光栅滤波测速

文献综述1选题依据随着科技的进步和社会的发展，越来越多的测量计量领域需要高精度、高效率、无损伤等高要求的检测，这就意味着现代测量计量技术要向着非接触式测量发展。其中，一些非光学速度测量手段，如毫米波雷达、超声波测速仪，已投入实用。由于受到方向性差、发散角大等因素的制约，这些非光学速度测量方法的精度不够高，因此很多情况下不能满足测量要求。随着激光技术和光电器件的迅猛发展，利用光学手段进行速度测量已成为新的发展方向，一些新原理的光学测量方法不断涌现，呈现出百花齐放的新气象。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。目前发展比较成熟并得到广泛应用的是激光多普勒测速法，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，而且，相干光源的成本较高，致使整个激光多普勒测速系统的成本也比较高，不易推广。近年来，光栅滤波效应在速度测量方面被得到重视。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。2国内外研究现状目前，光学测速法主要有4种——激光多普勒测速法、光栅滤波测速法、粒子图像测速法和激光散斑测速法。其中，激光多普勒测速的原理是，运动粒子在激光照射下会发生散射，当光源和运动粒子发生相对运动时，从运动粒子散射回来的光会产生多普勒频移，这个频移量的大小与运动粒子的速度、入射光和速度方向的夹角都有关系，根据散射光中的频移信息可提取出运动粒子的速度信息。光栅滤波测速的原理是，运动粒子在光源的照射下发生散射，散射光经透镜成像到光栅上，随着粒子的运动，粒子的像也会发生运动，从而在光栅的另一面会接收到周期性变化的光强，通过测量这个周期性变化的光强的频率就可以得到粒子的速度信息。粒子图像测速的原理是，用2次或者多次摄像的方法对运动的粒子进行拍照，然后对拍摄到的粒子图像进行分析，从而得到粒子的运动信息。激光散斑测速的原理是，相干光源照射到运动粒子上会发生激光散斑现象，而粒子的运动会导致散斑图像中的干涉强度在时间和空间上发生变化，通过对这些变化的光电信号进行频率分析或相关性分析即可确定被测物的速度。对于上述4种光学测速技术，粒子图像测速法和激光散斑测速法通常应用于流体速度的测量，在此不进行过多的介绍。激光多普勒测速法自20世纪80年代以来就进入了实际应用阶段，发展比较成熟，在国内外都已生产出各种激光多普勒测速仪，但由于其需要相干光源，成本较高，无法普及。光栅滤波测速法的研究起步较晚，直到近年来才被重视，但已经取得了不错的成果。比如，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。Aizu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。现在，一些研究人员把光学空间滤波测速原理同静电传感器的滤波效应结合起来，提出了一种基于空间滤波的静电传感器测量颗粒速度的方法，大大提高了测量精度。但遗憾的是，直到现在国内外还没有一款成熟的产品面世，所以大力开展空间滤波测速是极其有前景和意义的。3空间滤波测速的原理简单地说，凡是能通过改变频谱从而改变输出信息的操作都可称之为空间滤波。如图1，物体的像经过光学透镜L1后在频谱面上得到物信息的频谱，然后在频谱面上放置空间滤波器，以改变或提取某些频段的振幅或相位，处理后的物像再经过光学透镜L2，最后在像平面上得到滤波后的输出信息。ffff物面频谱面像面L1L2图1光学空间滤波示意图因此，空间滤波测速的原理如图2所示，运动粒子在光源的照射下发生散射，同时粒子以速度v0沿x0轴方向运动，散射光经透镜L成像到空间滤波器（光栅）上，而光栅在粒子的像的运动方向（x轴方向）具有空间周期性透射，因为粒子的像以恒定的速度v运动，并且光栅具有恒定的周期p，所以光电探测器接收到的透射光强是周期性变化的，因此光电探测器会输出一个周期性变化的信号，且信号周期vpT，（1）频率Tf1，（2）通过测量这个信号的频率就可以确定粒子的速度，即Mpfv0，（3）其中，M是光学成像系统的横向放大倍率。照明光源x0y0v0运动物体L空间滤波器（光栅）xy光电探测器信号输出v图2空间滤波测速光学系统原理图4空间滤波测速的意义空间滤波测速法不仅适用于固体表面的测速，也适用于流体、旋转体方面的测速。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。而且相比于其他光学测速法，空间滤波测速法具有一下显著优点：（1）光学结构简单，（2）可使用非相干光源，（3）机械稳定性高，（4）光学系统参数易于改变以适应不同场合的要求。所以空间滤波测速法值得重视，有必要进行深入研究并使之产品化。