阅读说明：本技术 一种红外全息用于风速风向测量的装置 (Infrared holography device for measuring wind speed and wind direction ) 是由 张永安 刘建建 张亚萍 田凤仙 刘万里 于 2019-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种红外全息用于风速风向测量的装置,包括红外激光器、红外全反镜Ⅰ、红外分束镜Ⅰ、红外分束镜Ⅱ、红外全反镜Ⅱ、红外分束镜Ⅲ、红外分束镜Ⅳ、红外全反镜Ⅲ、红外全反镜Ⅳ、红外全反镜Ⅴ、红外CCDⅠ、红外CCDⅡ、红外扩束镜Ⅰ、红外准直镜Ⅰ、红外扩束镜Ⅱ、红外准直镜Ⅱ、红外扩束镜Ⅲ、红外准直镜Ⅲ、红外扩束镜Ⅳ、红外准直镜Ⅳ、光纤Ⅰ、光纤Ⅱ、锗平晶Ⅰ等,本发明装置用于风速风向的测量,可以从两个不同的方向分析空气流动的速度,从而得到该区域的实时风速并通过两个方向的风速对比得到风向等信息,拓宽了风速风向测量的手段并提高了对于风速及风向测量的准确度。(The invention discloses an infrared holographic device for measuring wind speed and wind direction, which comprises an infrared laser, an infrared total reflection mirror I, an infrared beam splitter II, an infrared total reflection mirror II, an infrared beam splitter III, an infrared beam splitter IV, an infrared total reflection mirror III, an infrared total reflection mirror IV, an infrared total reflection mirror V, an infrared CCD I, an infrared CCD II, an infrared beam expander I, an infrared collimator I, an infrared beam expander II, an infrared collimator II, an infrared beam expander III, an infrared collimator III, an infrared beam expander IV, an infrared collimator IV, an optical fiber I, an optical fiber II, a germanium plano crystal I and the like, and the device is used for measuring the wind speed and the wind direction, can analyze the flowing speed of air from two different directions, therefore, the real-time wind speed of the area is obtained, information such as wind direction and the like is obtained through the comparison of the wind speeds in the two directions, the wind speed and wind direction measurement means are widened, and the accuracy of the wind speed and wind direction measurement is improved.)

一种红外全息用于风速风向测量的装置

技术领域

本发明公开了一种将红外全息用于风速及风向测量的装置，属于红外全息应用领域。

背景技术

现场风速测量主要有压差式，叶轮式，热球式三种，在户外测量、检测等领域的研究中，主要用压差式检出限低，灵敏度高，但对流场均匀性要求较高，在环境中测量时容易因为流场不均匀而测不准；叶轮式比较耐用，但是常用于长期测量，灵敏度稍差；热球式灵敏度高，量程较大，适应环境测量，但探头中连接热球的铂丝比较脆弱，在使用中若不小心容易造成探头损坏，无法修复。而光学检测具有高灵敏度，不易损坏的优点，且将红外激光应用于户外光学检测能够大大提高系统的抗干扰性及稳定性。

发明内容

本发明提供一种红外全息用于风速风向测量的装置，不仅发挥了红外全息用于室外环境中对风速测量具有更高精度的优点，并且通过两个维度的信息获取与分析计算，进而获取检测区域风向的信息。

本发明所述红外全息用于风速风向测量的装置，包括红外激光器1、红外全反镜Ⅰ2、红外分束镜Ⅰ3、红外分束镜Ⅱ4、红外分束镜Ⅲ5、红外分束镜Ⅳ6、红外全反镜Ⅱ7、红外全反镜Ⅲ8、红外全反镜Ⅳ9、红外全反镜Ⅴ10、红外CCDⅠ11、红外CCDⅡ12、红外扩束镜Ⅰ13、红外准直镜Ⅰ14、红外扩束镜Ⅱ15、红外准直镜Ⅱ16、红外扩束镜Ⅲ17、红外准直镜Ⅲ18、红外扩束镜Ⅳ19、红外准直镜Ⅳ20、锗平晶Ⅰ21、锗平晶Ⅱ22、计算机23、数据线Ⅰ24、数据线Ⅱ25、光纤Ⅰ27、光纤Ⅱ28、红外分束镜Ⅴ29、红外分束镜Ⅵ30、外壳；

