光栅多普勒位移遥测技术的研究

测量运动物体速度和位移的方法有很多,其中利用激光多普勒效应的方法具有非接触、动态响应快、测量精度高、测量范围大和线性度好等优点,在流体的流速测量方面取得了令人满意的效果.近年来,也开始用于固体运动参数的测量,并正在研究扩大其应用领域.在位移测量中,固体散射光的信号弱、信噪比低,还存在着由散射表面纹理因素引起的信号波动,有时会出现信号淹没或信号不连续现象,影响测量精度.衍射光栅的多普勒信号由光栅衍射的主极大光束形成,多普勒频移只与光栅常数有关,而与激光波长无关,因此信号强,信噪比高,抗干扰能力强,使测量系统简化.另外由于光栅的周期性结构,产生的差拍信号是连续的正弦波,减轻了信号处理系统的负担,从而获得高分辨力,易于实现高精度位移遥测.在差动光学系统中引入声光调制器进行频移和分光以实现辨向,实现检测距离2～50 m,分辨力0.4μm.

1　测量原理

　　多普勒效应是指波源、接收器、传播介质或中间反射器之间的相对运动所引起的波频率变化.光栅多普勒效应如图1所示.光栅以速度v在垂直光轴方向作横向运动,频率为f0的激光束以i角照射光栅时,在光栅上p点接收的光频率为

式中:Δfk为第k级衍射主极大所对应的频移值;k为衍射级次.此式表明,在一个运动的光栅上,衍射光束的多普勒频移与入射光的方向和波长均无关系.只与光栅常数、光栅的运动速度和衍射级次有关.衍射级次越高,频移越大,但此时衍射光强减弱.为了获得强的信号,系统选取±1级衍射光作为测量信号,其多普勒频移为Δf1=v/d和Δf-1=-v/d. 

图2给出了测量系统的整体结构.

激光器发射出频率为f0的激光束,经声光调制器预置频移后分为两束,由于声光器件的分束角很小,还需进一步分光,可利用棱镜和平面镜组合(对测量距离较近的系统,如6 m,采用负透镜和大口径成象透镜组合)来实现,再通过准直系统将测量光束准直会聚于运动光栅上,以减小远距离测量中光束的扩散.混频差拍后的返回光束经透镜和直角棱镜缩小会聚在光电接收器上.

按图3所示方式入射时,适当调整光学元件,使参加混频差拍的式(1)中的衍射±1级主极大与式(2)中的衍射-1级主极大重合,并沿光轴方向返回.其中两束光的入射夹角满足

式中:S为速度v对时间积分得到的位移值;N为拍频信号的累计脉冲数;d为光栅常数.

　　由上式可见,拍信号的累计相位角正比于光栅位移S,故由拍频信号的累计脉冲计数即可得到光栅横向位移.