高精度双波长激光多普勒传感器，支持通过均匀光束重塑技术实现多点同时测量

《Optics & Laser Technology》：High precision dual-wavelength laser Doppler sensor for simultaneous multi-point measurements using uniform beam reshaping

双波长线形交叉束激光多普勒传感器存在条纹间距在y方向非均匀分布问题，导致边缘区域信号质量下降及多点测量精度降低。本研究提出基于波导透镜的光学重构方案，通过调整光束分布形成准平坦顶光强剖面，有效抑制y方向条纹间距变异，同时保持原有干涉几何结构。实验采用高分辨率矩阵相机进行全场条纹分布校准，结果显示659nm和685nm波长下的多普勒频率相对不确定度分别从3.92%降至1.14%、4.01%降至0.80%，相应速度传播相对不确定度也显著改善。

　　

刘文涛|张浩|严国成

大连海事大学测量与控制技术与仪器系，中国大连116026

摘要

线形交叉光束激光多普勒传感器能够实现多点同时速度测量，但实际性能往往受到光束扩展方向上条纹间距空间不均匀性和条纹可见性的限制，从而导致测量一致性降低，尤其是在光束边缘附近。本文提出了一种用于双波长多点激光多普勒传感器的均匀光束重塑方案。该光学改造将辐照度重新分布为沿光束扩展方向的准平顶轮廓，并抑制了相应的条纹间距空间变化，同时保持了原始的干涉几何结构。采用基于矩阵相机的全场校准程序来评估测量场中的条纹间距分布并评估优化效果。实验结果表明，测量区域内的信号质量和条纹间距均匀性得到了改善。在多普勒测量中，提取的多普勒频率的相对不确定性从659纳米处的3.92%降低到1.14%，从685纳米处从4.01%降低到0.80%。相应地，传播的相对速度不确定性分别从4.20%降低到1.28%，从4.12%降低到0.87%。这些结果证明了所提出的光束重塑策略在高精度多点激光多普勒测量中的有效性。

引言

在旋转工件检测、加工过程监控和复杂表面计量等应用中，实现非接触式、多点式和原位测量移动物体面临着重大挑战[1]、[2]、[3]、[4]。为了满足这些需求，关于在复杂操作条件下多维信息获取和测量质量提升的光学测量研究持续进展[5]、[6]。最近，利用交叉干涉光束的双波长激光多普勒传感器方案应运而生，以满足这些要求。这些系统通过叠加两个双波长高斯光束在交叉体积内产生干涉条纹场[7]、[8]、[9]、[10]。这种配置能够在单一光学设置中同时获取横向速度信息，并沿传感器轴线获取轴向距离信息[10]。与传统光学技术不同，这种传感器从散斑信号的多普勒频率和相位差中获取速度和距离数据[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。这些信号来源于光学粗糙表面或穿过条纹体积的颗粒。从根本上说，这两种信号特性都直接依赖于条纹间距[8]、[10]、[15]。

条纹间距的空间分布[9]、[16]、[17]是影响此类传感器测量精度和系统误差的关键因素。在激光多普勒测速中，散斑信号的瞬时频率等于颗粒（或表面散射点）的速度与条纹间距的比值[10]、[13]、[14]。因此，交叉体积内条纹间距的任何不均匀性都会不可避免地引入系统误差。更高的条纹间距均匀性有助于更准确的速度估计，并减少偏差。此外，在多点测量场景中，全场条纹间距分布的准确性至关重要。由于不同的测量点对应于特定的空间位置，多普勒频率或相位差的解释依赖于每个位置的局部条纹间距。因此，在多点激光多普勒传感中，条纹间距的一致性与测量区域内速度和距离解释的可靠性直接相关，而不仅仅是条纹场的局部几何特性。

