CN104199044A - 一种双模式、超高速运动物体运动速度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光干涉测速装置领域，尤其是一种双模式、超高速运动物体速度测量装置及方法。现有的位移干涉仪在测量10km/s以上超高速度时，需要12GHz以上带宽的示波器才能完整记录干涉信号；现有的速度干涉仪在测量高加速度过程中会出现干涉条纹丢失的现象。本发明能够高分辨率地测量10km/s以上超高速运动物体速度随时间的变化历史，采用了全光纤结构，系统紧凑、免调试，使用方便。本发明光发射与接收处理模块分别与位移干涉模块的光纤合束器输入端、速度干涉模块第三光纤分束器输入端连接，位移干涉模块的微波混频器输出端、速度干涉模块的光电探测器输出端分别对应与示波器输入端连接，示波器输出端与信号处理计算机连接。

Description

一种双模式、超高速运动物体运动速度测量装置及方法

技术领域

本发明属于激光干涉测速装置领域，尤其是一种双模式、超高速度运动物体运动速度测量装置及方法。

背景技术

在冲击波物理和爆轰物理实验中，目前常采用基于位移干涉模式的全光纤激光位移干涉装置(以下简称为位移干涉仪)和基于速度干涉模式的激光速度干涉装置(以下简称为速度干涉仪)测量高速运动物体的运动速度随时间的变化历史(以下简称为速度剖面)。这两类测速装置存在以下不足：

(一)对于位移干涉仪，其工作机制如下：激光器的出射光波照射在运动物体表面，反射激光因多普勒(Doppler)效应而产生微小的频率变化，将反射激光和激光器本征激光合束发生差拍干涉，通过光电探测器和示波器记录差拍频率变化过程，从而能够连续测试运动物体表面(或者内部粒子)位移、速度和加速度的变化过程，根据位移干涉仪工作原理，对于工作波长为1550nm的位移干涉装置，其输出条纹信号频率f(t)与被测速度u(t)在数学上满足f(t)＝1.29u(t)，其中f(t)的单位为GHz，u(t)的单位为km/s，被测速度越大，输出信号频率则越高，需要的记录系统带宽就越高，因此记录系统带宽就直接决定了被测速度的上限，即使采用国际上较高带宽的数字存储示波器(一般小于12GHz带宽)作为信号记录设备，位移干涉仪目前能达到的速度测量上限也只有9km/s。另外位移干涉仪是通过对干涉条纹进行积分首先得到位移测量结果S(t)，然后对位移测量结果进行微分而得到运动速度u(t)，即u(t)＝dS(t)/dt，微分过程不免产生噪声，影响了位移干涉仪的速度分辨力。

(二)对于速度干涉仪，其工作机制如下：激光器的出射光波照射在运动物体表面，反射激光因多普勒效应而产生微小的频率变化，将反射激光分成两束分别经两支不同延迟时间τ的光路后再合束形成干涉条纹，通过探测干涉条纹随时间的变化过程就可以计算运动物体速度随时间的变化过程。对于速度干涉仪，被测物体运动速度u(t)与测速装置输出的干涉条纹总数N(t)在数学上满足u(t)＝N(t)Fv，其中Fv为速度干涉仪的条纹常数，在计算运动物体的速度剖面时，没有微分计算过程，因此其速度测量精度高于位移干涉仪，并且对于同一速度值，条纹常数Fv越小，条纹数N(t)就越多，则速度测量精度就越高，这样就可以精细分辨速度剖面的细节。但速度干涉仪存在以下不足，首先，传统的速度干涉仪是由反射镜、透镜、标准具组成，条纹常数越小，光路延迟时间就越大，需要的光程差就越大，测速装置的抗振动性就越差；其次，速度干涉仪输出条纹信号频率与运动物体加速度成正比，由于在强冲击加载下，运动物体的速度跳变前沿只有几个皮秒，若速度干涉仪在速度跳变前沿只输出一个干涉条纹，则对应的条纹频率将达到上百GHz，这意味着数字示波器的记录带宽需要达到上百GHz才能使测速装置不发生干涉条纹丢失，目前没有如此高带宽的数字示波器，这是速度干涉仪经常发生条纹丢失的重要原因，需要根据预估速度峰值在干涉信号计算结果中补加丢失的条纹数量。与此相比，位移干涉仪直接测量位移的变化，位移干涉仪的输出条纹频率仅与被测物体速度相关，而与运动物体加速度无关，只要运动物体速度峰值对应的干涉条纹频率小于数字示波器的测量带宽，总可以通过位移干涉仪完整记录下被测物体的运动速度历史。

综上所述，位移干涉仪不存在干涉条纹丢失，能够测量运动物体在冲击波或爆轰波作用下的速度跳变前沿，但需要13GHz以上超高带宽数字示波器才能实现10km/s以上超高速度测量；对于速度干涉仪，速度分辨率高，但难以实现较小的条纹常数，仪器抗振动性能差，需要根据预估速度峰值在干涉信号计算结果中补加丢失的条纹数量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：由于在对传统位移干涉信号进行处理获取速度信息时，需要对位移变化历史对时间进行微分而得到速度变化历史，位移测量结果中的噪声将在微分过程被进一步放大，因此最终降低了速度计算结果的分辨率；而采用速度干涉仪时，由于速度干涉仪的输出干涉信号频率与被测物体加速度成正比，加速度越大，则干涉信号频率越高，当测量强冲击波和爆轰波作用下的瞬态过程运动物体速度时，其加速度可达到10¹⁴m/s2,这时速度干涉仪的输出干涉信号频率可达到10¹¹Hz，远远超出了目前光电转换记录系统的测量带宽，这种情况下速度干涉仪的输出干涉条纹将不能被记录，即产生条纹丢失，需要根据预估的速度峰值计算出丢失的干涉条纹个数，然后在干涉信号中将丢失的条纹补上；针对现有技术的不足，本发明提供一种同时具有速度干涉模式和位移干涉模式、可超高速运动物体测量装置及方法，能够高分辨率地测量超高速运动物体速度随时间的变化历史，测速精度优于1％，无需高带宽数字示波器，也无需预估速度峰值。该装置具有这些优点是因为速度干涉仪的输出干涉条纹频率只与被测物体运动加速度成正比，与速度大小没有关系，只要加速度不大，都可以采用速度干涉仪测量超高速度，速度干涉仪是直接对干涉条纹个数进行积分得到速度值，不存在微分过程，因此速度分辨率高，但在加速度较大的时候，速度干涉仪丢失干涉条纹，这时需采用位移干涉仪进行测量；位移干涉仪的输出干涉条纹频率只与被测物体运动速度成正比，与加速度没有关系，因此只要速度不大，不管加速度多高，都可以用位移干涉仪进行测量。

本发明采用的技术方案如下：

一种双模式超高速运动物体运动速度测量装置包括：光发射与接收模块、速度干涉模块、位移干涉模块、示波器、信号处理计算机；

光发射与接收处理模块，用于提供测量运动物体速度的参考光和探测光，并使得从运动物体表面反射回的信号光强度稳定；然后再将探测光分成两路分束光输出，其中一路分束光输入到位移干涉模块、另一路分束光输入到速度干涉模块；

