 、选型 以 及参 数 设置 , 设计 了测 速 系 统的 双光束- 双散射光路结构 、光 收集装置、前置 放大电路和滤 波电路。论 文接着介绍 了 多普 勒 信号 处 理的 几种 重 要方 法 ,对 比分析 后 采用 了 快速 傅 里叶 变换 方 法 ,基于该方法设计了 DSP 数字信号 处理模块 ,该 部分主要包括中央处理器、A/D 模数转换和 FIR 滤波器的设计 。 最后 , 在实验室 搭建 了一个 多普勒测速 LDV 装置来测 量 固体 的 运动 速 度, 运动 固 体采 用 的是 转盘。 通 过这 个 装置 , 我们 成功 地 测 出了转盘的速度, 达到了测量运动的固体速度的目的。 3 重庆大学硕 士学位论 文 2 激光多普 勒测速仪 的基本原 理和光路 结构的 设计2 激 光多普 勒测速 仪的基 本 原理 和光路结 构的设 计2.1 激光 多普 勒效 应 的 基本 概念 和原 理 激 光 多 普勒 效 应是 和 声波 的 多普 勒 效应 一 样,光 源 和 与物 体 存 在 相 对运 动 时也具有多普勒效应。 在 LDV 测速过 程中, 利用照射光与散射光两者的频差, 也叫频 移 , 来得 到 需要 测 量的 速 度的 大 小 。 从 静止的 光 源 ?运 动 的物 体 ?静止的光电探测器, 光波在它们 三者 之间依次传播 。 当一束光入射到 运动的物体后, 物体 收到的光频率和原来光波频率会有差异,差 别 和它 的 速度 , 照射 光与 运 动速 度 方向 之间的 夹 角 存 在 一定 的 关系 。若 用 静止的 光 电探 测 器来 接 收运 动物 体 的散 射 光, 这样 散射 光波 频 率就 经 历了 两次 多 普 勒效应。 设 O 为光源,P 为运动物体,D 为光电探测器, 它们的相对位置情况在 图 2.1 显示了 。 设运动物体的速度为 u , 照射光源的频率为 f 。 根据相对论变换公式, 经过0多普勒效应运动物体接收到的光波频率为 ue01cff (2.1) 0ue201 cC 是光速, e 是入射光单位向量 。 0u e -es o D e sop e o 图 2.1 激光 多普 勒效 应示意 图 Fig.2.1 Laser Doppler effect展开式,当u ?e? c 时,可得近似式为 0ue0ff1 (2.2) 0c这就是在静止光源与运动物体的条件下,经过一次多普勒效应的频率关系式。 运 动 物 体被 静 止的 光 源照 射 ,就 会 向四 周 发出散 射 光 。当 静 止的 光 电探 测 器4 重庆大学硕 士学位论 文 2 激光多普 勒测速仪 的基本原 理和光路 结构的 设计 从 某 一个 方 向接 收 运动 物体 的 散射 光 时, 这两者 也 有 相 对 的运动, 探 测器 接 收 到的散射光 的频率又与运动物体接收到的光波频率不同,频率 为 uesff1 (2.3 ) sc其中,e 为运动物体散射光的单位向量。 因为选择 e 向量由粒子朝向光电检测器,s s所以括号里面取 正号 。 将式(2.2 ) 代 入式 (2.3 ) ,因 为 ,所以 高次项基 本 可 以 忽略 , 最后两uc次多普勒效应后的频率大小 为?u? e es 0ff1 (2.4)?s 0c它与光源频率之间的差值就叫做多普勒频移,用 f 表示,那么 D1fffu ? ee (2.5) D s00 s其中,为激光的波长。 从式 (2.5) 可知, 若 光源、 运动物体和光 电探测器 , 它们三个的依次 相对位置情况确定了 的话 ,我 们仅仅 能确定速 度 u 在 ee方向上的投影大 小。