声光器件的动态特性及其对激光测速的影响VIP免费

收稿日期:2002-08-06基金项目:高等学校骨干教师资助计划;国家自然科学基金资助项目(No.50076033)作者简介:刘昌文(1963-),男,四川省富顺人,教授,博士,主要从事激光测速技术和微机测控技术研究。文章编号:1004-2474(2003)06-0449-04声光器件的动态特性及其对激光测速的影响刘昌文1,吴正1,罗诗金2,刘杰1,王仕康1(1.天津大学机械工程学院,天津3000722.天津大学无线电厂,天津300072)摘要:在光电混合反馈激光测速系统(OEHF-LDA)和声光扫描激光测速系统(AOS-LDA)中,起光学频移作用的声光调制器和控制测量位置的声光偏转器均处于变频工作模式,因此声光器件的动态特性对系统的性能具有重要的影响。该文从理论分析、数值计算和实验研究入手,具体讨论了声光器件的动态响应特性,它可用具有纯滞后的一阶非周期环节来表征,并深入分析了声光器件的滞后特性对变频光学频移LDA系统的影响,最后提出了对变频声光器件调节的基本要求。关键词:激光多普勒测速;声光扫描;光学频移中图分类号:TN247文献标识码:ADynamicResponseofAcousto-opticDeviceandItsInfluenceonLDALIUChang-wen1,WUZheng1,LUOShi-jin2,LIUJie1,WANGShi-kang1(1.SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.RadioFactoryofTianjinUniversity,Tianjin400072,China)Abstract:Thispaperdealswithimportantinfluenceofacousto-opticdevice'sdynamicresponseonOEHF-LDAandAOS-LDA,inwhichacoustoopticmodulatoranddeflectorworkingwithvariablefrequency.Beginwiththeo-reticalanalysis,dynamicresponseofacousto-opticdeviceisdiscussedthroughcomputationandthetheoreticre-sultsareprovedbyexperiment.ThentheinfluenceofdelayresponseonOEHF-LDAandAOS-LDAisdiscusseddeeply,andfinally.essentialrequirementonadjustmentofacousto-opticdeviceisgiven.Keywords:laserdoppleranemometry(LDA);acousto-opticscanning;opticfrequencyshift1前言激光多普勒流速计(LDA)是在1946年Yeh和Cummius[1]首次通过实验发展起来的测速装置。它具有不干扰测量对象,空间分辨率高,动态响应快,测量范围大等优点,因而得到广泛的应用。在目前的可辨别速度方向的LDA系统中,与固定光学频移LDA系统相比光电混合反馈LDA系统(OEHF-LDA)[2]。解决了信噪比提高和动态测试范围加大之间的矛盾,降低了光电转换器和信号处理部分电子元件的频率响应要求,有利于LDA技术的推广和应用。此外,声光扫描LDA系统(AOS-LDA)[3]的应用实现了对快变流场的测量。在OEHF-LDA和AOS-LDA系统中,声光器件在变频模式下工作[4],其动态特性不仅影响OE-HF-LDA跟踪速度变化的能力和AOS-LDA测量快变流场分布的能力,同时也影响LDA的测量精度,所以对声光器件的动态特性及其对测速性能影响的研究具有重要的现实意义。2声光器件动态特性的研究2.1理论分析声光器件利用换能器发出的超声波与光波在声光晶体中相互作用产生布喇格衍射,实现了光束的频率移动和方向偏转[4,5],方向偏转与频率移动同时发生,以下只以频率移动为例进行分析。由于超声波是机械波,它的传播速度是有限的,换能器距激光光束有一定距离,并且光束本身也有一定大小,所以由某一时刻加于换能器上的电信号激发的超声波达到激光光束有效区域需要一定的时间,穿过激光束也需要一定时间,因而衍射光波对加于换能器上的电信号的频率变化的响应速度是有限的。如图1所示,D表示光束中心到换能器的距离,a表示入射光束光强下降为中心值I0的1/e2时的光束有效半径。这样激光光束的光强分布可以表示为I(x,y)=I0*exp{-2*[x2+(y-D)2]/a2}(1)为了便于分析,假设第25卷第6期压电与声光Vol.25No.62003年12月PIEZOELECTRICS&ACOUSTOOPTICSDec.2003图1激光光束在声光介质内的位置(1)处于y附近dy范围内的+1级布喇格衍射光的频移等于超声波在y处的频率值;(2)衍射光的平均频移等于dy范围内的频移与该范围内衍射光光通量的乘积的积分再比上整个衍射光的通量;(3)在带宽范围内衍射效率均匀,衍射光的强度不随超声波频率变化;(4)声光介质尺寸比光束直径大。在上述假设下,可求得频移对图2所示阶跃信号的动态响应为f1t<0∫vat0∫x′0x0f2exp{-...