一种对运动对象(OBJ)的速度进行检测的方法，该方法包括以下
步骤：使相干光束通过具有其上形成有交替的不透明区域及透明区域的
图案的光学掩模(MA)，由此使得具有交替的明暗条纹的图像沿着所述
光束投射；使所述运动对象穿过所述投射图像，使得所述光束的一部分
从所述运动对象反射，作为脉冲序列；对所述反射的光脉冲及所述脉冲
的频率进行检测；以及计算作为所述脉冲频率与所述图像的各个条纹之
间的已知间隔的函数的所述对象的速度。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及对穿过预定视场(field of view)的对象的速度进行测量 的速度检测器。
技术介绍
在现有技术中，一种称为激光多普勒速度测量(LDV: Laser Doppler Vdocimetry)的技术利用了激光的相干特性，来使得偏振相同的两束相 交激光束会聚在单个基准点上，由此在预定的测量区内形成线性的、彼 此规则地间隔的干涉条纹。穿过该测量区的对象会将来自这些条纹的入 射光通过透镜系统反射回到检测器，并且能够产生可以被理解为表示该 对象的速度的信号。该信号频率与条纹间隔及该对象的速度有关。对于 精密的激光束几何形状，条纹间隔非常规则，这使得能够准确地测量速 度。利用这种技术的仪器通常称为速度计。对于从速度计最后会聚透镜以间隔L射出并且其光束直径均为5的 两束激光束，在这两束光束的交叉点处产生的测量区内的条纹数n由下 式给出其中是数学常量Pi (3.14159...)。对于波长为X的激光束以及焦距为f的会聚透镜，测量区的直径D 由下式给出 'n = 4/ti*m本领域技术人员可以理解的是，会聚的激光束在有限直径D及长度 的情况下在会聚点处形成"束腰(beamwaist)"。作为示例，并且为了解释稍后的讨论，考虑焦距为250 mm的会聚 透镜以及光束间隔为45 mm、光束直径为2 mm且波长X=780 nm的一对激光束。因此，条纹数N和测量区直径D为N = 4/TI*L/5 D-4/n承薦 N = 1.273 * 45/2.0 D = 1.273 * 780 * 109 * 250/2.0 N = 28个条纹 D-124微米 这样得到了测量区内的条纹间隔为D/N-4.4微米。 这些条纹相对于激光束的给定偏振轴的取向是固定的，该取向是产 生这些条纹的干涉效应的函数。如果两个激光束没有精确地在它们的焦点(称为"束腰")处交叉， 则会损害这些条纹的几何规则性，并且条纹间隔会在测量区的整个长度 内变化。因此，随着按照恒定速度行进的对象穿过该测量区的不同部分 时，它会产生不同的频率，这是并不期望的效果。在上述示例中，测量 区长度小于1 mm，并且该速度计中所使用的透镜及光学元件的制造精度 必须达到非常高的标准(并且因此这些元件非常昂贵)，以实现条纹间隔 的一致性。利用上述示例，穿过测量区的对象会产生具有由下式确定的速度常 量Fout的信号 Fout = N/DFout = 0.227 * 106 Hz/米/秒由于速度测量可以用于对尺寸非常小(有时，直径为亚微米)的高 速粒子的速度进行测量，所以所使用的检测器的灵敏度必须很高，这是 因为在该粒子通过条纹时由它散射的光量非常小。为了测量较高速度， 所使用的检测器的带宽也必须较高。因此，该检测器的增益-带宽积较高， 这增大了成本。在有限情况下，检测器所要求的成本太高，以致于对于某 些应用来说使用速度计测量显得不经济。同样，在上述示例中，具有足够的灵敏度来对(例如)来自小型火 箭发动机的1到3微米直径范围的高速烟尘及碎屑排出物进行测量的检 测器可能只有10MHz的带宽。因此，能够测量的最大速度是10/0.227 = 44米/秒。然而，燃烧室排出物的速度很容易就达到数百米每秒，并且对 于大功率火箭来说，会达到数千米每秒的速度。带宽限制将导致不能使用这种仪器。由于穿过的对象相对于速度计的方向会变化，或者在某些情况下该 方向未知，所以必须旋转整个速度计以确保条纹取向与对象路径垂直。 这并不是总是可行的，或者进而会造成激光束与该仪器的视场内的其它(未指明的)对象交汇，导致激光不被期望地反向散射(backscatter)到 该仪器中。