外壳是缺角的空心立方体，红外激光器1、红外全反镜Ⅰ2、红外分束镜Ⅰ3、红外分束镜Ⅱ4、红外分束镜Ⅲ5、红外分束镜Ⅳ6、红外全反镜Ⅱ7、红外全反镜Ⅲ8、红外CCDⅠ11、红外CCDⅡ12、红外扩束镜Ⅰ13、红外准直镜Ⅰ14、红外扩束镜Ⅱ15、红外准直镜Ⅱ16、红外扩束镜Ⅲ17、红外准直镜Ⅲ18、红外扩束镜Ⅳ19、红外准直镜Ⅳ20、光纤Ⅰ27、光纤Ⅱ28、红外分束镜Ⅴ29、红外分束镜Ⅵ30设置在外壳内部，红外CCDⅠ11、红外CCDⅡ12分别通过数据线Ⅰ24、数据线Ⅱ25与计算机23连接；外壳的缺角垂直的两个壁上分别设孔，孔上设置锗平晶Ⅰ21、锗平晶Ⅱ22，锗平晶Ⅰ21与红外全反镜Ⅳ9正对，锗平晶Ⅱ22与红外全反镜Ⅴ10正对；

红外激光器1发射出红外激光通过红外全反镜Ⅰ2反射至红外分束镜Ⅰ3，红外分束镜Ⅰ3将红外激光束分为两束相互垂直的光，经红外分束镜Ⅰ3分束后的其中一束红外激光通过红外分束镜Ⅱ4后再分为两束光，经红外分束镜Ⅱ4分束后的其中一束红外激光经红外扩束镜Ⅱ15扩束后再经红外准直镜Ⅱ16准直成为红外平行光，再通过红外分束镜Ⅲ5后再分为两束相互垂直的光，经红外分束镜Ⅲ5分束后的其中一束红外激光经过锗平晶Ⅱ22后穿透过待测区域26，经过红外全反镜Ⅳ10反射至锗平晶Ⅱ22滤去可见光，最后经过红外分束镜Ⅲ5照射到红外分束镜Ⅵ30上，此束红外激光束被称为第一束红外物光束；

经红外分束镜Ⅲ5分束后的其中一束红外激光经过红外全反镜Ⅲ8后，进入光纤Ⅱ28作为参考光，再经过红外扩束镜Ⅲ19扩束后再经红外准直镜Ⅲ20准直后成为红外平行光到达红外分束镜Ⅵ30，此束红外激光束被称为第一束红外参考光束；

经红外分束镜Ⅰ3分束后的另外一束红外激光经红外扩束镜Ⅰ13扩束后再经红外准直镜Ⅰ14准直后成为红外平行光，再经过红外分束镜Ⅴ6反射经过锗平晶Ⅰ21后穿透过待测区域26，经过红外全反镜Ⅲ9反射至锗平晶Ⅰ21滤去可见光，最后经过红外全反镜Ⅱ7反射到红外分束镜Ⅴ29，此束红外激光束被称为第二束红外物光束；

经红外分束镜Ⅱ4分束后的另外一束红外激光进入光纤Ⅰ27作为参考光，再经过红外扩束镜Ⅲ17扩束后经红外准直镜Ⅲ18准直，成为红外平行光到达红外分束镜Ⅴ29，此束红外激光束被称为第二束红外参考光束，待测区域26中锗平晶Ⅰ21、锗平晶Ⅱ22发出的是相互垂直的两束光，分别经过红外全反镜Ⅳ9、红外全反镜Ⅴ10反射回来后依然垂直，获取待测区域两个维度的信息；

红外分束镜Ⅵ30的角度满足第一束红外物光束和第一束红外参考光束两束红外光束为数字全息相干光束，第一束红外物光束和第一束红外参考光束为数字全息相干光束，在红外分束镜Ⅵ30上相干叠加，最后由红外CCDⅡ12接收和记录；红外分束镜Ⅴ29的角度满足第二束红外物光束和第二束红外参考光束两束红外光为数字全息相干光束，第二束红外物光束和第二束红外参考光束为数字全息相干光束，在红外分束镜Ⅴ29上相干叠加，最后由红外CCDⅠ11接收和记录；红外CCDⅠ11和红外CCDⅡ12接收和记录的红外全息干涉信息通过数据线Ⅰ24和数据线Ⅱ25传输给计算机23，计算机23通过对两幅全息图中干涉条纹的对比分析得到测量区域的风速以及风向等信息并进行记录处理和分析计算。