然而 在通s 0常 情 况下 , 运动 物 体的 速度 矢量 方 向 是已 知的, 所 以入 射 光、 散 射光 和运 动 物 体速度方向 常常布置成图 2.2 所示:u O esPe0图 2.2 特殊 位置 的光 源、运动 物体、光 电检测 器 Fig.2.2 special position of the light source, moving objects and the photoelectric detector那么我们就可以得到最简单形式的多普勒频移表达式为 2sinfu (2.6) D其中,为入射光与散射光向量之间夹角的半角。 如果和波长已知的话 , 那么多 普 勒频 移 就与 运 动物 体速 度 成线 性 关系 ,因而 只 要测 得 多普 勒 频移 就能 得 到 运动物体的速度。 5 重庆大学硕 士学位论 文 2 激光多普 勒测速仪 的基本原 理和光路 结构的 设计 2.2 光学 外差 检测 14光波频率很高,大约为 500 兆兆赫兹510 Hz ,但有价值的 的多普勒 信号频8 9移不会超出 10 10 Hz 。 所以用 光电倍增管、 硅光二极管、 雪崩二极管等不能 直接检 测 散射 光 频率 。 如果 相干 光 源的 两 束光 波 照射 到 光电 检 测器 表 面时 ,利 用 他 的光 电 转换 可 得到 两 者的 频差 。 这个 频 差就 是所需 要 的多 普 勒频 移 , 而 其它 信 息 光电 检 测器 将 不会 接 收 。 这就 是 光外 差 ,或 称为光 混 频 。 在 光波 的 多普 勒频 率 转 变为电流 信号 的变化后, 采用某种合适的 信号处理方法,就 可以求得所测量的速度 。光学外差检测是利用探测器的平方律特性。 图 2.3 所示是光学外差检测的原理图 。 光外 差 的两 束 光束 必须 满 足相 干 条件 。假设 同 偏振 方 向 的 信 号光 束和 本 机 震荡光束的电场分别为e tE cosw t(2.7) s s s s(2.8) e tE cosw tL L L L 根据光电探测器的平方律特性,它的输出光电流为 2i? e t e T(2.9) sL 因为光电探测器响应时间有限, 所以光电 转换过程是一个平均时间过程, 式中的横线表示平均时间。 将(2.7)式和(2.8)式代入(2.9)式中,得2 2 2 2i? E cos w t? E cos w t? S s s L L L?E E cosww t? ?S L s L s L (2.10)E E cosww t? ?S L s L s L式中有四 项,分别对应四个频率成分。前两项是功率项,光谱响应项,W 与 WS L都 是 非常 高 的光 频 ,它 们是 两 个直 流 分量 。后两 项 是光 功 率的 时 变项 ,是 探 测 器的频率响应。 (W +W ) 非常之高, 光电探测 器不会响应。W W -W 是差频项,S L IF S L相对于(W +W ) 是个慢 变化的功 率分量 ,只 要使差频 小于光电 探测器 的截止响S L应频率,那么光电探测器就有相应地光电流流出 。所以将(2.10 )变为6 重庆大学硕 士学位论 文 2 激光多普 勒测速仪 的基本原 理和光路 结构的 设计 2 2E ES LiE E cos w t (2.11)S L IF s L22这个光电流经过有限宽带的中频 W 放大器后 ,直流项被滤除了,最后只剩下中IF频交流分量i?E E cos w t (2.12) IF S L IF s L和束器 光电探 中频放大器 W S测器 W W -W 0 S LW L本振激光器图 2.3 光学 外差探测 Fig.2.3 Optical heterodyne detection 光频外差探测 的光电转换过程不是检波过程, 而是一种 “转换” 过程, 即把以Ws 为载频的光频信息转换到以W 为载频的中频电流上, 这样使得光频外差 探测具IF有较高的转换增益。 并且, 光频外差探测在微弱光信号的条件下探测能力也很好。