CN101788565A - 多点分层型差动激光多普勒测速仪 - Google Patents

Abstract

多点分层型差动激光多普勒测速仪属于激光和精密测量技术领域，由光学模块和信号采集与处理模块两部分组成。所述的光学模块含有多个光学探头，每个光学探头都是双光束差动模式。将整个光学系统装置在车式自主惯性导航系统中，在垂直于地面的方向上将多个探头依次分层分布在车载系统中的不同部位，分别探测各自测量区域，无论车式载体如何振动、地面如何凹凸起伏，地表总会位于某一个或多个光学探头的测量区域，对所有探头的输出信号进行有效性判别，就可以提取有效的多普勒信号，通过快速傅立叶变换的方法从有效的多普勒信号中提取多普勒频率，进而求出车式载体的运动速度。本发明多点分层型差动激光多普勒测速仪是利用多点分层技术，将整个测量区域划分为若干个小的测量区域，每一个测量区域由一个光学探头探测，在保留差动激光多普勒测速仪诸多优点的同时，实现离焦测量，具有精度高、线性度好、动态响应快、测量范围大及非接触测量等特点。

Description

多点分层型差动激光多普勒测速仪

技术领域

本发明是设计一种高精度新型激光测速仪，主要用于车载惯性导航，为导航系统提供精确的速度参数，属于激光和精密测量技术领域。

背景技术

目前，车载惯导系统中的速度参数主要是通过两种方式来获取。一种是利用车载加速度计测量载体相对于参考坐标系的加速度，计算得到载体速度变化量，结合初始值，得到载体的速度参数。另一种是借助于全球定位系统(GPS)获得载体的速度。这两种测速方式都有自身的缺点。现用的加速度计都是基于测比力的原理，它虽然是自主测试装置，但(1)它测量的是运动体的视加速度，而不是绝对加速度，另外还需要通过计算引力场产生的加速度，才能得到运动体的绝对加速度；(2)由于它是通过质量体进行测量的，存在受过载影响的误差项；(3)测量的误差项较多，需要复杂的计算进行修正。而GPS虽然具有全球性、全天候、高精度、实时定位系统等优点，但(1)它是美国国防部研制的第二代卫星导航系统，属于非自主式的系统，无法装配于部队的作战武器；(2)它的动态性能和抗干扰能力较差。

激光多普勒测速仪是基于激光多普勒效应，利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息的。激光多普勒测速技术的研究始于1964年，经过几十年的发展，日趋成熟，同时信号处理技术、近代激光技术及微制造技术的发展给激光多普勒测速仪的研究提供了有利条件。激光多普勒测速作为一种新型的速度传感器，逐渐成为国内外速度测量研究的热点。

自从1964年Yeh等人证实了可利用激光多普勒频移技术来确定流体速度(Y.Yeh，H.Z.Cummings.Localized flow measurements with aHe-Ne laser spectrometer[J]，Appl，Phys.lett，176(4)：176-178(1964))，激光多普勒测速仪就以其精度高、线性度好、动态响应快、测量范围大及非接触测量等特点在航空、航天、机械、能源等领域得到快速的发展。目前美国、英国、丹麦、奥地利等国均有成熟的激光多普勒测速产品。其中美国光动公司的产品最具有代表性，开发出MCV-500、2002、3500、4000、5000激光多普勒测量仪等系列的产品(徐洁兰，刘艳.美国光动公司的新品首次亮相[J].制造技术与机床，2007，6，17～18)，其质量均达到ISO标准，可用于位置精度、直线度、转台精度、速度、加速度和振动等多方面的测量。日本卡西欧及欧姆龙公司致力于多普勒光纤速度传感器的医学应用(Takahiro Ito，Renshi Sawada，and Eiji Higurashi.Integrated Microlaser Doppler Velocimeter[J].Journalof Lightwave Technology，1999，17(1)：30-34.)，如光纤血流计，可以作高精度血液流速测量，可以测量静脉、动脉、冠状血管和皮肤毛细血管的血流速度，用以诊断心血管疾病。

综合目前已有激光多普勒测速仪，双光束差动的类型较多，主要是因为其多普勒信号与接收方向无关，探测器的孔径可以任意增大，而且激光光强的波动只会影响信号的信噪比，并不会影响测量精度。但是这些产品，其探头的控制体(两光束的相交区)较小，测量范围远远不能适应车式载体的上下振动和地面高度的起伏等环境，是不能用于车载惯性导航系统进行离焦测量的。目前世界上尚未有适用于车载惯性导航系统的激光多普勒测速仪研制成功的相关报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服以往双光束差动激光多普勒测速仪不能进行离焦测量的缺点，提出了一种新型的多点分层型差动激光多普勒测速仪，大大增大了系统的测量景深，使其能够适应车式载体的上下振动和地面高度的起伏等环境，将整个测速系统安装在车式载体上，实时地为车载惯性导航系统提供精确的速度参数。

本发明的基本原理是基于多点分层的思想，将整个测量区域划分为若干个小的测量区域，每一个测量区域由一个光学探头探测，在垂直于地面的方向上将多个探头依次分层分布在车载系统中的不同部位，分别探测各自测量区域，无论车式载体如何振动、地面如何凹凸起伏，地表总会位于某一个或多个光学探头的测量区域，最后只需要对所有探头的输出信号进行有效性判别，就可以提取有效的多普勒信号，进而求出车式载体相对于地面的运动速度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

传统的单探头激光多普勒测速系统主要由光学模块和信号采集与处理模块两部分组成。光学模块是整个测速仪的核心，分为光发射系统和光接收系统，其中光发射系统由固体激光器、准直镜、分光棱镜、光束压缩镜、光阑和聚焦透镜组成；光接收系统由接收透镜、窄带滤光片、针孔光阑和雪崩二极管模块组成。激光器发出的一束激光经过准直镜准直后，被分光棱镜分成了等强度、等光程的两束平行光，聚焦透镜将两束平行光会聚于地面，当载体运动时，部分散射光被接收透镜会聚到探测器的光敏面上，输出信号中包含与载体运动速度成正比的多普勒频率项，这样通过探测多普勒频率就可推算出车式载体的运动速度。但是这种传统的双光束差动激光多普勒测速仪，其控制体的长度有限，即测量景深为

$l_m=\frac{4\mathrm{\λ}{f}_1}{\mathrm{\π}d\sin (\mathrm{\κ}/2)}---\left(1\right)$

其中λ是激光的波长，f₁是会聚透镜的焦距，d是两光束的间距，κ是两光束的夹角。当地面在这个高度范围内，则存在多普勒信号；当地面在不在这个高度范围内，多普勒信号就会丢失，无法进行速度测量。

针对这一特点，本发明提出了一种新型多点分层型差动激光多普勒测速仪。由于通过选择适当的光学参数，单个探头的测量范围可以达到厘米量级，甚至几十厘米，所以可以利用多个探头，在垂直于地面的方向上将其依次分层分布在车载系统中的不同部位，即固定探头1使其测量范围为0～l_m，固定探头2使其测量范围为l_m～2l_m……依此类推，固定探头n使其测量范围为(n-1)l_m～nl_m，这样无论车式载体如何振动、地面如何凹凸起伏，地表总会位于某一个或多个探头的测量区域，最后只需要对所有探头的输出信号进行有效性判别，就可以提取有效的多普勒信号，进而求出车式载体的运动速度，为

$\mathrm{\υ}=\frac{\mathrm{\λ}{f}_D}{2\sin (\mathrm{\κ}/2)}---\left(2\right)$

其中υ是车式载体的运动速度，f_D是多普勒频率，κ两束光的夹角。

本发明的工作原理详细分析如下：

当车式载体在平坦的地面上行驶时，由于载体本身的振动，使得地面离各个探头的距离不停的变化。若地面处于探头1的测控体内，只有探测器1输出的信号为有效的多普勒信号，其他探头均处于离焦状态，输出的信号无效；若地面处于探头2的测控体内，只有探测器2输出的信号为有效的多普勒信号，同样其他探头均处于离焦状态，输出的信号无效……只要对各个探头输出的信号实时地进行信号判别，就可以从中选出一组有效的多普勒信号，对多普勒信号进行谱分析就可以提取出多普勒频率，从而求出载体的运动速度。

当载体在凹凸不平的地面上行驶时，地面上可能有不同的点处于不同探头的控制体内，所以会有两个或两个以上的探头输出的多普勒信号有效。同样对各个探头输出的信号进行信号判别，选出信噪比较高多普勒信号，用于载体速度的测量。

这样，无论载体如何振动，地面如何颠簸，总会有一组或多组有效的多普勒信号存在，即这种多点分层型双光束系统可以有效地进行离焦测量。

本发明与现有的激光多普勒测速仪相比优点在于：

(一)利用多点分层技术，保留了双光束差动激光多普勒测速仪原有的各项优点，并解决了其进行离焦测量的难题。

(二)充分运用高速的信号处理技术，实现系统实时测量的功能。本发明利用对多个探头输出信号的有效性判别，代替自适应地控制单个探头与地面的距离。因为通过机械装置来调整探头与地面的距离，反应时间长，无法满足车式载体的高速运动，而数字信号的处理与判别，响应时间短，完全可以适应车式载体的高速运动。

(三)用单纵模固体激光器代替传统的He-Ne激光器或者半导体激光二极管，使激光器同时具有线宽窄，功率大及体积小等诸多优点，有利于提高多普勒信号的信噪比及空间分辨率。

附图说明

图1为单探头激光多普勒测速仪的光路结构图；

图2为多点分层型差动激光多普勒测速仪的结构图；

图中1为单纵模固体激光器，2为光束准直镜，3为分光棱镜，4为光束压缩镜，5为光阑，6为聚焦透镜，7为收集透镜，8为窄带滤光片，9为针孔光阑，10为雪崩二极管模块，11为光束分束器，12为1号光学探头，13为1号雪崩二极管模块，14为2号光学探头，15为2号雪崩二极管模块，16为n号光学探头，17为n号雪崩二极管模块，18为地面，19为信号采集与处理模块，20为显示模块，21为车式载体，v为车式载体的运动速度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施示例作详细的说明。但不应因此限制本发明的保护范围。

多点分层型差动激光多普勒测速系统包含多个光学探头，每个探头内部的光路结构如图1所示，单纵模固体激光器1发出的一束波长为532nm，功率为50mW激光，准直镜2控制激光束的发散角，分光棱镜3将其分成了等强度、等光程的两束平行光，光束压缩镜4压缩光束直径，光阑5去除部分背景光，聚焦透镜6将两束平行光会聚于地面，当载体运动时，部分散射光被接收透镜7会聚到雪崩二极管模块10的光敏面上，其中窄带滤光片8和针孔光阑9的作用是去除其它噪声的干扰。这样，当探头相对于地面运动时，雪崩二极管模块10的输出信号中就包含与探头运动速度成正比的多普勒频率项，通过探测多普勒频率就可推算出探头相对于地面的运动速度。由于两光束的相交的区可以近似看成一个椭球，其长度为l_m，即单个探头的测量范围为0～l_m。为了使测速仪能够适应车式载体的上下振动和地面高度的起伏等复杂的环境，需要解决离焦测量的难题，本发明提出了多点分层的思想，将整个测量区域划分为若干个小的测量区域，每一个测量区域由一个探头探测，如图2所示。在垂直于地面的方向上将多个探头依次分层分布在车载系统中的不同部位，即固定1号探头12，使其测量范围为0～l_m，固定2号探头14使其测量范围为l_m～2l_m……依此类推，固定n号探头16，使其测量范围为(n-1)l_m～nl_m，每个的雪崩二极管模块探测相应光学探头的散射光，即1号雪崩二极管模块13探测1号光学探头12的散射光，2号雪崩二极管模块15探测2号光学探头14的散射光，……，n号雪崩二极管模块17探测n号光学探头16的散射光。每个雪崩二极管模块的输出信号都传送到信号采集与处理模块19，由它来处理所采集的信号，并根据信号的幅度与阈值的大小关系判断哪个光学探头的信号是有效的，最后根据有效多普勒信号的频率求得车式载体的运动速度，由显示模块20将结果显示出来。这样无论车式载体21如何振动、地面18如何凹凸起伏，地表总会位于某一个或多个光学探头的测量区域，最后只需要对所有探头的输出信号进行有效性判别，就可以提取有效的多普勒信号，然后通过快速傅立叶变换的方法从有效信号中提取多普勒频率，进而求出车式载体21的运动速度。

Claims (7)

1.一种多点分层型差动激光多普勒测速仪，其特征在于利用多点分层技术，将整个测量区域划分为若干个小的测量区域，每一个测量区域由一个光学探头探测，在保留差动激光多普勒测速仪诸多优点的同时，实现离焦测量。

2.根据权利要求1所述的分层型差动激光多普勒测速仪，其特征在于由光学模块和信号采集与处理模块两部分组成，其中光学模块含有多个光学探头，每个光学探头都是双光束差动模式。

3.根据权利要求1和2所述的分层型差动激光多普勒测速仪，其特征在于车式载体的运动速度与多普勒频率之间的关系为

$\mathrm{\υ}=\frac{\mathrm{\λ}{f}_D}{2\sin (\mathrm{\κ}/2)}$

其中υ是车式载体的运动速度，f_D是多普勒频率，κ两束光的夹角。

4.根据权利要求1所述的分层型差动激光多普勒测速仪，其特征在于信号处理是在频域内基于快速傅立叶变换，根据峰值谱对应的数字频率值求得多普勒频率。

5.根据权利要求1和2所述的分层型差动激光多普勒测速仪，其特征在于用单纵模固体激光器代替传统的He-Ne激光器或者半导体激光二极管，使激光器同时具有线宽窄，功率大及体积小等诸多优点，有利于提高多普勒信号的信噪比及空间分辨率。

6.根据权利要求1和2所述的分层型差动激光多普勒测速仪，其特征在于利用对多个探头输出信号的有效性判别，代替自适应地控制单个探头与地面的距离，大大减小响应时间，足以适应车式载体的高速运动。

7.根据权利要求1所述的分层型差动激光多普勒测速仪，其特征在于将整个测速系统装置在车式载体上，以大地为参考物，为车载自主惯性导航系统提供精确的速度参数。

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