速度干涉模块，通过光纤延迟线对光发射与接收处理模块输出的另一路分束光进行时间延迟，使得在不同时刻被运动物体反射回的另一路分束光在正交相位光纤耦合器中干涉，并获得依次具有π/2相位差的4路干涉信号；并将4路干涉信号转换为对应的电信号；

位移干涉模块，用于将光发射与接收处理模块输出的参考光以及从运动物体反射回的一路分束光进行干涉，并将与干涉信号对应的电信号与来自于微波源的信号进行混频，混频信号由示波器记录。

示波器，用于记录与速度干涉模块输出的4路干涉信号相对应的电信号，同时记录位移干涉模块输出的混频信号；

信号处理计算机，用于处理示波器记录的速度干涉模块和位移干涉模块输出的信号，获得运动物体速度随时间的变化历史。

其中所述光发射与接收处理模块包括光发射与接收模块、第一光纤分束器、第二光纤分束器，所述光发射与接收模块包括激光器、光纤隔离器、双光纤探头、动态饱和光纤放大器；激光器输出的激光经过光纤隔离器后，在经由第一光纤分束器进行分束，产生一路参考光与一路探测光；所述探测光通过双光纤探头的一个尾纤输入双光纤探头，从双光纤探头出射的激光直接照射到运动物体的表面上，从运动物体表面反射的信号光被双光纤探头接收，并通过双光纤探头另一尾纤将反射回的信号光输入至动态饱和光纤放大器进行放大处理并获得稳定的光强输出，从动态饱和光纤放大器输出的信号光传输出至第二光纤分束器的输入端，第二光纤分束器将反射回的信号光分成两路分束光分别输出；其中一路分束光经光纤合束器的一个端口输入到位移干涉模块中，另一路分束光经光纤分束器的输入端输入到速度干涉模块中；其中光纤分束器的一个输出端口作为光发射与接收处理模块的第一输出端口，第二光纤分束器的一路分束光输出端口作为光发射与接收处理模块的第二输出端口，第二光纤分束器的另一路分束光输出端口作为光发射与接收处理模块的第三输出端口。

进一步的，所述位移干涉模块包括光纤合束器、微波信号源、第一光电探测器、微波混频器；光发射与接收处理模块第一端口输出的参考光、光发射与接收处理模块第二端口输出的一路分束光分别输入至光纤合束器进行干涉，其输出的干涉信号经第一光电探测器转化为电信号后输入至微波混频器的一个输入端口；微波信号源输出的参考信号输入微波混频器的另一输入端口，微波混频器的输出信号由示波器记录；所述速度干涉模块包括第三光纤分束器、光纤延迟线、正交相位光纤耦合器、光电探测器组，所述光电探测器组包括4个光电探测器；所述光发射与接收处理模块第三端口输出的另一路分束光通过第三光纤分束器分为两路光，其中一路光输入至正交相位光纤耦合器的一输入端口，另一路光通过光纤延迟线后输入至正交相位光纤耦合器的另一输入端口；正交相位光纤耦合器的4路输出干涉光信号分别经过4个光电探测器转化为电信号后，由示波器记录。

一种双模式超高速运动物体运动速度测量方法包括：

步骤1：通过光发射与接收处理模块输出用于干涉的参考光以及用于探测运动物体速度的信号光，并使得从运动物体表面反射回的信号光强度稳定；并将反射回的信号分成两路分束光输出，其中一路分束光输入到位移干涉模块，另一路分束光输入到速度干涉模块；

步骤2：位移干涉模块，将光发射与接收处理模块输出的参考光以及一路分束光进行干涉并转化为电信号，同时将微波信号源输入的参考信号与第一光电探测器输出的电信号通过微波混频器进行混频，并由示波器记录混频信号；速度干涉模块将光发射与接收处理模块输出端输出的从不同时刻被运动物体表面反射回的另一路分束光通过第三光纤分束器分为两路光，其中一路光输入至正交相位光纤耦合器的一输入端口，另一路光通过光纤延迟线后输入至正交相位光纤耦合器的另一输入端口，这两路光通过正交相位光纤耦合器进行干涉，并通过正交相位光纤耦合器在每一路输出干涉信号中依次引入π/2的相位差，4路干涉信号由光电转化器转换为对应的电信号，并由示波器记录；

步骤3：通过示波器记录位移干涉模块输出的混频信号和速度干涉模块输出的与4路干涉信号对应的电信号；

步骤4：通过信号处理计算机处理示波器记录的位移干涉模块输出的混频信号和速度干涉模块输出的与4路干涉信号对应的电信号，获取运动物体速度随时间的变化历史；

进一步的，所述步骤2具体包括：

步骤21：假设激光器的频率为f₀，则光发射与接收处理模块第一端口输出的参考光其光场表达式为光发射与接收处理模块第二端口输出的信号光由于带有多普勒频移，其光场表达式为其中f_D(t)＝2u(t)/λ为入射激光的多普勒频移，t表示时间，u(t)即为需要测量的运动物体的运动速度，λ为入射激光的频率，λ与f₀的关系为f₀＝c/λ，c为真空中的光速；则经过光纤合束器后输出的干涉信号写为：

$\begin{array}{c}{I_1}^{\′}=(E_{11}\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\π}{f}_{0}t}+E_{12}\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\π}(f_0+f_D)\mathrm{ft}})(E_{11}\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\π}{f}_{0}t}+E_{12}\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\π}(f_0+f_D)\mathrm{ft}})*\\ ={\left|E_{11}\left(t\right)\right|}^2+{\left|E_{12}\left(t\right)\right|}^2+2E_{11}\left(t\right)E_{12}\left(t\right)\cos \left[2\mathrm{\π}{f}_D\left(t\right)t\right]\end{array}---\left(1\right)$

令：a₁(t)＝|E₁₁(t)|²+|E₁₂(t)|²，b₁(t)＝2E₁₁(t)E₁₂(t)，则(1)式可以写为：

I₁'＝a₁(t)+b₁(t)cos[2πf_D(t)t]   (2)

步骤22：由于参考光是直接来源于激光器，因此参考光振幅E₁₁(t)为一个常数，随时间不发生变化；加入动态饱和光纤放大器之后，信号光振幅E₁₂(t)也将变为常数，大小不随时间发生变化，通过选择第一光纤分束器和第二光纤分束器的分束比，使得E₁₁(t)与E₁₂(t)大小相等，因此(2)式可以进一步写为：

I₁'＝2I₁″[1+cos(2πf_D(t)t)]   (3)

其中I₁″＝|E₁₁|²＝|E₁₂|²＝E₁₁E₁₂；

步骤23：光纤合束器输出的干涉信号经过第一光电探测器转化为电信号，该信号为一个频率为f_D(t)的标准余弦信号，与来自于微波信号源频率为f₁的参考信号在微波混频器中进行混频，微波混频器的输出信号可以写为：

I₁＝2I₁″+I₁″[cos(4πf_D(t)t)+cos(4πf₁t)+cos(2π(f₁+f_D(t))t)+cos(2π(f₁-f_D(t))t)]