所述红外激光器1发射出的红外激光为红外大气窗口波段中0.8~2μm或3~5μm或8~13μm范围内的波源，以避免在空气中传播时的快速衰减。

所述红外分束镜Ⅰ3、红外分束镜Ⅱ4、红外分束镜Ⅲ5、红外分束镜Ⅳ6、红外分束镜Ⅴ29、红外分束镜Ⅵ30为锗分束镜、硅分束镜或玻璃分束镜。

所述红外扩束镜Ⅰ13、红外扩束镜Ⅱ15、红外扩束镜Ⅲ17、红外扩束镜Ⅳ19为锗扩束镜、硅扩束镜或玻璃扩束镜。

所述红外准直镜Ⅰ14、红外准直镜Ⅱ16、红外准直镜Ⅲ18、红外准直镜Ⅳ20为锗准直镜、硅准直镜或玻璃准直镜。

所述锗平晶Ⅰ21、锗平晶Ⅱ22为前后两个表面相互平行的锗镜，起滤掉可见光的作用。

所述红外全反镜Ⅳ9、红外全反镜Ⅴ10通过支架设置在外壳的缺角垂直的两个壁上或设置在其他固定物上，其他固定物包括树干、电杆、山体、墙壁等。

所述外壳为不透光材料制成，可以为不锈钢外壳、铁皮外壳等，防止可见光进入干扰。

所述第一束红外物光束和第一束红外参考光束两束红外光束所经过的光程相同，第二束红外物光束和第二束红外参考光束所经过的光程相同，以使干涉效果达到最好且降低对红外激光器1相干长度的要求，光纤Ⅰ27、光纤Ⅱ28可以对光程进行调节，本发明中的所有镜面均靠支架等固定在外壳内部，在首次调整角度和位置后，不再动，如果出现问题，比如计算机接收的信息完全不匹配，则打开外壳进行查看，是否有镜面转动或脱落。

本发明使用CCDⅠ11和红外CCDⅡ12分别接收待测区域透射过来的第一束红外物光束与第一束红外参考光束相干涉形成的第一幅全息图、第二束红外物光束与第二束红外参考光束相干涉形成的第二幅全息图，红外CCDⅠ11和红外CCDⅡ12将接收到的红外全息干涉图通过数据线Ⅰ24、数据线Ⅱ25传输给计算机23，由计算机23完成对同一时刻拍摄的两幅全息图的记录、对比分析，得到测量区域的风速以及风向等信息并进行记录处理；根据同一时刻拍摄的两幅全息图的干涉条纹的形状、密度等特征值的变化，得到风向在两个方向的分量，计算得到检测区域的风向，从而实现检测区域风向和风速的实时测量和记录。

本发明的有益效果：

(1)本发明整个装置用不透光的外壳保护和固定，装置上只留两个圆孔位置镶入锗平晶Ⅰ、锗平晶Ⅱ，用于滤去可见光的干扰，提高成像质量。

(2)采用本发明装置用于风速及风向测量，能够快速准确获待测区域的中风速信息，尤其是二维光路的共同作用下检测出检测区域的实时风向更能体现出其优势，能够更好的得到实时的风速及风向数据。

(3)本发明中红外全反镜Ⅳ、红外全反镜Ⅴ可根据测量需求调节距离，改变测量区域的大小，易于安装、调节、使用，在改变红外全反镜Ⅳ、红外全反镜Ⅴ位置时，改变光纤Ⅰ、光纤Ⅱ长度即可。

附图说明

图1是本发明实施例1装置结构示意图；

图中：1-红外激光器；2-红外全反镜Ⅰ；3-红外分束镜Ⅰ；4-红外分束镜Ⅱ；5-红外分束镜Ⅲ；6-红外分束镜Ⅳ；7-红外全反镜Ⅱ；8-红外全反镜Ⅲ；9-红外全反镜Ⅳ；10-红外全反镜Ⅴ；11-红外CCDⅠ；12-红外CCDⅡ；13-红外扩束镜Ⅰ；14-红外准直镜Ⅰ；15-红外扩束镜Ⅱ；16-红外准直镜Ⅱ；17-红外扩束镜Ⅲ；18-红外准直镜Ⅲ；19-红外扩束镜Ⅳ；20-红外准直镜Ⅳ；21-锗平晶Ⅰ；22-锗平晶Ⅱ；23-计算机；24-数据线Ⅰ；25-数据线Ⅱ；26-待测区域；27-光纤Ⅰ；28-光纤Ⅱ；29-红外分束镜Ⅴ；30-红外分束镜Ⅵ。

具体实施方式

为了详细阐明本发明的工作模式，以下结合附图对本发明的具体实施方式进一步进行说明,应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用于解释本发明，但本发明并不仅限于所述实施方式，实施例中所使用的元件如无特殊说明，均为本领域常规可市购得到的元件。