先前的研究[16]已经为当前双波长激光多普勒传感平台的传感器轴向方向（$z$方向）和横向方向的条纹间距变化推导出了表达式。该平台采用了一种测量架构，其中两个双波长高斯光束相交以产生干涉条纹场，并从散斑信号中提取多普勒特征。对于高斯光束，其传播参数的变化[18]将进一步影响后续的聚焦特性和干涉场的形成特征。此外，这些研究还讨论了光束腰位置[9]、[16]、交叉角和系统参数对条纹场分布的影响。然而，现有模型在某种程度上依赖于特定的近似或条件。在“光束腰与交叉中心良好对齐”等常见操作条件下，这些模型可能适用性不足或难以量化误差来源。当平台包含光束整形元件（如圆柱透镜）以生成线性交叉体积时，这个问题尤为关键。在这种情况下，多点测量对高度方向的稳定性非常敏感。沿几何高度的条纹变化会显著放大系统误差。因此，需要对该平台框架内的三维条纹间距分布进行更精确的分析和实验校准。在现有的双波长多普勒传感实验平台中，实验观察发现垂直于光束交叉平面的方向（以下简称为光束扩展方向，$y$方向）的条纹间距分布明显不均匀。这种分布通常呈现“倒高斯”轮廓。同时，高斯光束空间能量分布的不均匀性降低了远离中心区域的光束扩展方向的条纹可见性。这种降低影响了频域峰值定位的稳定性[19]、[20]、[21]以及条纹间距提取的精度。这些因素在多点测量场景中进一步放大。一方面，沿该方向的条纹间距变化导致不同测量点之间的速度校准不一致。另一方面，边缘区域的信噪比降低增加了多普勒特征提取的不确定性，从而降低了测量的整体可靠性。因此，在原始高斯光束方案下，测量限制不仅体现在条纹间距的不均匀性本身，还体现在边缘区域信号质量的下降上。这两个因素的综合作用进一步影响了条纹可见性、频域峰值定位的稳定性，以及多点测量的准确性和鲁棒性。

为了解决这些问题，本文提出了一种针对线性交叉体积的新型光束重塑优化方案。通过采用基于Powell透镜的光学布置[22]、[23]，重塑了入射光束沿光束扩展方向的能量分布，从而提高了边缘区域的条纹对比度并增强了条纹间距提取的鲁棒性。同时，重塑后的光束抑制了y方向上的条纹间距变化，促进了更均匀的条纹间距分布，同时保持了原始的干涉结构。此外，本研究采用高分辨率矩阵相机进行条纹场校准，以比较优化前后的全场条纹间距分布。随后通过与速度相关的不确定性指标[10]、[12]验证了测量性能的改进。在相同的校准程序、数据处理流程和测量配置下，本研究旨在建立从光束整形到条纹几何均匀化、信号质量提升，最终到测量性能改进的完整改进链。

部分摘录

原始系统的条纹间距分布和信噪比分析

现有的激光多普勒传感实验平台基于Mach–Zehnder测速仪架构[10]、[12]构建，其光路如图1(a)所示。该系统使用两个激光二极管与单模光纤耦合作为光源，工作波长分别为${\lambda }_{}=659\text{nm}$和${\lambda }_{}=685\text{nm}$。选择这些激光波长时充分考虑了市售激光源的性能和成本。

测量配置和校准程序

基于前述的光学分析和光束重塑设计，本研究对现有的双波长激光多普勒传感平台进行了针对性的结构改进和校准实验。目的是观察垂直方向（$y$轴）上线性光束的信噪比和条纹间距分布。为了后续部分的清晰性，图2(a)和(c)中显示的现有激光多普勒传感平台采用的方案是

结论

本研究调查了原始线形高斯光束交叉干涉激光多普勒传感平台在垂直多点测量中的性能限制。为了解决原始线形高斯光束交叉干涉激光多普勒平台在垂直多点测量中的条纹间距不均匀性和边缘区域信号退化问题，本研究提出了一种用于多点测量的光学优化方案。

CRediT作者贡献声明

刘文涛：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，调查，数据管理。张浩：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目管理，方法论，调查，资金获取，正式分析，概念化。严国成：调查，正式分析，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢国家自然科学基金（项目编号52205555）和辽宁省教育厅（项目编号JYTMS20230167）的财政支持。