在 直 接探 测 中, 为 了抑 制背 景 杂散 光 的干 扰,都 是 在探 测 器前 加 置窄 带滤 光 片 。但 是 ,这 是 一个 十 分宽 的频 带 。在 光 频外 差探测 中 ,情 况 发生 了 根本 变化 , 只 有与 本 振光 束 混频 后 仍在 频带 内 的杂 散 背景 光才可 以 进入 系 统, 而 其他 杂散 光 所 形成 的 噪声 均 被中 频 放大 器滤 除 掉了 。 因此 ,在光 频 外差 探 测中 , 不加 滤光 片 要 比加 滤 光片 的 直接 探 测系 统有 窄 的接 收 宽带 。所以 , 光频 外 差探 测 具有 良好 的 滤 波性 能 。信 号 光和 本 振光 必须 沿 着相 同 方向 射向光 电 探测 器 ,并 且 要保 持相 同 的 偏振方向 。 因 此, 光 频外 差探 测 装置 具 有对 探 测光 方 向的 高 度鉴 别 能力 和对 探 测 光偏 振 方向 的 鉴别 能 力。 在较 理 想条 件 下, 外差探 测 对输 入 信号 和 噪声 均放 大 相 同的 倍 数, 因 而没 有 信噪 比损 失 。与 直 接探 测相比 , 在微 弱 光信 号 条件 下, 外 差 探测 有 高得 多 的灵 敏 度。 本振 激 光器 是 决定 光频外 差 优越 性 的重 要 因素 ,但 是 需 要注 意 的是 , 过强 的 本振 光会 使 光电 探 测器 受到损 坏 。一 般 来说 , 转换 效益 对 本 振7 重庆大学硕 士学位论 文 2 激光多普 勒测速仪 的基本原 理和光路 结构的 设计 光 功 率提 出 了最 低 要求 ,而 探 测器 的 损坏 阈值和 信 噪比 要 求限 制 了本 振光 功 率 的上限。 2.3 多普 勒测 速系 统的 光 路 模式 在激光测速仪中有三种常见的外差检测光路基本模式, 它们是参考光模式、 单16-26光束- 双散射模式和双光 束- 双散射模式。 2.3.1 参考光模式 图 2.4 所示是参考光模式, 激光 被分成两束光 一束参考光弱光, 另一束 照射光束 强光。 在图 2.4 所示的 参考光模式 中,参考光 和照射光束,两者 聚焦到测量区。光 电 检测 器 接受 参 考光 ,同 时 接受 另 一束 散射光 。 在实 验 中如 果 装置 要采 用 参 考光 模 式, 就 特别 需 要注 意, 参 考光 与 照射 光相比 , 光强 要 弱很 多 很多 ,它 们 的 比一般为 1:99 ,但还 是要以实 验中实际需 要为准 , 所以在分光 的时候要特 别注意。另 外 ,参 考 光的 光 能利 用效 率 不高 。 这两 点是参 考 光模 式 没有 被 广泛 使用 的 重 要原因。 滤光片 v 平面镜 参考光 运动物体 激光器分束镜 探测器图 2.4 参考 光模式 Fig.2.4 Reference light mode2.3.2 单光束- 双散 射模式 图 2.5 所示是单光束- 双散射模式,一束人射激 光束直接聚焦于测量点上,该入射光束 分两个方向 散射, 最后 两束散射光 被光电探测器接收, 从而 进行光外差。如图 2.5 所示, 两支对称的散射光束通过 双孔光阑, 其余 光没有被接收, 最后它们在光电检测器中进行光外 差。单光束- 双散射 模 式在速度 测量中使用情况 很少,主要 原 因是 光 能利 用 效率 很低 。 好处 在 于: 可以用 它 来接 收 互相 垂 直 的 散射 光 , 同时 测 量两 个 互相 垂 直的 速度 分 量; 通 过旋 转双孔 光 阑, 可 接收 不 同方 向的 速 度 分布 。8 重庆大学硕 士学位论 文 2 激光多普 勒测速仪 的基本原 理和光路 结构的 设计 光阑 v 平面镜激光运动物体 分束镜图 2.5 单光 束- 双 散射模式 Fig.2.5 Single beam - double scattering mode2.3.3 双光束- 双散 射模式 如图 2.6 所示是双光束- 双散射模式,激光 被分 成两束强度相等、互相平行的光 束 ,然 后 会聚 于 被测 点, 最 后它们 在同 一方向 的 散射 光 汇聚 到 光电 检测 器 中 进27行外差。双光束- 双散射模式是目前激光测速中 应用最广泛的光路模式。 这种模式的 好处 是 :多 普 勒频 移只 与 两束 入 射光 的方向 有 关系 , 而与 散 射光 方向 无 关 。因 为 光接 收 器可 以 放在 任意 位 置, 而 且可 以采用 大 的收 集 立体 角 以提 高散 射 光 功率。 相比 前 面两 种 光路 模式 , 这种 模 式的 光路的 调 整比 较 容易 。 这是 基于 这 些 优点,所以,该光路模式被广泛使用。 V 平面镜 激光器 运动物体 探测器 分束镜图 2.6 双光 束- 双 散射模式 Fig.2.6 Double-beam - double scattering mode2.4 本课 题的 光路 结构 设计 单元 本课题采用的光路模式是双光束 ? 双散射模式。 下图所示是设 计的本测速系统 光 路结 构 示意 图 。在 图中 , 激光 器 发出 的光束 经 分光 镜 ,分 成 两束 强度 相 近 的光 照 射到 旋 转盘 上 ,两 束照 射 光经 旋 转盘 的散射 光 被光 电 探测 器 接收 ,光 电 探 测器接收的光信号即多普勒频移信号。 光路结构系统主要包括三部分, 分别是光源、9 重庆大学硕 士学位论 文 2 激光多普 勒测速仪 的基本原 理和光路 结构的 设计 分光系统,以及接收系统。 平面镜 转盘 激 光 器 分光镜 汇聚透镜 前 置 放大器 滤 波 光 电 探 测 器图 2.7 光路 结构 Fig.2.7 Optical structure 2.4.1 光源 现 在 有 各种 各 样的 激 光器 存 在, 如 固体 激 光器、 气 体 激光 器 、半 导 体激 光 器和 液 体激 光 器等 。 固体 激光 器 是最 早 开始 被研究 得 , 现 在 用于 固 体激 光器 的 物 质主要有三种: 掺钕铝石榴石 (Nd:YAG ) 工作 物质, 输出的波长为 1. 06 m 呈白蓝色光; 钕玻璃工作物质, 输出波长 1. 06 m 呈 紫蓝色光; 红宝石工作物质, 输出波长为 694.3nm , 为红色光 。 这种激光器具有体积 小, 输出功率大, 应用方便的优点。但 是 它的 工 作物 质 很复 杂, 造 价非 常 高。 气体激 光 器与 固 体激 光 器相 比较 , 气 体激 光 器的 结 构相 对 简单 得多 , 造价 较 低, 操作简 便 ,但 是 输出 功 率较 小。 最 常 用的气体激光器就是 He-Ne 激光器,它可以在可见光区及红外区中产生多种波长和谱线,主要产生的有 632.8nm 红光、 和 1. 15 m 及 3. 39 m 红外光。632.8nmHe-Ne激光器最大连续输出功率可达到 1W ,寿命也 达到了 10Kh 以上。调节放大电流大小, 它的功率稳定性可以达到 30 秒内的误差为 0.005 %, 十分钟内的误差为 0.015 %的功率稳定度; 发散角仅为 0.5 毫弧度。He-Ne 激光器除了具有一般的气体激光器所 固 有的 方 向性 好 ,单 色性 好 ,相 干 性强 诸优点 外 ,还 具 有结 构 简单 、寿 命 长 、价 廉 、频 率 稳定 等 特点 。半 导 体激 光 器是 以半导 体 材料 作 为工 作 介质 的, 这 种 激光 器 体积 小 、质 量 轻、 寿命 长 、结 构 简单 而坚固 , 但是 半 导体 激 光器 最大 的 缺 点是:激 光性能受温度影响大,光束的发散角较大 一般在几度到 20 度之间 ,所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。 