                                                                              (3)

此微波混频器的输出信号由示波器记录；

步骤24：假设在任意时刻t，来自于运动物体的反射信号光的频率为f(t)，光纤延迟线的延迟时间为τ，则速度干涉模块中参与干涉的两束信号光分别是t时刻和t-τ时刻从运动物体反射回的信号光，其频率分别为f(t)和f(t-τ)；光发射与接收处理模块第三输出端输出的另一路分束光经第三光纤分束器分为两路光，其中一路光直接输入正交相位光纤耦合器，其光场表达式为E₂(t)e^-i2πf(t)t；另一路光经光纤延迟线后再进入正交相位光纤耦合器，其光场表达式为E₂(t-τ)e^{-i2πf(t-τ)t}，这两束光直接干涉的输出可以写为：

$\begin{array}{c}{I}_2=[E_2\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πf}\left(t\right)t}+E_2(t-\mathrm{\τ})e^{-i2\mathrm{\πf}(t-\mathrm{\τ})t}][E_2\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πf}\left(t\right)t}+E_2(t-\mathrm{\τ})e^{-i2\mathrm{\πf}(t-\mathrm{\τ})t}]*\\ ={\left|E_2\left(t\right)\right|}^2+{\left|E_2(t-\mathrm{\τ})\right|}^2+2E_2\left(t\right)E_2(t-\mathrm{\τ})\cos \left[2\mathrm{\π}(f\left(t\right)-f(t-\mathrm{\τ}))t\right]\end{array}---\left(4\right)$

令a₂(t)＝|E₂(t)|²+|E₂(t-τ)|²，b₂(t)＝2E₂(t)E₂(t-τ)，则(4)式可以写为：

I₂＝a₂(t)+b₂(t)cos[2π(f(t)-f(t-τ))t]   (5)

根据多普勒频移的基本原理知道：

$\left\{\begin{array}{c}f\left(t\right)=f_0+\frac{2u\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}\\ f(t-\mathrm{\τ})=f_0+\frac{2u(t-\mathrm{\τ})}{\mathrm{\λ}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

将(6)式代入(5)式中有：

$I_2=a_2\left(t\right)+b_2\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}(\frac{2u\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}-\frac{2u(t-\mathrm{\τ})}{\mathrm{\λ}})t\right)---\left(7\right)$

从(7)式可以看出，只有当速度有变化时，即u(t)≠u(t-τ)时，才会产生一个随时间变化的干涉信号，否则输出一个直流信号。输出干涉信号的频率表达式为：

$f_v\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\λ}}[u\left(t\right)-u(t-\mathrm{\τ})]---\left(8\right)$

在t＝0～T时间内，对(8)两边进行积分，左边对应输出条纹的总数而右边可以进行如下处理：

$\begin{array}{c}F\left(T\right)={\∫}_0^T\frac{2}{\mathrm{\λ}}[u\left(t\right)-u(t-\mathrm{\τ})]\mathrm{dt}\\ =\underset{i=1}{\overset{i=T/\mathrm{\τ}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}[u\left(\mathrm{i\τ}\right)-u(\mathrm{i\τ}-\mathrm{\τ})]\\ =\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}[u\left(\mathrm{\τ}\right)-u\left(0\right)+u\left(2\mathrm{\τ}\right)-u\left(\mathrm{\τ}\right)+......+u\left(T\right)-u\left((\frac{T}{\mathrm{\τ}}-1)\mathrm{\τ}\right)]\\ =\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}u\left(T\right)\end{array}---\left(9\right)$

即有： $F\left(T\right)=\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}u\left(T\right),$ 一般写为：

$u\left(t\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\τ}}F\left(t\right)---\left(10\right)$

即通过数条纹的方法即可获得运动运动的速度变化历史u(t)，条纹数目直接对应速度，因此这种工作模式称之为速度干涉模式。当出现非整数个条纹时，需要对条纹进行细分，而这种细分方法带来的速度测量精度通常不能满足速度高精度测量的要求；因此：

将(8)代入(7)式，(7)式可以写为：

I₂＝a₂(t)+b₂(t)cos[2πf_v(t)t]   (11)

其中f_v(t)t即为条纹数，即有：

F(t)＝f_v(t)t   (12)

将(10)、(12)式代入(11)式有：

$I_2=a_2\left(t\right)+b_2\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{u\left(t\right)}{F_v}\right)---\left(13\right)$

其中F_v＝λ/2τ为速度干涉模块的条纹常数，其意义是示波器上记录一个完整条纹时对应速度的变化量；

步骤25：通过引入正交相位光纤耦合器后，输出的四路干涉信号中将会依次有0，π/2，π,3π/2的相位差，即从正交相位光纤耦合器四个输出端口输出的干涉信号分别为：

其中考虑了t时刻和t-τ时刻从运动物体反射回的信号光因经历不同光程时引入的相位差，a₂(t)、b₂(t)称之为光强因子；将(14)进一步写为：

步骤26：正交相位光纤耦合器四个端口输出的干涉信号经4个光电探测器分别转化为电信号并由示波器记录。

进一步的，所述步骤4具体过程是：

步骤41：信号处理计算机进行数据处理，具体过程为：通过(3)式知道，混频器输的输出信号包含四个频率，分别为2f_D(t)、2f₁、f₁+f_D(t)和|f₁-f_D(t)|，前三个频率均为频率较高的高频部分，|f₁-f_D(t)|为一个低频部分；数据处理时，对微波混频器输出的信号进行时频分析，得到2f_D(t)、2f₁、f₁+f_D(t)和|f₁-f_D(t)|四个频率随时间的变化历史，提取出低频分量|f₁-f_D(t)|随时间的变化关系，结合微波信号源的输出频率f₁，从而得到f_D(t)，根据多普勒频移原理知道，f_D(t)＝2u(t)/λ，因此运动物体的速度为u(t)＝f_D(t)λ/2。

步骤42:将(15)式的I_2-1与I_2-3相减，I_2-2与I_2-4相减，可以消除干涉信号中的光强因子a₂(t)而得到只包含正弦形式和余弦形式的函数，然后将正弦函数和余弦函数相除得到正切函数，并消除了光强因子b₂(t)，即有：

其中I_2-1、I_2-2、I_2-3与I_2-4为示波器记录的信号，为已知量，为常数，通过(16)得到运动物体的速度历史，即：

一种超高速运动物体运动速度测量装置包括：光发射与接收模块、速度干涉模块、示波器、信号处理计算机；

光发射与接收模块，用于提供测量运动物体速度的探测光，并使得从运动物体表面反射回的信号光强度稳定；

速度干涉模块，通过光纤延迟线对光发射与接收模块输出的信号光进行时间延迟，使得在不同时刻被运动物体反射回的信号光在正交相位光纤耦合器中进行干涉，并获得依次具有π/2相位差的4路干涉信号；并将4路干涉信号转换为对应的电信号；

