專利名稱：用激光多普勒風速計測定光散射運動質點物理值的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用激光多普勒風速計測定光散射運動質點物理量或物理值的方法及其相應的帶相位調制的激光多普勒風速計(LDA)。本發明特別適用于液態和氣態流動媒質速度的測定，但也可用以測定固體表面的長度和加速度。
LDA是周知的多用途測量儀器，這種儀器還可借助于周知的相位多普勒風速和風向測定法(PDA)用不同的光接收器和信號求值法測定散射質點的大小和/或折射率。相干光源的光束在LDA中被分離成兩束在空間上彼此分開的部分光束，再用聚光器將這兩束部分光束映射到測定點。在此情況下，運動媒質的散射質點上就形成有可加以分析的明暗條紋圖形。定向的激光束引入一個光阱中，而當散射體位于測定點時，安置在聚光器光軸上的接收器就檢測到相干條紋圖形。散射質點掠過相干條紋圖形時，接收器有一段時間感測出散射光中光強度的調制情況，于是從光強調制頻率用光波長度和兩部分光束之間的半角計算出待測定的速度。
為測出運動的方向，傳統的作法是在LDA的部分光束中形成相移。近來，這方面越來越多地采用電光相位調制器，因為這種調制器可與分束器一起緊湊地裝設在集成光學芯片(IOC)上。
相移采用鋸齒形驅動電壓按一般方式進行，10周期左右的必要相移要求大約20毫米的電極長度和大約40伏的驅動電壓。盡管這些值仍然可以用集成光學相位調制器在APELiNbO3上獲得，但這種解決辦法還有一個很明顯的缺點。通常，由于調制器電壓從鋸齒的最大值最后回跳到零值，鋸齒驅動電壓重新上升前在同一相位中沒有新的求值信號產生。為此總須要嚴格遵守此回跳的有關規程和增加“零信號”來調節新驅動信號確切的相位位置的規定，從而使電子設備方面的開支大幅度增加。
因此，本發明的目的是要找到以相位調制器不太復雜的驅動在LDA所測定的體積中產生運動強度調制疊加信號的可能性。
在用激光多普勒風速計(LDA)測定光散射運動質點物理值的方法中，來自至少一對相干部分光束的光在至少其中一束部分光束經過調相器之后疊加到所測定體積的測定點，且在所測定的體積中有散射質點出現時，至少部分光束的分量作為散射光抵達至少一個接收器上，并轉換成電輸出信號，以多普勒頻移大小來分析這些電信號。按照本發明，上述目的是這樣達到的調相器由兩個不同頻率、不同振幅、耦合成使其相位和頻率固定的正弦驅動信號驅動，其中一個頻率為另一個頻率的整數倍；此外，由一個帶通濾波器從接收器的輸出信號中濾除含上述兩頻率公倍數的且其帶寬用于檢測預期的最大多普勒頻移的濾波頻率；而且驅動信號的幅值調節成使所濾除信號中出現的兩個邊帶之一大幅度地受到抑制，另一個邊帶則用以求出多普勒頻移的值。
調相器的驅動信號最好獲自同一個正弦波發生器。
為產生相干部分光束和更好地進行相位調制而對光束進行的分離最好在專用的集成光學芯片(IOC)上進行。這樣做時，可以在多路傳輸工作過程中用分光裝置進行分光以產生其它成對的部分光束(例如，供照射多個測定點用)，在多路傳輸過程中，接收器的與不同的測定點有關的輸出信號與驅動過程同步地切換到連接點求值單元上。一個或多個接收器的輸出信號最好在經電子混合器濾波之后轉換到較低的頻率范圍。
所選取的最好是諸調制頻率最小公倍數的頻率與所濾除的接收頻率之間的頻差最好由一個計數器測定。接著就可以根據計數值和接收器上散射光條紋的條紋間隔計算出質點的速度。