经过比较,实验光路结构系统采用的光源为 He-Ne 激光器。多普勒测速系统的 光 源必 须 具备 高 功率 、良 好 的相 干 性和 单色性 , 因为 光 束经 过 分光 元件 到 达 被10 重庆大学硕 士学位论 文 2 激光多普 勒测速仪 的基本原 理和光路 结构的 设计 测物的传输过程中有将损失近 30% 的光能,He-Ne 激光器能满足此要求。本实验采用的 He-Ne 激光器, 波长 为 632.8nm , 功率 为 2mw , 发散角 为 1.2mrad , 单色性好、亮度高、相干性好。 2.4.2 分光系统 在 分 光 系统 中 ,为 了 保证 满 足两 束 光的 相 干性, 我 们 使用 一 个分 光 镜使 激 光器 发 出的 一 束光 分 成两 束。 另 外, 为 了使 分出的 两 束光 具 有相 同 的偏 振方 向 和 偏振 度 ,应 在 分光 镜 前放 置一 个 偏振 片 。经 分光镜 分 成不 同 方向 的 两束 光, 应 该 互相 平 行, 然 后通 过 汇聚 透镜 汇 聚一 点 照射 到转盘 上 。分 光 镜、 偏 振片 、平 面 反 射镜和汇聚透镜组成了成光系统。其中,分光镜的的反射和投射比例为 1:1 。 2.4.3 光接收 系统 光 接 收 系统 主 要包 括 接收 汇 聚透 镜 、光 电 探测器 、 前 置放 大 器以 及 滤波 器 。为了提高信号的强度,实验采用大孔径汇聚透镜作为接收透镜。 光 电 探 测器 的 作用 是 将 接 收 到的 多 普勒 光 信号转 换 成 电信 号 。实 验 装置 对 光电 探 测器 提 出的 要 求是 ,灵 敏 度高 、 响应 快,现 在 有三 种 适用 的 探测 器, 它 们 分别 是 光电 倍 增管 、 雪崩 光电 二 极管 和 光电 二极管 。 我们 最 终要 选 择光 电探 测 器 的主要准则是, 量子效率 要比较 高、 频率响应 要 比较快、 电流 的方 大倍数要比较 高,探 测 器的 信 噪比 高 ,并 且价 格 合适 。 下面 我们来 比 较光 电 倍增 管 、雪 崩光 电 二 极管和光电二极管的特性,从而选择合适的光电探测器。 光 电 倍增 管 :最 大 的 尤 点 在于 利 用倍 增 效应, 拥 有 高的 方 大贝 数,所以 量子 笑 应飞 常 的明 宪 ,另 外燥 生 相 对 比 较小 。 很大 部 分的 光电倍 增 管的 最高 灵 敏 度在 蓝 光和 绿 光光 谱 范围 内, 对 红光 的 灵敏 度 不是 很 好, 较 差 。 一 般情 况下 ,光电倍增管的量子 笑率峰值接近 0.4 微米左右 ,在 He - Ne 激光器的波长 632.8 纳米处是很低 很低 的。 体积较大, 价格较贵, 且对电 源的供电要求较高是它最大的缺点。 雪 崩 光电 二 极管 : 利用 倍 增效 应 ,能 获 得低噪 声 放 大。 另 外, 它 还能 获 得良 好 的频 率 响应 。 与光 电倍 增 管一 样 ,它 也需要 稳 定的 高 压直 流 电源 供电 , 而 且价格也比较贵。 光电二极管: 量子效率高, 并且在 He - Ne 激 光器的波长 632.8nm 处的量子效率很高, 大约为 70% 。 它的响应时间可小 于 1ns , 体积非常小 , 价格也便宜许多 , 同时 只 需要 低 价的 低压 直 流 电 源 供电 。但是 , 光电 二 极管 的 放大 作用 要 比 光电 倍 增管 低 得多 。 在非 常弱 的 散射 光 强作 用下, 其 输出 非 常小 , 需要 用前 置 放 大器处理。 经 过 对 比可 知 ,光 电 二极 管 是实 验 最合 适 的光电 探 测 器。 在 实验 中 ,我 们 采用 硅 光 电 二 极 管 FDS1010