示波器，用于记录与速度干涉模块输出的4路干涉信号相对应的电信号；

信号处理计算机，用于处理示波器记录的与速度干涉模块输出的4路干涉信号对应的电信号，获得运动物体速度随时间的变化历史。

其中所述光发射与接收模块包括激光器、光纤隔离器、双光纤探头、动态饱和光纤放大器；激光器输出的激光经过光纤隔离器后，通过双光纤探头尾纤输入双光纤探头；从双光纤探头出射的激光直接照射到运动物体的表面上；从运动物体表面反射回的信号光被双光纤探头接收，并通过双光纤探头另一尾纤将反射的信号光输入至动态饱和光纤放大器进行放大处理并获得稳定的光强输出，所述动态饱和光纤放大器作为光发射与接收模块的输出端。

进一步的，所述速度干涉模块包第三光纤分束器、光纤延迟线、正交相位光纤耦合器、光电探测器组，光电探测器组包括4个光电探测器，所述光发射与接收模块输出端输出的信号光通过第三光纤分束器分为两束信号光，其中一束信号光直接输入至正交相位光纤耦合器一输入端，另一束信号光通过光纤延迟线后输入至正交相位光纤耦合器的另一输入端；正交相位光纤耦合器4路输出端分别对应与4个光电探测器输入端连接，4个光电探测器输出端分别与示波器4路输入端连接。

一种超高速运动物体运动速度测量方法包括：

步骤1：通过光发射与接收模块提供测量运动物体速度的探测光，并使得从运动物体表面反射回的信号光强度稳定；

步骤2：通过光纤延迟线对光发射与接收模块输出的信号光进行时间延迟，使得在不同时刻被运动物体反射回的信号光在正交相位光纤耦合器中进行干涉，并获得依次具有π/2相位差的4路干涉信号；并将4路干涉信号转换为对应的电信号；

步骤3：通过示波器记录与速度干涉模块输出的4路干涉信号相对应的电信号；

步骤4：通过信号处理计算机处理示波器记录的与速度干涉模块输出的4路干涉信号对应的电信号，获得运动物体速度随时间的变化历史。

其中所述光发射与接收模块包括激光器、光纤隔离器、双光纤探头、动态饱和光纤放大器；激光器输出的激光经过光纤隔离器后，通过双光纤探头尾纤输入双光纤探头；从双光纤探头出射的激光直接照射到运动物体的表面上；从运动物体表面反射的信号光被双光纤探头接收，并通过双光纤探头另一尾纤将反射的信号光输入至动态饱和光纤放大器进行放大处理并获得稳定的光强输出，所述动态饱和光纤放大器作为光发射与接收模块的输出端。

进一步的，所述步骤2具体包括：

步骤21：假设激光器的频率为f₀，则光发射与接收模块输出端输出的信号光通过第三光纤分束器分为两束光信号，其中一路信号光直接输入至正交相位光纤耦合器一输入端，其光场表达式为E₂(t)e^-i2πf(t)t，另一束信号光通过光纤延迟线延迟时间τ后，输入至正交相位光纤耦合器另一输入端，其光场表达式为E₂(t-τ)e^{-i2πf(t-τ)t}；E₂(t)e^-i2πf(t)t与E₂(t-τ)e^{-i2πf(t-τ)t}直接干涉的输出光强为：

$\begin{array}{c}{I}_2=[E_2\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πf}\left(t\right)t}+E_2(t-\mathrm{\τ})e^{-i2\mathrm{\πf}(t-\mathrm{\τ})t}][E_2\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πf}\left(t\right)t}+E_2(t-\mathrm{\τ})e^{-i2\mathrm{\πf}(t-\mathrm{\τ})t}]*\\ ={\left|E_2\left(t\right)\right|}^2+{\left|E_2(t-\mathrm{\τ})\right|}^2+2E_2\left(t\right)E_2(t-\mathrm{\τ})\cos \left[2\mathrm{\π}(f\left(t\right)-f(t-\mathrm{\τ}))t\right]\end{array}---\left(4\right)$

令a₂(t)＝|E₂(t)|²+|E₂(t-τ)|²，b₂(t)＝2E₂(t)E₂(t-τ)，则(4)式可以写为：

I₂＝a₂(t)+b₂(t)cos[2π(f(t)-f(t-τ))t]   (5)

根据多普勒频移的基本原理知道：

$\left\{\begin{array}{c}f\left(t\right)=f_0+\frac{2u\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}\\ f(t-\mathrm{\τ})=f_0+\frac{2u(t-\mathrm{\τ})}{\mathrm{\λ}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

将(6)式代入(5)式中有：

$I_2=a_2\left(t\right)+b_2\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}(\frac{2u\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}-\frac{2u(t-\mathrm{\τ})}{\mathrm{\λ}})t\right)---\left(7\right)$

从(7)式可以看出，只有当速度有变化时，即u(t)≠u(t-τ)，才会产生一个随时间变化的干涉信号，否则输出一个直流信号。输出干涉信号的频率表达式可以写为：

$f_v\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\λ}}[u\left(t\right)-u(t-\mathrm{\τ})]---\left(8\right)$

在t＝0～T时间内，对(8)两边进行积分，左边对应输出条纹的总数而右边可以进行如下处理：

$\begin{array}{c}F\left(T\right)={\∫}_0^T\frac{2}{\mathrm{\λ}}[u\left(t\right)-u(t-\mathrm{\τ})]\mathrm{dt}\\ =\underset{i=1}{\overset{i=T/\mathrm{\τ}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}[u\left(\mathrm{i\τ}\right)-u(\mathrm{i\τ}-\mathrm{\τ})]\\ =\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}[u\left(\mathrm{\τ}\right)-u\left(0\right)+u\left(2\mathrm{\τ}\right)-u\left(\mathrm{\τ}\right)+......+u\left(T\right)-u\left((\frac{T}{\mathrm{\τ}}-1)\mathrm{\τ}\right)]\\ =\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}u\left(T\right)\end{array}---\left(9\right)$

即有： $F\left(T\right)=\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}u\left(T\right),$ 一般写为：

$u\left(t\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\τ}}F\left(t\right)---\left(10\right)$

即通过数条纹的方法即可获得运动运动的速度变化历史u(t)，条纹数目直接对应速度，因此这种工作模式称之为速度干涉模式；当出现非整数个条纹时，需要对条纹进行细分，而这种细分方法带来的速度测量精度通常不能满足速度高精度测量的要求；因此：

将(8)代入(7)式，(7)式可以写为：

I₂＝a₂(t)+b₂(t)cos[2πf_v(t)t]   (11)

其中f_v(t)t即为条纹数，即有：

F(t)＝f_v(t)t   (12)

将(10)、(12)式代入(11)式有：

$I_2=a_2\left(t\right)+b_2\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{u\left(t\right)}{F_v}\right)---\left(13\right)$