至于所測體積中的運動質點，最好借助于邏輯電路將調制頻率的正交系統與所濾除的接收頻率聯系起來以產生正向脈沖和反向脈沖，即用收到的信號掃描正交系統，并根據當前的掃描值和原光的掃描值明確定運動的方向。分散質點的運動路徑可根據如此產生的正向脈沖和反向脈沖通過指定條紋間隔確定，即將正向和反向脈沖計數值的差值乘以平均條紋間隔。
此外，所濾除的接收信號最好經過處理，那根據所確定的掃描點數用特定的信號處理器確定模/數轉換之后接收信號的光譜分布，其中該光譜分布的基準線或基線與各調制頻率最小公倍數的頻率之間的差頻對應于多普勒頻率。
一個激光多普勒風速計，包括至少兩個相干的部分光束；其中至少一束部分光束中的一個調相器；光學裝置，用以引導光束、將兩束部分光束聚焦到所測體積的運動質點上、并將部分光束的至少一個分量作為被運動質點散射的光映射出去；和一個接收器，用以接收由一對部分光束形成的散射光。在該風速計中，所述目的是按照所敘述過的方法達到的，即在調相器處出現兩個正弦驅動信號，這兩個正弦驅動信號的調制頻率及振幅不同，經過耦合使其相位和頻率固定，其中一個調制頻率是另一個調制頻率的整數倍；在接收器下游配置一個帶通濾波器，其濾波頻率含有調制頻率公倍數的頻率，其帶寬可用以檢測最大的預計多普勒頻移；以及調相器處驅動信號的幅度調節成使因多普勒頻移出現的一個邊帶在接收器輸出信號中受到大幅度地抑制，只有另一邊帶作為在求值單元中用調相器驅動信號的頻率和相位信息進行求值的依據。
調相器最好經兩個不同的信號路徑接同一個正弦波發生器，以便用兩個調制頻率驅動，其中至少有一個信號路徑中裝有一個分頻器。
求值單元有不同的組成，這由測定任務決定。為測定散射質點的速度，最好裝上一個計數器，供計出信號因通過相干條紋而產生的變化。
若需要另外的正向和反向脈沖，最好在求值單元中裝上一個發出適當脈沖的PLL(鎖相環)電路。
不然也可以按有利的方式裝一個專用的數字信號檢測器。一個既定掃描點數的接收信號經過模/數轉換之后，該信號的處理器通過快速傅立葉變換確定該接收信號的光譜發布，并將此光譜分布相對于各調制頻率最小公倍數頻率的基線的差頻作為多普勒頻率給出。為此，數字信號處理器的時基與調相器調制頻率的比值是固定的。
為構成整個LDA，激光源光束的分離和相位的調制最好都以Y分支裝置和電光調相器的形式在公用的IOC上進行。為使所測定的體積中有多個測定點，一個激光二極管的光最好至少分成兩對部分光束，其中與一測定點相關的每對部分光束的一束部分光束中有一個調相器。為給另外的測定點產生等量的部分光束時，最好在IOC上集成上另一個頻控分束器，在與各測定點相關的各接收器與求值單元中的帶通濾波器之間配置一個與分束頻率同步工作的多路轉換器。各調相器在IOC上并聯配置有這樣的好處，即各毗鄰的調相器可以共用一個公用電極。
本發明是基于這樣一個構思提出的為了用電光調相器降低LDA中激光輻射的輸出密度，必須能求出各疊加的信號值，以便用外差干擾量度法等類似的方法來測定多普勒頻率。為達到此目的，按照本發明，調相器由兩個耦合成使其頻率和相位固定的信號驅動，并用一個帶通濾波器濾除調相器調制頻率最小公倍數附近的一定范圍內預期的多普勒頻率值。因此，在實際應用中，從接收器信號的頻譜E(fo，2fo，3fo……nfo，[n+1]fo，……)中濾除小于f＝mfo±Δv的頻率范圍，其中m為激勵調相器的兩個調制頻率的最小公倍數。借助于各調制頻率之間的相移，將它們的振幅調節成使出現的其中…個邊帶 Em-(mfo-Δv)或Em+(mfo-Δv)大幅度受到抑制。多普勒頻率Δv(運動質點的速度即根據這個頻率測定)是通過將其余的邊帶與調制頻率最小公倍數的頻率相比較求出的。
由于上述過程，按照本發明，用適當設計出的LDA測定光散射運動質點的物理值時，可以利用外差干擾量度法的基本原理，在LDA所測定的體積中產生運動強度調制過的疊加信號，且其中采用了不復雜的雙重正弦波來驅動調相器。因此，可以采用低的激光器輸出(小于1毫瓦)和低的調相器驅動電壓。這帶來了另一個好處，即LDA的分束元件和調相元件可裝在小巧的集成光學芯片(IOC)上。
下面參照一些實施包例更全面地說明本發明的內容。附圖中
圖1是本發明的LDA的基本結構；圖2是使電光調相器可在兩頻率驅動下進行調相的IOC的一個實施例；圖3是本發明兩測定點的LDA的一個較好的結構方案；圖4是適用于圖3的IOC結構。
本發明測定光散射質點物理值的方法是根據雙光束多普勒風速和風向測定原理工作的。方法的基本步驟基本上是新的，采用了雙頻相位調制，兩頻率的耦合在相位和頻率上是固定的，且選取了其中一個頻率為另一個頻率的整數倍，此外還對接收信號在預期最大多普勒頻移的帶寬中的調制頻率ω1和ω2最小公倍數的頻率下進行帶通濾波，并抑制多普勒頻移出現的兩個邊帶的其中之一以便求出第二個邊帶的值。下面通過示出設計思想和說明附圖中所示的LDA的較好結構更確切地說明本發明的內容。
圖1示出了本發明LDA的基本方案。激光源1經光導纖維31照射到集成光學芯片(IOC)2上。這里為達到所要求小巧緊湊性，光源1最好采用激光二極管，但并非一定要這樣做不可。IOC2裝有Y分支裝置21和調相器22(圖2)。從圖2中可以看出，調相器22的設計和驅動對電光調相器22在LDA雙光束多普勒方法中的布局是有好處的。由于最好由LiNbO3制成的IOC2中的電光效應的開關頻率非常高，而且調相器22的驅動電壓低，因而調制頻率ω1和ω2可以非常高。但其頻率最好根據測定點34處散射質點的最高速度來選擇。按照本發明，調相器22是用兩個調制頻率ω1和ω2驅動的。這兩個調制頻率ω1和ω2耦合成使其在相位和頻率上固定，而且是同一個基頻fo的諧頻。為此，建議其中一個調制頻率ω2最好取為另一個調制頻率ω1的整數倍。采用基頻fo及其第一諧頻2fo較好。
按圖1，如此調制過的激光經一般使用的光學發射器32依次引入光導纖維31中，由光學發射器32將該兩部分光束聚焦在公共測定點34上并將兩者疊加起來。位于測定點34的散射質點重現連續的條紋圖形，該圖形借助于光學接收器33耦合入光導纖維31中，將其傳送給接收器4，接收器4最好是雪崩光電二極管。接收器4后面的帶通濾波器5波除在調制頻率ω1和ω2最小公倍數頻率下的多普勒頻移最大波動寬度的帶寬，將具有下列結構的接收器信號傳送給求值單元6E(t)＝Bsin(Δv)tSinnfot+Ccos(Δv)tcosnfot=C+B2cos[nfot-(Δv)t]+C-B2cos[nfot+(Δv)t]]]>其中ω1＝fo和ω2＝nfo用作調制頻率ω1和ω2。n＝2且濾除濾波頻率fF＝2fo時，該接收信號有兩個邊帶E2+(t)和E2-(t)，其頻率為f0+=2f0+Δv]]>和f0-=2f0-Δv]]>，其中Δv表示多普勒頻移。
當特別選取參數B＝C時，邊帶E2+完全受到抑制，因而可以按周知的方式對多普勒信號進行單邊帶檢測。
調節調相器22處的相移可以抑制其中一個邊帶。
為調節適當的工作點(該工作點在公式中應以D表示)，可以個別調節驅動信號的幅度，使其導致所要求的相移。所產生的相移與調相器的驅動電壓成正比。例如幅度為π時，產生的相移為180度。
為了在n＝2(達到B＝C)時，調節相應的工作點D2，此處D2＝0.66，采用驅動信號的兩個幅度A2＝3.80和A22＝1.35，以便求出接收器經濾波的信號E2(t)＝2D2cos[2fot-(Δv)t]的值。
濾波可以在所有頻率nfo下進行。因此，在頻率fo下，對于分量E1(t)，在A11＝1.83和A12＝1.38時的工作點D1＝0.68。
然而，有一種更為精確的方法能夠只要一次就可調節工作點，其中借助于光譜分析儀觀測各邊帶的幅度，通過選擇調相器22的相移移動工作點，從而抑制邊帶。
經濾波的接收器信號按周知的方式在求值單元6中求值，各種求值法都可用于發明的LDA。
調制頻率ω1和ω2最小公倍數(最簡單的情況是ω1＝fo，ω2＝2fo)與所濾除的接收頻率(fF＝2fo)之間以數學式表示的頻差在各種情況下對應于多普勒頻率，且與散射質點的速度成正比。
在最簡單情況下，頻差是借助于在求值單元6中用Z符號表示的若干計數器檢測的。為此，用最高可能的計數頻率測定從記錄的濾波頻率fF通過混合和分離形成的選通時間。將計數值與條紋間隔在數學上簡單聯系起來就可以求出速度測定值。計數器的計數頻率與調制頻率最小公倍數的頻率最好取整數比值。這個情況在圖1中是用接第一正弦波發生器7的一條連接線符號表示出來的，第一正弦波發生器7優先做調制頻率ω1和ω2的耦合使之在頻率和相位上固定。相關調制頻率ω1的產生同樣用接另一最好按圖1使用的正弦波發生器7的連接線符號表示。
LDA的第二種求值法采用了調制頻率ω1和ω2的正交系統(正弦和余弦)，并將其與濾除的接收頻率fF聯系起來。調制頻率ω1和ω2的正交系統轉換成有90度相移的兩個數字信號的其中之一，此正交系統由接收信號掃描。運動和運動方向可以按明確的方式根據現時掃描值和先前的掃描值借助于PLL(鎖相環)確定。此內容由適當的邏輯電路轉換成正向或反向脈沖，按每一個干涉條紋間距發送這類脈沖。運動質點的運動路徑可直接從發出的正向或反向脈沖計數值的差值乘以條紋間隔求出。
LiNbO3形成的調相器22在上述求值方案中所帶來的好處特別明顯，因為正由于調相器22的開關頻率高，才能在相對于濾除掉的接收頻率fF(此頻率建議取對應于兩調制頻率ω1和ω2中較大的一個)的多普勒頻移量小于2時采用PLL。
圖1中縮寫成FFT(快速傅立葉變換)的第三種求值法采用快速模/數轉換之后所濾除掉的接收信號作為數列，以便在FFT的基礎上計算接收信號的光譜分布。光譜分布由專用的信號處理器根據既定的掃描點數計算出來。該分布的基線與調制頻率ω2之間的頻差也對應于多普勒頻移，根據多普勒頻移可以確定散射質點的運動數據。
圖3示出了本發明的另一個實施例，該實施例的結構特別簡單、有利，適用于所測體積中須檢測的多個測定點。
來自源光源1的光和實例1一樣用光導纖維31引到IOC2。此IOC2專門為兩個測定點34用而無需使以后的開支自動翻番而設計的。從圖4中可以看出IOC結構的優點。調相器22最好裝有公用電極，而且是用同樣的驅動信號工作的，傳來的激光借助于頻控分支裝置23交替轉接到相應的調相器22上。這方面采用了頻率發生器8提供的另一個分束頻率f1。此外，此頻率發生器8控制著交替將接收器4(在此情況下為兩個接收器)的信號饋給公用帶通濾波器5的多路轉換器9。因此，為在測定點34產生和記錄干涉條紋圖形，只要分別對元件的開支上翻一番即可。頻控分支裝置23后面IOC2的各光通道中都有Y分支裝置21，因而在IOC2的輸出邊產生兩對能起干涉作用的部分光束。這樣，調相器22就可以彼此合并在一起達到四個分開的光通道之間每種情況只有一個電極的程度，這個電極供毗鄰的兩個光通道使用，從而電極的連接可以鏡象對稱于各對部分光束之間的分界線安排。在這種情況下，IOC2對稱于中心線的結構如圖4中所示。
