激光多普勒离面位移测量系统的光路结构设计

　　1　引　　言

　　实现激光多普勒离面位移测量,其光路结构应实现产生多普勒频移和干涉混频两个过程。由于常用的差动型光路结构要求被测目标始终位于透镜的焦平面位置,以保证两束光会聚于被测物面一点,故当被测物做离面运动时,会出现离焦现象,得不到多普勒频移信号。笔者在应用激光多普勒效应测量离面位移的研究中,通过理论分析和实验,提出了一种新型的参考型光栅光路结构,该光路结构能够有效地产生由离面位移引起的多普勒频移和实现干涉混频,并能产生用于辨向的四相信号。采用该光路结构能够实现被测物的高精度离面位移测量。

　　2　多普勒测量基本原理

　　任何形式的波传播,由于波源、接收器、传播介质或中间反射器或散射体的运动,会使波的频率发生变化[1]。这种频率变化称作多普勒频移。

　　按照相对论的理论,可推导出光学中的多普勒频率ν′公式为[1]:

　　当波源向接收器移近时,V/ccosθ前取“+”,当波源向接收器远离时,V/ccosθ前取“-”。

　　考虑到V c,(1)式可简化为:

　　当光源和观察者是相对静止时,由被测运动物体所散射的光的频移应当作为一个双重多普勒频移来考虑。如图1所示,当光源和观察者不动,被测物D以速度V运动,光源S发出的光经被测物D散射到接收器P。

　　接收器P接收到由被测物散射的光波频率ν″为:

　　Δν对时间的积分为该段时间内的脉冲总数N,V对时间的积分为位移S,于是N与S也成线性关系:

　　因此由Δν也可测知运动物体的位移。

　　当反射体沿光源发出光的传播方向做离面运动,且光源与接收器在同一直线上时,θ1=θ2=0,依据(4)、(5)式,可得到:

　　由以上分析可知,只需设计合适的光路结构,拾取多普勒频移,再经过信号处理系统便可获得物体离面位移信息。

　　3　光路结构设计

　　图2为离面位移测量系统的光路结构。该系统由光源、分光系统、频移拾取、辨向装置等几部分组成。激光源发出的光,经分光元件与被测物后得到频率差为Δv的两束光,该两束光在光栅上实现差拍,得到差拍信号。测量系统通过1/4波片和渥拉斯登棱镜的组合,产生相位差为π/2的四相六路正弦波信号(图2中的12p、12s、13p、13s、14p和14s),用于实现辨向。

　　3.1　光源

　　多普勒测量系统对光源的要求较高。由于光线需经过分光元件才能到达被测物,期间有将近30%的光能损失。且差拍信号的振幅与参加差拍的两束光的振幅乘积成正比,故提高光信号的强度,有利于提高信噪比并可简化信号处理。本实验光路结构选用线偏振光He-Ne激光器作为光源,发散角为1.3mrad,光点小,光强集中,并具有相干性、单色性好、方向性强和亮度高等优点,可满足测量要求。