其中F_v＝λ/2τ为速度干涉模块的条纹常数，其意义是示波器上记录一个完整条纹时对应速度的变化量；

步骤22：通过引入正交相位光纤耦合器后，输出的四路干涉信号中将会依次有0，π/2，π,3π/2的相位差，即从正交相位光纤耦合器四个输出端口输出的干涉信号分别为：

其中考虑了t时刻和t-τ时刻从运动物体反射回的信号光因经历不同光程时引入的相位差，a₂(t)、b₂(t)称之为光强因子；将(14)进一步写为：

步骤23：正交相位光纤耦合器四个端口输出的干涉信号经光电探测器转化为电信号并由示波器记录。

进一步的，所述步骤4具体过程是：通过信号处理计算机进行数据处理，具体过程为：将(15)式中的I_2-1与I_2-3相减，I_2-2与I_2-4相减，可以消除干涉信号中的光强因子a₂(t)而得到只包含正弦形式和余弦形式的函数，然后将正弦函数和余弦函数相除得到正切函数，并消除了光强因子b₂(t)，即有：

其中I_2-1、I_2-2、I_2-3与I_2-4为示波器记录的信号，为已知量，为常数，通过(16)得到运动物体的速度历史，即：

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、速度干涉模块的突出改进是使用了全光纤结构，使用简单、不需要专人调试。

2、由于在冲击波和爆轰波作用下，样品表面的光洁程度受到严重破坏，因此运动物体表面的反射率将发生急剧变化的问题，这将导致本发明系统中双光纤探头接收到的反射光强度发生急剧变化，当这种强度急剧变化的反射光进入后续干涉系统后，经干涉系统输出的干涉信号强度也会发生急剧变化，这种急剧变化的信号不仅降低了速度测量精度，而且还会导致干涉信号在数字示波器上出现超屏。将从运动物体表面反射回的信号输入至动态饱和光纤放大器，通过大幅度提高信号增益使光纤放大器始终处于饱和状态，并通过在动态饱和光纤放大器中内置窄带光纤滤波器的方法大幅度降低了普通光纤放大器的ASE噪声，从而使光纤放大器的输出光强不随其输入光强的变化而波动，这样就能输出一个稳定的信号光，使干涉系统输出幅度稳定、无杂散频率的干涉信号，为了达到反射光强度动态饱和的要求，本发明中动态饱和光纤放大器的饱和响应时间不大于10ns。如果不采用动态饱和光纤放大器6，则经第三光纤分束器9分束后的光场振幅E₂(t)将是时间的函数，并且会随时间发生剧烈的变化，因此(15)式中的a₂(t)、b₂(t)也会发生剧烈的变化，获取的实验信号将会有一个剧烈变化的背底，给数据处理带来一定的难度，测速精度也会受到影响，并且还可能导致信号超屏，使得数据无法处理。

3、位移干涉模块中增加微波混频器好处是最终降低了信号的频率，使得可以利用较低带宽的示波器记录有效信号。通过对(3)式进行时频分析可以得到四个频率随时间的变化历史，当采用较低带宽的示波器之后，高频部分会被示波器自动滤除掉，只剩下低频部分的信号，但我们关心的|f₁-f_D(t)|信息不会丢失。

4、根据多普勒频移原理知道，f_D(t)＝2u(t)/λ，对于使用的1550nm激光器，如果要测量运动物体的最高速度为10km/m，则信号的最高频率为12.9GHz，在加入微波信号源12并设置其输出微波信号的输出频率为6.45 GHz，则微波混频器14输出的信号最终频率仅为|f₁-f_D(t)|＝6.45GHz，这就可以减小对示波器15记录带宽以及采样率的要求。

5、利用6GHz以下带宽的数字示波器就能够实现10km/s以上超高速度精密测量。当待测速度峰值小于9.3km/s，根据多普勒频移原理知道，此时位移干涉仪的输出信号频率小于12GHz，对于这种情况，只需将微波信号源输出频率设置为6GHz，此时混频器将输出一个带宽小于6GHz的混频信号；当速度峰值小于18.6km/s，此时位移干涉仪的输出信号频率将小于24GHz，对于这种情况，需再增加一个微波信号源和混频器，将第一个微波信号输出频率设置为6GHz，用于将位移干涉仪输出的12GHz以下的干涉信号频率下变频至6GHz以下，将第二个微波信号输出频率设置为18GHz，用以将位移干涉仪的12GHz至24GHz的频率变换至6GHz以下；也即每采用一次微波下变频技术，就可以将频率的探测上限提高12GHz，因此不管速度有多高，都可以将位移干涉仪的输出信号与多个微波信号源进行级联，采用下变频方法将位移干涉仪的输出信号频率降低至6GHz以下。

6、双模式超高速运动物体运动速度测量装置同时具有两种工作模式分别测量运动物体速度，一种工作模式是通过光发射与接收模块、位移干涉模块、示波器和信号处理计算机实现，采用6GHz带宽的示波器，本发明中位移干涉模块可测量的速度峰值可达到35km/s,其优点是在速度峰值以内，不会出现干涉条纹丢失；另一种工作模式是通过光发射与接收模块、速度干涉模块、示波器和信号处理计算机实现，理论上不存在速度峰值上限和下限，其优点是速度分辨率高。

7、采用了一个输出频率稳定的微波源和微波混频器，极大降低了位移干涉模块输出的信号频率，使得可以用低带宽示波器记录位移干涉模块输出的信号；

8、使用了正交相位光纤耦合器，可以获得依次具有π/2相位差的4路干涉信号，可以提高速度测量的精度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本装置原理框图。

图2是双光纤探头示意图。

图3是动态饱和光纤放大器

1－激光器     2－光纤隔离器     3－第一光纤分束器

4－双光纤探头        5－运动物体     6－动态饱和光纤放大器

7－第二光纤分束器    8－光纤合束器     9－第三光纤分束器

10－光纤延迟线     11－正交相位光纤耦合器  12－微波信号源

13－光电探测器     14－微波混频器         15－数字示波器

16-信号处理计算机。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明相关说明：

1、激光器是单频光纤激光器。

2、运动物体运动方向是沿着双光纤探头出射光方向单方向运动。

3、双光纤探头4是一种将两个普通的光纤并排封装在陶瓷插针内的光纤器件，两根光纤的一端都伸出陶瓷插针外部，分别形成双光纤探头一尾纤和双光纤探头另一尾纤；两根光纤另一端都与陶瓷插针端面平齐，当激光进入双光纤探头时，两根光纤中与陶瓷插针端面平齐的那个端面形成双光纤探头出射激光并接受反射回的信号光的端面。这种型号探头一方面可降低光波干涉系统中光学测试探头的成本，简化测试探头的调试工艺；另一方面，由于双光纤探头采用了“出射光”和“接收光”分离的方式，使“出射光”不能直接耦合进入“接收光”的光纤，这种结构可消除速度干涉仪中由于存留有位移干涉信号所形成的“干扰信号”。双光纤探头一尾纤与第一光纤分束器3另一端口连接(或者与光纤隔离器2输出端口连接)，双光纤探头另一尾纤与动态饱和光纤放大器6输入端连接，双光纤探头两个尾纤处都是标准的FC/APC接头，结构如图2所述。激光器输出的激光经过光纤隔离器2(当是双模式超高速运动物体测量装置时，则激光器输出的激光经过光纤隔离器及第一光纤分束器，当是超速度运动物体测量装置时，激光器输出的激光经过光纤隔离器2)后，通过双光纤探头4一尾纤输入双光纤探头，然后从双光纤探头4出射的激光直接照射到待测运动物体5的表面上；从待测运动物体5表面反射回的信号光被双光纤探头4接收，并通过双光纤探头4另一尾纤将反射的信号光输入至动态饱和光纤放大器。

