三维激光多普勒信号的光学频移分离方法及三维激光多普勒测速装置

本发明涉及一种用于三维流速测量的光学方法及仪器。

激光多普勒测速仪（简称LDA）以其显著的特点（如不干扰流场、空间分辨高、响应快、精度高等）已成为流体力学、航空航天、燃烧诊断、化工、水利以及生物医学工程等诸多领域中不可缺少的流速测量手段。近代流体力学和许多工程应用中所遇到的流动问题大多属于三维流动。在研究各速度分量之间的相关以及计算剪应力（雷诺应力）等参数时，必须同时得到所有的三个流速分量。在这种情况下，完全的三维测速仪器是必不可少的。

在LDA发展的早期，人们就提出了构成三维系统的方案。这些方案都是以参考光束型光路为基础。这种三维系统最大的优点是每一探测器接收一个分量的信号，不存在信号分离问题。但由于存在光路分散布置且不易调整以及空间分辨率低等问题而大大降低了其实用价值，因而这种三维系统未能得到充分的发展和应用。

现有的三维LDA系统都是在双光束LDA基础上发展起来的。具有信噪比和空间分辨率高等优点，但不同速度分量之间的信号分离则成为一个关键问题。已有的分离三维信号的方法包括：以多谱线激光器为光源的色分离法，分色与分偏振（或频移）相结合的方法，以及频移结合偏振的分离方法，以上述方法构成的三维LDA存在以下缺点：

1.分色系统需要多谱线输出的激光器，目前都是使用氩离子激光器。氩离子激光器价格很高，使得整个系统的造价大幅度提高，不利于推广应用。此外，氩离子激光器的寿命也较短。

2.光学发射部分结构复杂且不易调整。在采用色分离技术时，需要一套分光光路将不同波长的光从氩离子激光器输出的混合光中分离出来，每一波长的光再经过分束、频移后聚焦于测量点（有些系统甚至采用两只发射透镜），其光路布置十分复杂。例如，美国TSI公司9100-11型三维系统，仅其光学发射部分就有27个光学元件，其加工费用和调整难度是可想而知的。在采用偏振分离法时，也需要一套光路系统将入射激光的偏振态精确地变换到所需的状态。调整繁杂以及由散射光偏振态的改变而引起的不同分量之间的“交叉干扰”等问题是偏振分离型LDA所固有的缺点。

3.接收部分需要多只光电接收器和复杂的分光系统。由于三个速度分量是由不同的激光波长或是偏振态区分的，所以每一分量的散射光信号要用一只光电接收器探测，而且要有一套与发射部分相类似的分光系统。

总之，以现有方法所构成的三维LDA结构复杂，不易调整，商品化的仪器费用相当昂贵，难以推广应用。

本发明的目的就是提供一种完全依靠光学频移区分全部三维速度分量的方法和一种以该方法构成的三维激光多普勒测速装置。

本发明涉及的信号分离方法是利用三种固定的光学频移分别作为三维被测速度的载频，使此三种频移与相应速度分量产生的多普勒频移选加后在频谱上位于互不重叠的频带。散射光信号经光电转换后，利用三种并行的选频滤波器从同一光电流信号中分离出对应于三维被测速度分量的频率信号。

附图1是按照本发明所述方法构成的频移分离型三维激光多普勒测速装置。附图中，[1]He-Ne激光器，[2][4]分束棱镜，[3][5][6]声光频移器件，[7][9]光楔，[8]直角棱镜对，[10]发射透镜，[11]光电接收器，[12]信号分配器，[13][14][15]选频滤波器，[16][17][18]频率下混电路，[19][20][21]多普勒信号处理器。由激光器[1]发出的激光束经分束棱镜[2]后被分为两束，一束进入频移器[3];另一束沿入射方向进入另一分束棱镜[4]，被分成两束等光强的平行光，分别进入频移器[5][6]。频移器[3]由频率为f₃的信号驱动，产生的一级衍射光由棱镜对[8]分出后经光楔入射到透镜[10]。频移器[3]的零级光（未频移部分）直接入射到透镜[10]。频移器[5][6]分别由频率为f₁和f₂的信号驱动，它们产生的一级衍射光经光楔入射到透镜[10]。四束入射光（其中一束未频移，以A表示;另外三束分别频移f₁、f₂和f₃，分别以B、C、D表示）均平行于发射系统的光轴，经透镜[10]聚焦于测量点P。光束B与A组合，光束C与A组合分别测量垂直于系统光轴平面内的两个速度分量;光束D与A组合测量沿系统轴向的速度分量。由光电接收器[11]产生的光电流信号经分配器[12]被分为三路，由选频滤波器[13][14][15]分别选出对应于三维速度分量的频率信号。此三路信号分别经混频电路[19][20][21]与锁相频率合成器产生的本振信号混频，差频信号被送入三通道多普勒信号处理器处理，得到三维被测速度值。

以此方法构成的三维激光多普勒测速装置具有以下优点：

1.激光源可使用单色激光器，如He-Ne激光器。与氩离子激光器相比其价格低，寿命长。

2.光学发射部分的光路大为简化，使仪器的费用大幅度降低，而且便于调整。

3.接收部分只需一只光电接收器，而且不需任何分光光路。

4.消除了各速度分量的“方向模糊”，可以判别出流速分量的正负方向。