基于多周期光柵濾波效應的測速方法研究

魏玉欣　周哲海　桂杰

摘 要：提出了將多周期光柵應用于光柵濾波測速的新方法，進行了理論分析和仿真計算，驗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，然后設計了多種多周期光柵濾波測速系統結構，理論計算并分析了光柵透過率函數、濾波窗口、光柵線間隔、光柵線數量等不同的光柵結構參數對測速結果的影響。理論計算結果表明，多周期光柵濾波測速系統能產生多個獨立的速度參量，對這多個速度參量求平均值獲得最終的測量速度，可以減小系統誤差，提高測試精度，測試精度與光柵結構參數密切相關。

關鍵詞：光柵濾波測速；多周期光柵測速；光柵濾波效應；光柵結構參數

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

1 引言

隨著激光技術和光電器件的迅猛發展，基于光學方法的測速技術取得了巨大進步。與傳統的測速方法相比，光學測速法具有非接觸式測量、空間分辨率高和動態響應快等優點[1]。目前比較常見的光學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展比較成熟，國內外已發表了大量關于激光多普勒測速原理以及應用的文章和專利，并已生產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，從而產生不穩定的結果。

近年來，基于光柵濾波效應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，具有光學結構簡單和機械穩定性高等優點，而且，在后期的信號處理中，可以使用已經比較成熟的激光多普勒測速的信號分析方法，穩定性較高。空間濾波測速的基本概念來源于航空相機控制技術和紅外光學跟蹤技術，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，分析了透射光柵的空間功率譜密度函數，并證明了透射光柵相當于一個空間濾波器，能用于對速度的測量。此外，Aizu等人構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域測量流速的有效性，Aizu進一步對空間濾波法進行了改進，使其能感測速度的變化程度。基于光學成像的特性，空間濾波法還可用于測量光學系統的離焦量、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，運動粒子在光源的照射下發生散射，散射光經聚焦透鏡成像到多周期光柵上，發生光柵濾波效應，光柵后方的光電探測器會接收到變化的光強信息，產生變化的電信號，對電信號進行濾波放大、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的運動粒子的速度值，對這些速度值求平均值就可以得到運動粒子速度的實驗值。

3 數值模擬計算

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

4 結論與討論

理論分析和數值模擬計算表明，光柵濾波測速系統中，采用多周期光柵能產生多個獨立的速度信息分量，分別對這些速度信息分量進行提取和計算，可得到多個獨立的速度值，最后對這些速度值求平均值，就可以得到所求速度。此方法可減小系統誤差，提高測量精度，為進一步的系統優化設計和開發提供了理論依據。

參考文獻

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