实施例1

一种红外全息用于风速风向测量的装置，如图1所示，包括红外激光器1、红外全反镜Ⅰ2、红外分束镜Ⅰ3、红外分束镜Ⅱ4、红外分束镜Ⅲ5、红外分束镜Ⅳ6、红外全反镜Ⅱ7、红外全反镜Ⅲ8、红外全反镜Ⅳ9、红外全反镜Ⅴ10、红外CCDⅠ11、红外CCDⅡ12、红外扩束镜Ⅰ13、红外准直镜Ⅰ14、红外扩束镜Ⅱ15、红外准直镜Ⅱ16、红外扩束镜Ⅲ17、红外准直镜Ⅲ18、红外扩束镜Ⅳ19、红外准直镜Ⅳ20、锗平晶Ⅰ21、锗平晶Ⅱ22、计算机23、数据线Ⅰ24、数据线Ⅱ25、待测区域26、光纤Ⅰ27、光纤Ⅱ28、红外分束镜Ⅴ29、红外分束镜Ⅵ30、外壳；

外壳是缺了一个角的空心立方体，红外激光器1、红外全反镜Ⅰ2、红外分束镜Ⅰ3、红外分束镜Ⅱ4、红外分束镜Ⅲ5、红外分束镜Ⅳ6、红外全反镜Ⅱ7、红外全反镜Ⅲ8、红外CCDⅠ11、红外CCDⅡ12、红外扩束镜Ⅰ13、红外准直镜Ⅰ14、红外扩束镜Ⅱ15、红外准直镜Ⅱ16、红外扩束镜Ⅲ17、红外准直镜Ⅲ18、红外扩束镜Ⅳ19、红外准直镜Ⅳ20、光纤Ⅰ27、光纤Ⅱ28、红外分束镜Ⅴ29、红外分束镜Ⅵ30设置在外壳内部，红外CCDⅠ11、红外CCDⅡ12分别通过数据线Ⅰ24、数据线Ⅱ25与计算机23连接；外壳的缺角垂直的两个壁上分别设孔，孔上设置锗平晶Ⅰ21、锗平晶Ⅱ22，锗平晶Ⅰ21与红外全反镜Ⅳ9正对，锗平晶Ⅱ22与红外全反镜Ⅴ10正对；

红外激光器1发射出红外激光，红外激光器1发射出的红外激光为红外大气窗口波段中0.8~2μm范围内的波源，以避免在空气中传播时的快速衰减，通过红外全反镜Ⅰ2反射至红外分束镜Ⅰ3，红外分束镜Ⅰ3将红外激光束分为两束相互垂直的光，经红外分束镜Ⅰ3分束后的其中一束红外激光通过红外分束镜Ⅱ4后再分为两束光，经红外分束镜Ⅱ4分束后的其中一束红外激光经红外扩束镜Ⅱ15扩束后再经红外准直镜Ⅱ16准直成为红外平行光，再通过红外分束镜Ⅲ5后再分为两束相互垂直的光，经红外分束镜Ⅲ5分束后的其中一束红外激光经过锗平晶Ⅱ22后穿透过待测区域26，经过红外全反镜Ⅳ10反射至锗平晶Ⅱ22滤去可见光，最后经过红外分束镜Ⅲ5照射到红外分束镜Ⅵ30上，此束红外激光束被称为第一束红外物光束；

经红外分束镜Ⅲ5分束后的其中一束红外激光经过红外全反镜Ⅲ8后，进入光纤Ⅱ28作为参考光，经过红外扩束镜Ⅲ19扩束后再经红外准直镜Ⅲ20准直后成为红外平行光到达红外分束镜Ⅵ30，此束红外激光束被称为第一束红外参考光束；

经红外分束镜Ⅰ3分束后的另外一束红外激光经红外扩束镜Ⅰ13扩束后再经红外准直镜Ⅰ14准直后成为红外平行光，再经过红外分束镜Ⅴ6反射经过锗平晶Ⅰ21后穿透过待测区域26，经过红外全反镜Ⅲ9反射至锗平晶Ⅰ21滤去可见光，最后经过红外全反镜Ⅱ7反射到红外分束镜Ⅴ29，此束红外激光束被称为第二束红外物光束；