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种对运动对象的速度进行检测的 方法，该方法包括以下步骤使相干光束通过具有其上形成有交替的不 透明区域及透明区域的图案的光学掩模，由此使得具有交替的明暗条纹 的图像沿着所述光束投射；使所述运动对象穿过所述投射图像，使得所 述光束的一部分从所述运动对象反射，作为脉冲序列；对所述反射的光 脉冲及所述脉冲的频率进行检测；以及计算作为所述脉冲频率与所述图 像的各个条纹之间的己知间隔的函数的所述对象的速度。使得所述光束形成初始焦点，并且使得所述光学掩模位于所述初始 焦点处或者所述初始焦点之前。作为附加或者替换方式，所述光学掩模 可沿着所述光束的轴运动和/或以能够围绕所述光束的轴旋转的方式被调 节。所述光学掩模可以包括等间隔线的图案或不等间隔线的图案。根据本专利技术的第二方面，提供了一种对运动对象的速度进行检测的 装置，该装置包括相干光源，该相干光源被设置为生成相干光束；光 学掩模，该光学掩模具有其上形成有交替的不透明区域及透明区域的图 案，并且该光学掩模被设置为使所述光束通过所述掩模，使得具有交替 的明暗条纹的图像沿着所述光束投射；以及光检测器，该光检测器被设 置为接收从穿过所述投射图像的运动对象所反射的光，并对所反射光的 脉冲频率进行检测，所述脉冲频率是所述运动对象的速度的指示。第一透镜组件可以被设置为使所述光束会聚在焦点区域上，其中， 所述光学掩模位于所述第一透镜组件与所述焦点区域之间。所述光学掩 模还可以被设置为可沿着所述光束的轴运动，并且作为附加或者替换方6式，能够以围绕所述光束的轴旋转的方式调节所述光学掩模。所述光检测器可以包括光传感器和第二透镜组件，该第二透镜组件具有接收区并且被设置为使在所述接收区内反射的光会聚到所述光传感器上。此外，所述光传感器的与所述光束有关的取向是可调节的。所述光学掩模可以包括等间隔线的图案或不等间隔线的图案。所述相干光源优选地是激光发生器。附图说明现在参照附图，通过仅是说明性的示例来描述根据本专利技术的实施方 式的速度检测器，在附图中-图1是示出在对象穿过预定视场时的根据本专利技术的实施方式的速度检测器的示意图2是示意性示出了由穿过图1的速度检测器的测量区的对象所产 生的信号的示例；以及图3示出了被印制到掩模上的用于图1的速度检测器的多个可能的 图案中的一个图案。具体实施例方式图1示意性地示出了根据本专利技术的实施方式的速度检测器。该速度 检测器VD具有预定的视场FV，并且包括激光组件LA，激光组件LA 产生具有初始直径BD的会聚光束，会聚光束通过掩模组件MA，掩模组 件MA例如包括设置在玻璃基板上的具有不透明线的图案(如图3所示)。 掩模图案调制激光束，激光束然后被透镜组件LE再次会聚成具有光束直 径OD的平行输出光束。该输出光束将掩模的图像沿着光束的长度投射， 这种图像是具有明暗"条纹"的图案。当穿过输出光束的对象穿过各个 明条纹时，它会按照脉冲序列的形式反射来自条纹FS的光，该脉冲的频 率由对象速度及条纹图案确定。所反射的光被具有接收透镜RL的光电检 测器组件DE检测到，并且能够被引导及会聚到穿过该光束的对象OBJ 的路径上，由输出光束与接收透镜RL的接收区的交叉部分创建预定视场FV。因此，所检测到的脉冲频率可被用于推导出运动对象的速度，艮P， 该速度由频率+速度常量给出。激光组件LA具有会聚装置LF，会聚装置LF使得激光束会聚在称 为"束腰"的点BW处，束腰的最小直径具有给定波长及已知光束几何 形状的激光的预定特性。掩模组件MA安装在掩模载架(carrier)中，掩本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种对运动对象的速度进行检测的方法，该方法包括以下步骤： 使相干光束通过形成有交替的不透明区域及透明区域的图案的光学掩模，由此沿着所述光束投射具有交替的明暗条纹的图像； 使所述运动对象穿过所述投射图像，使得所述光束的一部分从所述 运动对象反射，作为脉冲序列； 对所述反射的光脉冲及所述脉冲的频率进行检测；以及 计算作为所述脉冲频率与所述图像的条纹之间的已知间隔的函数的所述对象的速度。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯多佛·伊恩·莫伊尔，
申请(专利权)人：克里斯多佛·伊恩·莫伊尔，
类型：发明
国别省市：GB
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