4、第一光纤分束器3、第二光纤分束器7、第三光纤分束器9都是光纤分束器，光纤分束器将一输入光分为两路光分别从两个端口输出。光纤合束器与光纤分束器是相反的工作过程，即两路输入光合成为一路输出光。

5、动态饱和光纤放大器它是一种特殊的光纤放大器，它的基本构成是在通用EDFA(掺铒光纤放大器)的基础之上增加了一个快速光反馈控制环和电子学反馈电路；它的基本工作原理是：从输入的待放大光中分出一束作为快速光反馈控制环的输入，当快速光反馈控制环探测到待放大光强度减弱时，输出一个信号给电子学反馈电路，增加泵浦光源的工作电流，增大放大器的输出光强；当快速光反馈控制环探测到待放大光强度增强时，输出一个信号给电子学反馈电路，减小泵浦光源的工作电流，减小放大器的输出光强；即保证待放大光强度变化时，放大器最终输出的光强度不发生变化。

具体做法是：在通用EDFA的基础上增加一个光电探测器和比较器，当入输待测光(从双光纤探头另一尾纤输出的光信号)强度发生变化时，光电探测器的输出的电信号也会发生变化，光电探测器输出端口与比较器第二端口2连接，输入比较器第二端口2的电信号与比较器第一端口1输入的电流值进行比较，比较的结果是反馈一个信号给泵浦电流源，改变泵浦电流源(泵浦电流源是通用EDFA的电源供电部分，图3为了更好解释动态饱和光纤放大器的工作过程，将泵浦电流源从通用EDFA剥离出来)的输入电流大小，最终使得预期输出光(经过动态饱和光纤放大器放大稳定输出的光信号，此信号输出至第二光纤分束器或第三光纤分束器)光强度保持稳定；例如，光电探测器的输出减小时(即入射待放大光强度减弱)，增加泵浦源输入电流大小，光电探测器的输出增大时，减小泵浦源输入电流大小；泵浦源电流改变的多少由光电探测器输出电流改变的多少决定。

其中根据入射待测光光强的大小和预期输出光的光强大小，会在比较器的输入端口1输入一个恒定的电流值，恒定电流值大小由初始时刻的光放大倍数决定。

入输待测光(光强度1-2μW)输入端口和预期输出光(光强度10mW)输出端口均为标准的FC/APC接头，并在动态饱和光纤放大器的设备外壳上装有法兰盘，入射待测光输入端口与双光纤探头另一尾纤连接；预期输出光输出端口与第二光纤分束器(或者第三光纤分束器)输入端连接。入输待测光强度1-2μW，预期输出光光强度10mW，最大响应频率500MHz，最小响应频率10KHz。动态饱和光纤放大器的工作波长为1535-1565nm，输入工作电压220V。

6、正交相位光纤耦合器是90°光学桥，其有两个输入端口，4个输出端口。90°光学桥其作用是：当两路相干光波从90°光学桥的两个输入端输入后，90°光学桥的四路输出端分别依次输出四路具有π/2相位差的干涉光。

7、微波混频器作用是降低位移干涉模块中干涉信号的频率，使得该装置中的示波器可以采用较低带宽的示波器，并使得较低带宽的示波器能记录有效信号。

工作原理：

(一)、双模式超高速运动物体运动速度测量装置：

1、包括光发射与接收处理模块、位移干涉模块、速度干涉模块、示波器、信号处理计算机。光发射与接收处理模块分别与位移干涉模块的光纤合束器输入端、速度干涉模块第三光纤分束器输入端连接，位移干涉模块的微波混频器输出端、速度干涉模块的光电探测器输出端分别对应与示波器输入端连接，示波器输出端与信号处理计算机连接。

1)光发射与接收处理模块包括光发射与接收模块、第一光纤分束器3、第二光纤分束器7。所述光发射与接收模块包括光纤激光器1、光纤隔离器2、双光纤探头4、动态饱和光纤放大器6。光纤激光器1输出端口通过光纤隔离器2后，与第一光纤分束器3输入端连接，第一光纤分束器一输出端与位移干涉模块连接；第一光纤分束器3另一输出端与双光纤探头4任意尾纤连接，从双光纤探头4出射的激光直接照射到运动物体5的表面上，从运动物体5表面反射的信号光被双光纤探头4接收，并通过双光纤探头4另一尾纤将反射的信号光输入至饱和光纤放大器输入端，动态饱和光纤放大器6输出端与第二光纤分束器7输入端连接，第二光纤分束器7一输出端与位移干涉模块中的光纤合束器另一输入端连接；第二光纤分束器7另一输出端与第三光纤分束器9输入端连接。

2)位移干涉模块包括光纤合束器8、第一光电探测器、微波信号源12、微波混频器14，第一光纤分束器3一输出端与光纤耦合器8一输入端连接，第二光纤分束器7一输出端与光纤合束器8另一输入端连接，光纤合束器8输出端通过光电转换器与微波混频器另一输入端连接，微波信号源输出端与微波混频器一输入端连接，微波混频器输出端与示波器输入端连接。

3)速度干涉模块包括第三光纤分束器9、光纤延迟线10、正交相位光纤耦合器11、第二光电探测器组，所述第二光电探测器组包括4个光电探测器13。第三光纤分束器9一输出端与正交相位光纤耦合器一输入端连接、第三光纤分束器另一输出端通过光纤延迟线与正交相位光纤耦合器另一输入端连接。正交相位光纤耦合器11的4路输出端分别对应于4个光电探测器输入端连接，4个光电探测器输出端与示波器输入端对应连接。

4)需要5个示波器输入通道，分别记录位移干涉模块输出的混频信号以及速度干涉模块输出的4路信号。并将这5路信号分别输入到信号处理计算机中进行处理。

5)信号处理计算机就是带运算功能的处理器。

2、测量方法：

步骤11：假设激光器的频率为f₀，则光发射与接收处理模块第一端口输出的参考光其光场表达式为光发射与接收处理模块第二端口输出的信号光由于带有多普勒频移，其光场表达式为其中f_D(t)＝2u(t)/λ为入射激光的多普勒频移，t表示时间，u(t)即为需要测量的运动物体的运动速度，λ为入射激光的频率，λ与f₀的关系为f₀＝c/λ，c为真空中的光速；则经过光纤合束器后输出的干涉信号写为：

$\begin{array}{c}{I_1}^{\′}=(E_{11}\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\π}{f}_{0}t}+E_{12}\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\π}(f_0+f_D)\mathrm{ft}})(E_{11}\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\π}{f}_{0}t}+E_{12}\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\π}(f_0+f_D)\mathrm{fi}})*\\ ={\left|E_{11}\left(t\right)\right|}^2+{\left|E_{12}\left(t\right)\right|}^2+2E_{11}\left(t\right)E_{12}\left(t\right)\cos \left[2\mathrm{\π}{f}_D\left(t\right)t\right]\end{array}---\left(1\right)$