经红外分束镜Ⅱ4分束后的另外一束红外激光进入光纤Ⅰ27作为参考光，再经过红外扩束镜Ⅲ17扩束后经红外准直镜Ⅲ18准直，成为红外平行光到达红外分束镜Ⅴ29，此束红外激光束被称为第二束红外参考光束，待测区域26中锗平晶Ⅰ21、锗平晶Ⅱ22发出的是相互垂直的两束光，分别经过红外全反镜Ⅳ9、红外全反镜Ⅴ10反射回来后依然垂直，获取待测区域两个维度的信息，其中红外分束镜Ⅰ3、红外分束镜Ⅱ4、红外分束镜Ⅲ5、红外分束镜Ⅳ6、红外分束镜Ⅴ29、红外分束镜Ⅵ30为锗分束镜；红外扩束镜Ⅰ13、红外扩束镜Ⅱ15、红外扩束镜Ⅲ17、红外扩束镜Ⅳ19为锗扩束镜；红外准直镜Ⅰ14、红外准直镜Ⅱ16、红外准直镜Ⅲ18、红外准直镜Ⅳ20为锗准直镜；锗平晶Ⅰ21、锗平晶Ⅱ22为前后两个表面相互平行的锗镜，起滤掉可见光的作用；红外全反镜Ⅳ9、红外全反镜Ⅴ10通过支架设置在外壳的缺角垂直的两个壁上；第一束红外物光束和第一束红外参考光束两束红外光束所经过的光程相同，第二束红外物光束和第二束红外参考光束所经过的光程相同，以使干涉效果达到最好且降低对红外激光器1相干长度的要求，光纤Ⅰ27、光纤Ⅱ28可以对光程进行调节。

红外分束镜Ⅵ30的角度满足第一束红外物光束和第一束红外参考光束两束红外光束为数字全息相干光束，第一束红外物光束和第一束红外参考光束为数字全息相干光束，在红外分束镜Ⅵ30上相干叠加，最后由红外CCDⅡ12接收和记录；红外分束镜Ⅴ29的角度满足第二束红外物光束和第二束红外参考光束两束红外光为数字全息相干光束，第二束红外物光束和第二束红外参考光束为数字全息相干光束，在红外分束镜Ⅴ29上相干叠加，最后由红外CCDⅠ11接收和记录；红外CCDⅠ11和红外CCDⅡ12接收和记录的红外全息干涉信息通过数据线Ⅰ24和数据线Ⅱ25传输给计算机23，计算机23通过对两幅全息图中干涉条纹的对比分析得到测量区域的风速以及风向等信息并进行记录处理和分析计算。

本实施例中的所有镜面均靠支架固定在外壳内部，在首次调整角度和位置后，不再动，如果出现问题，比如计算机接收的信息完全不匹配，则打开外壳进行查看，是否有镜面转动或脱落。

本实施例装置的工作原理：

红外激光器1发出的红外激光经由本实施例的装置处理后，使用CCDⅠ11和红外CCDⅡ12分别接收待测区域透射过来的第一束红外物光束与第一束红外参考光束相干涉形成的第一幅全息图、第二束红外物光束与第二束红外参考光束相干涉形成的第二幅全息图，红外CCDⅠ11和红外CCDⅡ12将接收到的红外全息干涉图通过数据线Ⅰ24、数据线Ⅱ25传输给计算机23，由计算机23完成对同一时刻拍摄的两幅全息图的记录、对比分析，得到测量区域的风速以及风向等信息并进行记录处理；根据同一时刻拍摄的两幅全息图的干涉条纹的形状、密度等特征值的变化，得到风向在两个方向的分量，计算得到检测区域的风向，从而实现检测区域风向和风速的实时测量和记录。

当实施例1中的外激光器1发射出的红外激光选择红外大气窗口波段中3~5μm或8~13μm范围内的波源；红外分束镜Ⅰ3、红外分束镜Ⅱ4、红外分束镜Ⅲ5、红外分束镜Ⅳ6、红外分束镜Ⅴ29、红外分束镜Ⅵ30选择硅分束镜或玻璃分束镜；红外扩束镜Ⅰ13、红外扩束镜Ⅱ15、红外扩束镜Ⅲ17、红外扩束镜Ⅳ19选择硅扩束镜或玻璃扩束镜；红外准直镜Ⅰ14、红外准直镜Ⅱ16、红外准直镜Ⅲ18、红外准直镜Ⅳ20选择硅准直镜或玻璃准直镜也可以实现实施例1的效果。

当待测区域26的范围较大且在郊外时，可以将红外全反镜Ⅳ9、红外全反镜Ⅴ10固定在树干、电杆或山体上，此时需要调节光纤Ⅰ27、光纤Ⅱ28的长度，使第一束红外物光束和第一束红外参考光束两束红外光束所经过的光程相同，使第二束红外物光束和第二束红外参考光束所经过的光程相同，以使干涉效果达到最好且降低对红外激光器1相干长度的要求。