基于多周期光栅滤波效应的测速方法研究

时间：2024-05-19

魏玉欣　周哲海　桂杰

摘要：提出了将多周期光栅应用于光栅滤波测速的新方法，进行了理论分析和仿真计算，验证了方法的可行性和有效性。首先，介绍了多周期光栅滤波测速的基本原理，然后设计了多种多周期光栅滤波测速系统结构，理论计算并分析了光栅透过率函数、滤波窗口、光栅线间隔、光栅线数量等不同的光栅结构参数对测速结果的影响。理论计算结果表明，多周期光栅滤波测速系统能产生多个独立的速度参量，对这多个速度参量求平均值获得最终的测量速度，可以减小系统误差，提高测试精度，测试精度与光栅结构参数密切相关。

关键词：光栅滤波测速；多周期光栅测速；光栅滤波效应；光栅结构参数

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）04-0000-00

1 引言

随着激光技术和光电器件的迅猛发展，基于光学方法的测速技术取得了巨大进步。与传统的测速方法相比，光学测速法具有非接触式测量、空间分辨率高和动态响应快等优点[1]。目前比较常见的光学测速法有激光多普勒测速法[2][3]、粒子图像测速法[4]、激光散斑测速法[5]以及光栅滤波测速法[6]-[9]。其中，激光多普勒测速法发展比较成熟，国内外已发表了大量关于激光多普勒测速原理以及应用的文章和专利，并已生产出多种激光多普勒测速仪。但是，激光多普勒测速需要相干光源来提供照明，易受激光散斑的影响，从而产生不稳定的结果。

近年来，基于光栅滤波效应的测速方法逐渐得到重视。光栅滤波测速不需要相干光源，不会受到激光散斑的影响，具有光学结构简单和机械稳定性高等优点，而且，在后期的信号处理中，可以使用已经比较成熟的激光多普勒测速的信号分析方法，稳定性较高。空间滤波测速的基本概念来源于航空相机控制技术和红外光学跟踪技术，而Ator则明确提出将空间滤波方法用于速度的测量，通过模拟利用平行狭缝作为空间滤波器的过程，明确了该方法的可行性[10]。Naito和Tsutsumi给出了空间滤波法的理论基础，分析了透射光栅的空间功率谱密度函数，并证明了透射光栅相当于一个空间滤波器，能用于对速度的测量。此外，Aizu等人构建了一种差分式透射光栅测速计，提高了滤波器滤除多余低频成分的能力，并证明了其在显微领域测量流速的有效性，Aizu进一步对空间滤波法进行了改进，使其能感测速度的变化程度。基于光学成像的特性，空间滤波法还可用于测量光学系统的离焦量、成像距离以及成像位移等[11]。但相对于激光多普勒测速方法，光栅滤波测速法研究起步相对晚，目前发展还不够完善，在测量精度方面还有待提高。

2 基本原理

多周期光栅滤波测速的基本原理如图1所示，运动粒子在光源的照射下发生散射，散射光经聚焦透镜成像到多周期光栅上，发生光栅滤波效应，光栅后方的光电探测器会接收到变化的光强信息，产生变化的电信号，对电信号进行滤波放大、频率提取，会得到多个中心频率，通过公式计算可得到每个中心频率所对应的运动粒子的速度值，对这些速度值求平均值就可以得到运动粒子速度的实验值。

3 数值模拟计算

通过上面的介绍可知，粒子的速度信息体现在光栅透过率的功率频谱中。粒子的像在轴方向的运动速度为，因此在轴方向的空间频率，所以。

4 结论与讨论

理论分析和数值模拟计算表明，光栅滤波测速系统中，采用多周期光栅能产生多个独立的速度信息分量，分别对这些速度信息分量进行提取和计算，可得到多个独立的速度值，最后对这些速度值求平均值，就可以得到所求速度。此方法可减小系统误差，提高测量精度，为进一步的系統优化设计和开发提供了理论依据。

参考文献

[1] 朱志雄.空间滤波测速研究进展[J].重庆理工大学学报自然科学版，2015， 29（2）：91-97.

[2] 周健.用于车载自主导航激光多普勒测速仪的初步研究[D]. 国防科学技术大学，2010.

[3] 周健，龙兴武.用于车载自主惯导系统的激光多普勒测速仪[J].中国激光，2010，（5）：1316-1321.

[4] 裴泽光，孙磊磊.喷气涡流纺喷嘴流场的粒子图像测速法测试及分析[J].中国科技论文，2016，11（16）：1826-1829.

[5] 许宏庆.粒子像测速技术（PIV）和激光散斑测速技术（LSV）的实验研究[J].气动实验与测量控制，1995，9（2）：9-15.

[6] 苏广飞，钱涓.光栅法激光测速的研究[J].华南理工大学学报：自然科学版，1989，（3）：81-87.

[7] Aizu Y， Asakura T. Principles and development of spatial filtering velocimetry[J]. Applied Physics B， 1987，43（4）：209-224.