高精度多普勒测速matlab,同时多点激光多普勒测速系统

1引言激光多普勒测速仪(LDV)在诸多领域有着重要的应用[1~3]。通常LDV能够实时地获取空间1点在时间序列上的速度信息,但是在许多应用中需要同时获取空间上多点的速度信息。为得到空间某一截面上的速度分布,发展出了粒子图像测速(PIV)的方法[4,5]。PIV通过采集到的前后两幅图像上粒子位置的变化以及两幅图像间的采集时间差来获得空间域上的信息,但受到图像采集装置采样率的限制,无法测量非定常流场中的粒子速度。为了解决非定常流场的多点测量,发展出了扫描LDV[6]。扫描LDV通过牺牲流速在时域上的信息来换取在空间上的信息,只能在一定程度上实现了流速的多点准同时测量。为了实现真正的同时多点激光多普勒测量,发展出了一些新的测量方法。Furuchi等人[7,8]设计的多点激光多普勒测量系统,接收方需利用光纤组成16个信道来区别不同的测量点,每个信道都要配上信号处理系统。Ewan等人[9]设计的LDV测量系统,利用光栅的衍射作用产生出空间上直线排列的10个LDV测量点,接收透镜将各测量点的信号耦合到成直线排列的接收光纤中形成多个信道,每个信道都需配备光电倍增管,使整个系统显得过于复杂且成本高。本文介绍的同时多点LDV系统以双光束激光多普勒测速为基础,使用2个声光调制器进行频移和分束,实现了在同一时域内获取速度场中多个测量点的信息,具有结构简单、频率响应快和精度高等特点。2系统结构同时多点LDV的系统原理如图1所示。由激光器发出的图1系统原理图Fig.1Schematicdiagramofthesystem激光束经过分束器后,形成两束同等强度的平行光分别进入2个声光调制器。两声光调制器分别由不同的声光驱动源以不同的频率进行驱动,产生出垂直方向分布的2组多级衍射光。经聚焦透镜聚焦后,2组多级衍射光对应级次的光束会聚到一起,形成多个激光多普勒测量点。散射粒子经过各个测量点时,对相交于测量点的光束产生散射,散射光由接收透镜聚焦在光电探测器的光敏面上,由光电探测器产生的信号送至信号处理器进行信息处理。经处理后可以得到散射光间形成的拍频信号,再通过公式计算可以得出各测量点的散射粒子的运动速度。声光驱动源的驱动频率差使得各不同的LDV测量点具有相差较大的频移量,故只使用1个光电探测器就可以实现来自多个LDV测量点信号的接收。3原理及公式推导3.1激光多普勒测速原理激光多普勒测速是利用光的多普勒效应来测量流体或固体运动速度的。当一束具有单一频率的激光照射在一运动微粒上时,微粒接收到的光波频率与光源频率会有差异,其增减的多少与微粒运动速率以及照射光与速度方向间的夹角有关。如果用一静止的光电探测器来接收运动微粒的散射光,那么光波频率就经历了2次多普勒效应,通过测量散射光的频率变化量就可以计算出物体的运动速度。对于激光多普勒效应,根据相对论原理,可以表示为[10]f=f01+1v-r/c2(1)式中:f0为光源发出的光的光波频率;c为真空中的光速;v是观察者与光源间的相对速度;=v/c;r为光波的传播方向。当v比c小得多时,可对式(1)作泰勒级数展开,忽略v/c的二级小量,可得f=f0(1-vcr)(2)如图2所示,一束具有单一频率的激光S照射到流体上,流体中的微粒P使光发生散射,因微粒随流体运动,所以存在多普勒效应,散射光的频率将发生变化,设流速为u(通常uc),则有f=f(1-urcsp)(3)图2光束的多普勒散射Fig.2Dopplerdispersionofthebeamoflight同时P也相对于M在运动,M相对于P的运动为-u,故M最终接收到的散射光的频率为f"=f