远距离处固体面内位移测量的研究

　　1　引　　言

　　激光多普勒测量技术以其线性度好、响应快、精度高、测量范围大以及非接触、测量智能化等特点在流体流速和振动测量等方面得到了长足的发展[1]。随着近代工业的快速发展,对计量测试技术要求越来越高,航空、军工、机械、建筑等各个领域中的许多测量要求在特殊的条件下进行,如高温、高压、高速、放射性及强腐蚀等,因此,开发研究远距离处散射体的运动参数如位移测量具有重要的现实意义。但是在远距离处,固体散射面的多普勒信号十分微弱,信噪比也很低,并且受许多因素的影响有时还出现信号的淹没或不连续,测量精度低。为此研究了能获得高信噪比、高精度的差动方法,锁相放大和数字滤波、同态滤波等技术,用所设计的差动光路、锁相放大器和同态滤波器等构成的系统圆满地实现了50m处普通纸张的面内位移测量。

　　2　检测系统结构及原理

　　所设计的用于远距离面内位移测量的系统由差动光路、锁相放大器、数字滤波器、同态滤波器等组成。如图1所示为差动式激光多普勒光路,它由激光器L、1/2波片、声光调制器A、相位光栅G、会聚透镜O、反射棱镜R、光电接收器E组成。该系统具有调整方便,可大口径接收散射光能,充分利用激光功率的优点。

　　本系统的差动光路采用声光调制器A和位相光栅G来分束。其中A由驱动源(产生频率为fc的超声波)、转换器和超声波介质(晶体)等组成。其工作原理是利用声光效应,即使超声波通过转换器在介质中传播引起介质折射率的周期性变化而产生类似于运动位相光栅的效应(这时光栅常数Λ等于超声波波长λΛ),因此当频率为f0的激光束以布拉格角ib入射到声光调制器A上时就会产生频率为f0的0级和频率为(f0+fc)的+1级衍射光,如图2所示。

　　这时两束衍射光间的夹角α可由下式求出,即由:

　　若将λ=632.8nm,fc=10MHz,v=8000m/s代入,则 可见调制器所产生的两束衍射光分开得很小。即使增大fc,α仍很小。

　　为了得到强的多普勒信号还需要采用大口径透镜来收集或使两束衍射光分得更开,即使α角更大。为此采用位相光栅[1],如图3(a)所示为其部分横截面,其振幅透射率: 如图3(b)所示为其分布。理论可以证明当φ(x)=b=2πλ(n-1)h=π时,其零级和偶次级衍射光强为零,而±1级衍射的相对强度均为40%;±3级均为4.5%……因此选取(+1,+1)和(0,-1)两级衍射光可得更大的夹角,如图3(c)所示为其衍射光方向,选它们作测量光束更好(将其它级次的衍射光挡掉)。这时两测量光束间的夹角为:

　　它们可用满足以下条件的透镜0来收集: