基于多周期光柵濾波效應(yīng)的測速方法研究

魏玉欣　周哲?！」鸾?/p>

摘 要：提出了將多周期光柵應(yīng)用于光柵濾波測速的新方法，進(jìn)行了理論分析和仿真計算，驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。首先，介紹了多周期光柵濾波測速的基本原理，然后設(shè)計了多種多周期光柵濾波測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，理論計算并分析了光柵透過率函數(shù)、濾波窗口、光柵線間隔、光柵線數(shù)量等不同的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對測速結(jié)果的影響。理論計算結(jié)果表明，多周期光柵濾波測速系統(tǒng)能產(chǎn)生多個獨(dú)立的速度參量，對這多個速度參量求平均值獲得最終的測量速度，可以減小系統(tǒng)誤差，提高測試精度，測試精度與光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞：光柵濾波測速；多周期光柵測速；光柵濾波效應(yīng)；光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)

中圖分類號：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）04-0000-00

1 引言

隨著激光技術(shù)和光電器件的迅猛發(fā)展，基于光學(xué)方法的測速技術(shù)取得了巨大進(jìn)步。與傳統(tǒng)的測速方法相比，光學(xué)測速法具有非接觸式測量、空間分辨率高和動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[1]。目前比較常見的光學(xué)測速法有激光多普勒測速法[2][3]、粒子圖像測速法[4]、激光散斑測速法[5]以及光柵濾波測速法[6]-[9]。其中，激光多普勒測速法發(fā)展比較成熟，國內(nèi)外已發(fā)表了大量關(guān)于激光多普勒測速原理以及應(yīng)用的文章和專利，并已生產(chǎn)出多種激光多普勒測速儀。但是，激光多普勒測速需要相干光源來提供照明，易受激光散斑的影響，從而產(chǎn)生不穩(wěn)定的結(jié)果。

近年來，基于光柵濾波效應(yīng)的測速方法逐漸得到重視。光柵濾波測速不需要相干光源，不會受到激光散斑的影響，具有光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單和機(jī)械穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，而且，在后期的信號處理中，可以使用已經(jīng)比較成熟的激光多普勒測速的信號分析方法，穩(wěn)定性較高。空間濾波測速的基本概念來源于航空相機(jī)控制技術(shù)和紅外光學(xué)跟蹤技術(shù)，而Ator則明確提出將空間濾波方法用于速度的測量，通過模擬利用平行狹縫作為空間濾波器的過程，明確了該方法的可行性[10]。Naito和Tsutsumi給出了空間濾波法的理論基礎(chǔ)，分析了透射光柵的空間功率譜密度函數(shù)，并證明了透射光柵相當(dāng)于一個空間濾波器，能用于對速度的測量。此外，Aizu等人構(gòu)建了一種差分式透射光柵測速計，提高了濾波器濾除多余低頻成分的能力，并證明了其在顯微領(lǐng)域測量流速的有效性，Aizu進(jìn)一步對空間濾波法進(jìn)行了改進(jìn)，使其能感測速度的變化程度?；诠鈱W(xué)成像的特性，空間濾波法還可用于測量光學(xué)系統(tǒng)的離焦量、成像距離以及成像位移等[11]。但相對于激光多普勒測速方法，光柵濾波測速法研究起步相對晚，目前發(fā)展還不夠完善，在測量精度方面還有待提高。

2 基本原理

多周期光柵濾波測速的基本原理如圖1所示，運(yùn)動粒子在光源的照射下發(fā)生散射，散射光經(jīng)聚焦透鏡成像到多周期光柵上，發(fā)生光柵濾波效應(yīng)，光柵后方的光電探測器會接收到變化的光強(qiáng)信息，產(chǎn)生變化的電信號，對電信號進(jìn)行濾波放大、頻率提取，會得到多個中心頻率，通過公式計算可得到每個中心頻率所對應(yīng)的運(yùn)動粒子的速度值，對這些速度值求平均值就可以得到運(yùn)動粒子速度的實(shí)驗(yàn)值。

3 數(shù)值模擬計算

通過上面的介紹可知，粒子的速度信息體現(xiàn)在光柵透過率的功率頻譜中。粒子的像在 軸方向的運(yùn)動速度為 ，因此在 軸方向的空間頻率 ，所以。

4 結(jié)論與討論

理論分析和數(shù)值模擬計算表明，光柵濾波測速系統(tǒng)中，采用多周期光柵能產(chǎn)生多個獨(dú)立的速度信息分量，分別對這些速度信息分量進(jìn)行提取和計算，可得到多個獨(dú)立的速度值，最后對這些速度值求平均值，就可以得到所求速度。此方法可減小系統(tǒng)誤差，提高測量精度，為進(jìn)一步的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和開發(fā)提供了理論依據(jù)。

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