令：a₁(t)＝|E₁₁(t)|²+|E₁₂(t)|²，b₁(t)＝2E₁₁(t)E₁₂(t)，则(1)式可以写为：

I₁'＝a₁(t)+b₁(t)cos[2πf_D(t)t]   (2)

步骤12：由于参考光是直接来源于激光器，因此参考光振幅E₁₁(t)为一个常数，随时间不发生变化；加入动态饱和光纤放大器6之后，信号光振幅E₁₂(t)也将变为常数，大小不随时间发生变化，通过选择第一光纤分束器3和第二光纤分束器7的分束比，使得E₁₁(t)与E₁₂(t)大小相等，因此(2)式可以进一步写为

I₁'＝2I₁″[1+cos(2πf_D(t)t)]   (3)

其中I₁″＝|E₁₁|²＝|E₁₂|²＝E₁₁E₁₂；

步骤13：光纤合束器输出的干涉信号经过第一光电探测器转化为电信号，该信号为一个频率为f_D(t)的标准余弦信号，与来自于微波信号源12频率为f1的参考信号在微波混频器14中进行混频，微波混频器14的输出信号可以写为：

I₁＝2I₁″+I₁″[cos(4πf_D(t)t)+cos(4πf₁t)+cos(2π(f₁+f_D(t))t)+cos(2π(f₁-f_D(t))t)]

                                                                           (3)

此微波混频器的输出信号由示波器记录；

步骤14：假设在任意时刻t，来自于运动物体的反射信号光的频率为f(t)，光纤延迟线10的延迟时间为τ，则速度干涉模块中参与干涉的两束信号光分别是t时刻和t-τ时刻从运动物体反射回的信号光，其频率分别为f(t)和f(t-τ)；光发射与接收处理模块第三输出端输出的另一路分束光经第三光纤分束器9分为两路光，其中一路光直接输入正交相位光纤耦合器，其光场表达式为E₂(t)e^-i2πf(t)t；另一路光经光纤延迟线后再进入正交相位光纤耦合器，其光场表达式为E₂(t-τ)e^{-i2πf(t-τ)t}，这两束光直接干涉的输出可以写为：

$\begin{array}{c}{I}_2=[E_2\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πf}\left(t\right)t}+E_2(t-\mathrm{\τ})e^{-i2\mathrm{\πf}(t-\mathrm{\τ})t}][E_2\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πf}\left(t\right)t}+E_2(t-\mathrm{\τ})e^{-i2\mathrm{\πf}(t-\mathrm{\τ})t}]*\end{array}$

$={\left|E_2\left(t\right)\right|}^2+{\left|E_2(t-\mathrm{\τ})\right|}^2+2E_2\left(t\right)E_2(t-\mathrm{\τ})\cos \left[2\mathrm{\π}(f\left(t\right)-f(t-\mathrm{\τ}))t\right]---\left(4\right)$

令a₂(t)＝|E₂(t)|²+|E₂(t-τ)|²，b₂(t)＝2E₂(t)E₂(t-τ)，则(4)式可以写为：

I₂＝a₂(t)+b₂(t)cos[2π(f(t)-f(t-τ))t]   (5)

根据多普勒频移的基本原理知道：

$\left\{\begin{array}{c}f\left(t\right)=f_0+\frac{2u\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}\\ f(t-\mathrm{\τ})=f_0+\frac{2u(t-\mathrm{\τ})}{\mathrm{\λ}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

将(6)式代入(5)式中有：

$I_2=a_2\left(t\right)+b_2\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}(\frac{2u\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}-\frac{2u(t-\mathrm{\τ})}{\mathrm{\λ}})t\right)---\left(7\right)$

从(7)式可以看出，只有当速度有变化时，即u(t)≠u(t-τ)，才会产生一个随时间变化的干涉信号，否则输出一个直流信号。输出干涉信号的频率表达式为：

$f_v\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\λ}}[u\left(t\right)-u(t-\mathrm{\τ})]---\left(8\right)$

在t＝0～T时间内，对(8)两边进行积分，左边对应输出条纹的总数而右边可以进行如下处理：

$\begin{array}{c}F\left(T\right)={\∫}_0^T\frac{2}{\mathrm{\λ}}[u\left(t\right)-u(t-\mathrm{\τ})]\mathrm{dt}\\ =\underset{i=1}{\overset{i=T/\mathrm{\τ}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}[u\left(\mathrm{i\τ}\right)-u(\mathrm{i\τ}-\mathrm{\τ})]\\ =\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}[u\left(\mathrm{\τ}\right)-u\left(0\right)+u\left(2\mathrm{\τ}\right)-u\left(\mathrm{\τ}\right)+......+u\left(T\right)-u\left((\frac{T}{\mathrm{\τ}}-1)\mathrm{\τ}\right)]\\ =\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}u\left(T\right)\end{array}---\left(9\right)$

即有： $F\left(T\right)=\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}u\left(T\right),$ 一般写为：

$u\left(t\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\τ}}F\left(t\right)---\left(10\right)$

即通过数条纹的方法即可获得运动运动的速度变化量u(t)。

将(8)代入(7)式，(7)式可以写为：

I₂＝a₂(t)+b₂(t)cos[2πf_v(t)t]   (11)

其中f_v(t)t即为条纹数，即有：

F(t)＝f_v(t)t   (12)

将(10)、(12)式代入(11)式有：

$I_2=a_2\left(t\right)+b_2\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{u\left(t\right)}{F_v}\right)---\left(13\right)$

其中F_v＝λ/2τ为速度干涉仪的条纹常数，其意义是示波器上记录一个完整条纹时对应速度的变化量；

步骤15：通过引入正交相位光纤耦合器后，输出的四路干涉信号中将会依次有0，π/2，π,3π/2的相位差，即从正交相位光纤耦合器11四个输出端口输出的干涉信号分别为：

其中考虑了t时刻和t-τ时刻从运动物体反射回的信号光因经历不同光程时引入的相位差，a₂(t)、b₂(t)称之为光强因子；将(14)进一步写为：

步骤16：正交相位光纤耦合器11四个端口输出的干涉信号经光电探测器13转化为电信号并由示波器15记录。

步骤17：通过(3)式知道，混频器输的输出信号包含四个频率，分别为2f_D(t)、2f₁、f₁+f_D(t)和|f₁-f_D(t)|，前三个频率均为频率较高的高频部分，|f₁-f_D(t)|为一个低频部分；数据处理时，对微波混频器输出的信号(3)进行时频分析(例如，短时傅里叶变换、小波变换等)，得到2f_D(t)、2f₁、f₁+f_D(t)和|f₁-f_D(t)|四个频率随时间的变化历史，提取出低频分量|f₁-f_D(t)|随时间的变化关系，结合微波信号源12的输出频率f₁，从而得到f_D(t)，根据多普勒频移原理知道，f_D(t)＝2u(t)/λ，因此运动物体的速度为u(t)＝f_D(t)λ/2。(这是一个模式下测量运动物体速度的过程)

