激光多普勒位移测量中散射光多普勒信号强度与系统结构参数相关的分析研究

　　1　引言

　　激光多普勒测量技术以其精度高、线性度好、动态响应快、测量范围大、非接触测量等特点在流体流速测量方面得到很大的发展[1]。随着近代工业的迅速发展,对计量测试技术要求越来越高。航空、军工、机械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、放射或腐蚀介质或小空间等。根据工业生产实际的需要,将多普勒测量技术应用到固体的运动参数测量越来越受到重视。衍射光栅的多普勒效应信号强、信噪比高、抗干扰能力强,因此光栅多普勒方法最先应用于位移的远距离测量中[2]。在实际应用中,利用固体散射面的多普勒效应,进行固体运动参数测量有更大的意义。但是固体散射面的多普勒信号十分微弱,信噪比低,并且受多种因素的影响,有时还会出现信号的淹没,影响测量精度。因此,利用固体表面散射的激光多普勒效应进行测量,信号的质量至关重要,提高信号强度对实现可靠测量具有重要意义。本文以差动多普勒测量系统,结合激光散斑理论,研究了光路结构参数对信号强度的影响,导出了计算公式,并进行了实验验证。这一结果对利用激光多普勒效应进行固体的运动参数测量的光路设计,具有重要意义。

　　2　原理和理论分析

　　2·1　散射体激光多普勒位移测量系统

　　图1所示为位移测量的差动多普勒系统。该系统具有调整使用方便、可大口径接收散射光能量、充分利用激光功率的优点。系统由激光器L、声光调制器A、相位光栅G、会聚透镜O、直角棱镜R、光电接收器E组成。

　　由激光器发出的频率为f0的激光束,以布喇格角入射到声光调制器上,形成频率为f0的0级和频率为40 MHz+f0的+1级衍射光,并调整两束光的光强接近相等。声光器件的分束角很小,由相位光栅G选取适当衍射级的主极大以扩大测量光束的分离角。为使两束光的光强接近相等,我们选取的是(0,0)和(+1,+1)衍射级用作测量光束,其他衍射光束采用光阑挡去。两束测量光束经透镜以θ角汇聚于被测目标M。散射光束经目标M表面返回再通过会聚透镜和反射棱镜成像于光电接收器。被测散射体目标的移动速度为V,则散射光的多普勒差频信号Δf为:

　　2·2　散射激光束的多普勒信号强度

　　将图1的差动多普勒系统简化为图2。两束光照射散射面,用透镜收集散射光散斑图像,并汇聚到光电接收器的光敏面上。可以用透镜表面作为散斑图像的观察面,来分析光电接收器的信号强度。

　　根据散斑理论[3]可知:(1)观察面上,从大尺度来看,平均光强相同,每个表观颗粒上所携带的光功率与表观颗粒的面积成正比。(2)在同一散斑颗粒上散射光的相位相同,这一相位随散斑颗粒不同而变化,是一个随机变量,其频率密度函数为: