多点分层差动激光多普勒自身测速仪的研究

　　1　引　　言

　　自从1964年Yeh等证实了可利用激光多普勒频移技术来确定流体速度,激光多普勒自身测速仪(LDV)就以其精度高、线性度好、动态响应快、测量范围大及非接触测量等特点在航天、航海、机械、能源等领域得到快速的发展[1~4]。

　　LDV常见的测量模式有三种:参考光模式、自混合模式及双光束差动模式。其中参考光模式的多普勒信号与接收方向有关,而且探测器孔径的大小也会影响信号的测量精度;自混合模式,由于它是通过检测激光器光强的波动频率进行测量的,所以当工作电流和外界温度发生改变时,光强也会相应地改变,这对多普勒频率测量精度的影响很大;而双光束差动模式,多普勒信号与接收方向无关,探测器的孔径可以任意增大,而且激光光强的波动只会影响信号的信噪比,并不会影响测量精度。双光束差动LDV的诸多优点使其在气体、液体的流速测量及固体表面运动速度的测量等多种场合得到广泛的应用。但是双光束模式要求被测物体处于两光束的交汇处(称为控制体),一旦被测物体离开控制体,多普勒信号就会丢失,即双光束不能进行离焦测量,这大大限制了其应用范围。

　　另外,传统的激光多普勒测速仪都是测量其他物体的速度,如管道流场的速度[5]、微机电系统谐振面内的运动速度[6]和硬目标的转速[7,8]等。目前,用于测量自身速度的LDV国内外鲜见报道。本文设计了多点分层差动LDV,使双光束模式可以进行离焦测量,并且将其用于车载自主导航系统,实现自身速度的测量。

　　2　差动LDV的基本原理

　　如图1所示,当车载系统相对于地面以一定的速度υ运动时,车上的一整套光学系统相对于地面的运动速度也是υ,此时运动的光源发出频率为f0的一束光被分光和会聚系统分成两束光W1和W2,入射到地面上的粒子P上。根据多普勒效应可知,粒子P接收到光的频率分别为

　　几乎同时,运动的光检测器接收静止粒子P的散射光,同样,散射光中包含两种频率成分,分别为

　　式中λ是光源出射激光的波长。

　　由(5)式可知,多普勒频率与车载系统的运动速度成正比,因此通过探测多普勒频率就可以推算载体的运动速度。

　　3　多点分层差动LDV的光路设置

　　3.1　差动LDV的光路布置

　　光路布置如图2所示,He-Ne激光器的输出功率为9 mW,出射激光经过准直镜准直后,被分光棱镜分成等强度、等光程的两束光。由于控制体的体积与光束直径的立方成反比[9],所以为了增大控制体的体积,使用光束压缩镜缩小两光束的直径。压缩后两光束的直径为d,间距为L,通过光阑,由焦距为f1的透镜1将其会聚于地面上,这样光束的夹角为κ=2arctan[L/(2f1)]。由(5)式可知,这里多普勒频率为