在此實例中，驅動信號采用了調制頻率ω1＝fo和ω2＝2fo的真正正弦信號。為此，如圖3中所示，配置了基頻為2fo的一個正弦波發生器7和其后的分頻器71，由該分頻器將正弦波發生器7的頻率減半。此外，基頻為2fo的正弦波發生器7給求值單元8提供對比頻率和時鐘頻率。
按實例1的第二修改方案求值的好處在于，分頻器71含90度相移，因而調制頻率ω1和ω2的正交系統能自動形成，且可以有利的方式求值。本發明LDA的所有其它操作按例1同樣的方式進行。
權利要求
1.用激光多普勒風速計測定光散射運動質點物理值的一種方法，該方法是將來自至少一對相干部分光束的光在至少其中一束部分光束經過調相器之后疊加到所測體積的測定點，且在所測定的體積中有散射質點出現時，至少部分光束的分量作為散射光抵達至少一個接收器上，并轉換成以多普勒頻移大小來分析的電輸出信號，其特征在于調相器(22)由兩個頻率(ω1、ω2)和幅值不同的正弦驅動信號驅動， 兩驅動信號耦合成使其相位和頻率都固定，其中一個頻率(ω2)為另一個頻率(ω1)的整數倍；含兩頻率(ω1、ω2)公倍數的且其帶寬用于檢測預期的最大多普勒頻移的濾波頻率由一個帶通濾波器(5)從接收器(4)的輸出信號中波除掉；兩驅動信號的幅值調節成使所濾除信號中出現的兩個邊帶之一大幅度地受到抑制，另一個邊帶則用以求出多普勒頻移的值。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，調相器(22)的兩個驅動信號獲自同一個正弦波發生器(7)。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，調相器(22)耦合成使其相位固定的驅動信號具有規定的相移供檢測運動方向用。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，為產生相干部分光束而進行的分束和相位調制借助于集成光學芯片(2)進行。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，在多路傳輸過程中借助于頻控光學分支裝置(23)，依次光控多個測定點(34)，并將接收器(4)的來自不同測定點(34)的輸出信號與頻控分支裝置(23)的驅動同步地轉接到公用帶通濾波器(5)上。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收器(4)的輸出信號用電子混合器濾波之后轉換到較低的頻率范圍。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所選擇的特別是調制頻率(ω1、ω2)最小公倍數的頻率與所濾除的接收頻率之間的頻差用一個計數器測定，速度則根據計數值和接收器(4)上散射光圖形的條紋間隔計算出來。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所測體積中有運動質點出現時，由一邏輯電路將調制頻率(ω1、ω2)的正交正弦/余弦系統與濾除掉的接收頻率聯系起來，其中接收信號掃描正交系統，運動方向則以明確的方式根據現時和先前的掃描值確定，由此而產生正向和反向脈沖。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，每次有正向和反向脈沖出現時指定條紋間隔，散射質點的運動路徑則根據正向和反向脈沖乘以條紋間隔確定。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，濾除掉的接收信號在模/數轉換之后在一個專用的信號處理器中處理，該專用信號處理器根據既定量的掃描點確定光譜分布，其中此光譜分布的基線相對于調制頻率(ω1、ω2)最小公倍數的差頻對應于多普勒頻率。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，信號處理的時基與調制頻率(ω1、ω2)的比值是固定的。
12.一種激光多普勒風速計，具有至少兩個相干的部分光束；其中至少一束部分光束中的一個調相器；光學裝置，用以引導光速、將兩束部分光束聚焦到所測體積的運動質點上并將部分光束的至少一個分量作為被運動質點散射的光映射出去；和接收器，用以接收由一對部分光束形成的散射光，其特征在于在調相器(22)處出現兩個調制頻率(ω1、ω2)及振幅不同、且耦合成使其相位和頻率固定的正弦驅動信號，其中一個調制頻率(ω1)是另一個調制頻率(ω2)的整數倍；在接收器(4)下游設置一個帶通濾波器(5)，其濾波頻率(fF)含調制頻率(ω1、ω2)公倍數的頻率，其帶寬可用以檢測最大的預計多普勒頻移；以及調相器(22)處驅動信號的幅度調節成使因多普勒頻移出現的一個邊帶在接收器(4)輸出信號中受到大幅度地抑制，只有另一邊帶作為在求值單元(6)中用調相器(22)驅動信號的頻率和相位信息進行求值的依據。
13.如權利要求12所述的風速計，其特征在于，調相器(22)經兩個不同的信號通路與同一個正弦波發生器(7)連接，以便用不同的調制頻率(ω1、ω2)驅動，其中至少一個信號通路上有一個分頻器(71)。
14.如權利要求13所述的風速計，其特征在于，在一個信號通路上設置一個移相器。
15.如權利要求14所述的風速計，其特征在于，求值單元(6)中裝有發送正向/反向脈沖的一個PLL(鎖相環)。
16.如權利要求12所述風速計，其特征在于，求值單元(6)中有一個計數器，干涉條紋的計數值與間距結合起來就得出質點運動的速度。
17.如權利要求12所述的風速計，其特征在于，求值單元(6)中裝有一個專用的數字信號處理器，該處理器以FFT(快速傅立葉變換)為基礎求出接收信號的光譜分布值，其中光譜分布基線相對于調制頻率(ω1、ω2)的最小公倍數的差頻對應于多普勒頻率。
18.如權利要求12所述的風速計，其特征在于，在一集成光學芯片(2)上高有Y分支裝置(21)和電光調相器(22)，前者用以分離來自激光源(1)的部分光束，后者供調相用。
19.如權利要求18所述的風速計，其特征在于，激光源(1)的光被分成至少兩對部分光束，以便建立多個測定點(34)，其中每對部分光束中與測定點(34)有關的一個部分光束上有一個調相器(22)。
20.如權利要求18所述的風速計，其特征在于，IOC(2)上有另一個頻控分支裝置(23)，供應生附加測定點(34)的相等部分光束用，且在相應接收器(4)與帶通濾波器(5)之間設有與附加分束頻率(f1)同步工作的一個多路轉換器(9)。
21.如權利要求19或20所述的風速計，其特征在于，在各種情況下兩個調相器(22)都共用一個公用電極。
全文摘要
用激光多普勒風速計測定光散射運動質點物理值的方法和設備。驅動調相器(22)在所測體積中產生強度調制的運動疊加信號。用兩不同頻率且耦合成相位和頻率固定的正弦信號驅動調相器，其中一頻率(ω
文檔編號G01S17/58GK1150650SQ9610617
公開日1997年5月28日 申請日期1996年4月25日 優先權日1995年10月10日
發明者E·達姆馬安, J·鮑爾 申請人:楊光學公開有限公司
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