步骤18:将(15)式的I_2-1与I_2-3相减，I_2-2与I_2-4相减，可以消除干涉信号中的光强因子a₂(t)而得到只包含正弦形式和余弦形式的函数，然后将正弦函数和余弦函数相除得到正切函数，并消除了光强因子b₂(t)，即有：

其中I_2-1、I_2-2、I_2-3与I_2-4为示波器记录的信号，为已知量，为常数，通过(16)得到运动物体的速度历史，即：

(这是另一个模式下测量运动物体速度的过程)。

(二)、超高速运动物体运动速度的测量装置：

1、包括光发射与接收模块、速度干涉模块、示波器、信号处理计算机。光发射与接收处理模块与速度干涉模块第三光纤分束器输入端连接，速度干涉模块的光电探测器输出端与示波器输入端连接，示波器输出端与信号处理计算机连接。

1)、光发射与接收模块包括激光器1、光纤隔离器2、双光纤探头4、动态饱和光纤放大器6。

连接关系：激光器1输出端通过光纤隔离器2后与双光纤探头4任意尾纤连接，从双光纤探头4出射的激光照射在被测运动物体5表面上，从被测运动物体5表面上发射的探测光被双光纤探头4接收，并将双光纤探头4的另一尾纤与动态饱和光纤放大器6输入端连接。

2)速度干涉模块包括第三光纤分束器9、光纤延迟线10、正交相位光纤耦合器11、第二光电探测器组，所述第二光电探测器组包括4个光电探测器13。动态饱和光纤放大器6输出端与第三光纤分束器9输入端连接，第三分束器9一输出端与正交相位光纤耦合器11一输入端连接，第三分束器9另一输出端通过光纤延迟线10与正交相位光纤耦合器11另一输入端连接，正交相位光纤耦合器11四个输出端分别对应与4个光电探测器输入端连接。4个光电探测器4个输出端分别对应与示波器输入端连接。

3)示波器有5个输入通道，分别记录位移干涉模块输出的信号以及速度干涉模块输出的4路信号。并将着5路信号分别输入到信号处理计算机中进行处理。

4)信号处理计算机就是带代理运算功能的处理器。

2、测量方法：

步骤1：假设激光器的频率为f₀，则光发射与接收处理模块第三输出端输出的另一路分束光通过第三光纤分束器9分为两路光信号，其中一路光信号输入正交相位光纤耦合器一输入端，其光场表达式为E₂(t)e^-i2πf(t)t，另一束光信号通过光纤延迟线后正交相位光纤耦合器另一输入端，其光信号光场表达式为E₂(t-τ)e^{-i2πf(t-τ)t}；两束光信号E₂(t)e^-i2πf(t)t与E₂(t-τ)e^{-i2πf(t-τ)t}在正交相位光纤耦合器直接干涉的输出光强为：

$\begin{array}{c}{I}_2=[E_2\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πf}\left(t\right)t}+E_2(t-\mathrm{\τ})e^{-i2\mathrm{\πf}(t-\mathrm{\τ})t}][E_2\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πf}\left(t\right)t}+E_2(t-\mathrm{\τ})e^{-i2\mathrm{\πf}(t-\mathrm{\τ})t}]*\\ ={\left|E_2\left(t\right)\right|}^2+{\left|E_2(t-\mathrm{\τ})\right|}^2+2E_2\left(t\right)E_2(t-\mathrm{\τ})\cos \left[2\mathrm{\π}(f\left(t\right)-f(t-\mathrm{\τ}))t\right]\end{array}---\left(4\right)$

令a₂(t)＝|E₂(t)|²+|E₂(t-τ)|²，b₂(t)＝2E₂(t)E₂(t-τ)，则(4)式可以写为：

I₂＝a₂(t)+b₂(t)cos[2π(f(t)-f(t-τ))t]   (5)

根据多普勒频移的基本原理知道：

$\left\{\begin{array}{c}f\left(t\right)=f_0+\frac{2u\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}\\ f(t-\mathrm{\τ})=f_0+\frac{2u(t-\mathrm{\τ})}{\mathrm{\λ}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

将(6)式代入(5)式中有：

$I_2=a_2\left(t\right)+b_2\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}(\frac{2u\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}-\frac{2u(t-\mathrm{\τ})}{\mathrm{\λ}})t\right)---\left(7\right)$

从(7)式可以看出，只有当速度有变化时，即u(t)≠u(t-τ)，才会产生一个随时间变化的干涉信号，否则输出一个直流信号。输出干涉信号的频率表达式为：

$f_v\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\λ}}[u\left(t\right)-u(t-\mathrm{\τ})]---\left(8\right)$

在t＝0～T时间内，对(8)两边进行积分，左边对应输出条纹的总数而右边可以进行如下处理：

$\begin{array}{c}F\left(T\right)={\∫}_0^T\frac{2}{\mathrm{\λ}}[u\left(t\right)-u(t-\mathrm{\τ})]\mathrm{dt}\\ =\underset{i=1}{\overset{i=T/\mathrm{\τ}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}[u\left(\mathrm{i\τ}\right)-u(\mathrm{i\τ}-\mathrm{\τ})]\\ =\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}[u\left(\mathrm{\τ}\right)-u\left(0\right)+u\left(2\mathrm{\τ}\right)-u\left(\mathrm{\τ}\right)+......+u\left(T\right)-u\left((\frac{T}{\mathrm{\τ}}-1)\mathrm{\τ}\right)]\\ =\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}u\left(T\right)\end{array}---\left(9\right)$

即有： $F\left(T\right)=\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}u\left(T\right),$ 一般写为：

$u\left(t\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\τ}}F\left(t\right)---\left(10\right)$

即通过数条纹的方法即可获得运动运动的速度变化量u(t)。

将(8)代入(7)式，(7)式可以写为：

I₂＝a₂(t)+b₂(t)cos[2πf_v(t)t]   (11)

其中f_v(t)t即为条纹数，即有：

F(t)＝f_v(t)t   (12)

将(10)、(12)式代入(11)式有：

$I_2=a_2\left(t\right)+b_2\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{u\left(t\right)}{F_v}\right)---\left(13\right)$

其中F_v＝λ/2τ为速度干涉仪的条纹常数，其意义是示波器上记录一个完整条纹时对应速度的变化量；

步骤2：通过正交相位耦合器输出四路输出信号中将会依次有0，π/2，π,3π/2的相位差，即从正交相位光纤耦合器11四个输出端口输出的信号分别为：

其中考虑了t时刻和t-τ时刻从运动物体反射回的信号光因经历不同光程时引入的相位差；a₂(t)、b₂(t)称之为光强因子；将(14)进一步写为：

步骤3：正交相位光纤耦合器11四个端口输出的干涉信号经光电探测器13转化为电信号并由示波器15记录。

步骤34：将(15)式的I_2-1与I_2-3相减，I_2-2与I_2-4相减，可以消除干涉信号中的光强因子a₂(t)而得到只包含正弦形式和余弦形式的函数，然后将正弦函数和余弦函数相除得到正切函数，并消除了光强因子b₂(t)，即有：

其中I_2-1、I_2-2、I_2-3与I_2-4为示波器记录的信号，为已知量，为常数，通过(16)得到运动物体的速度历史，即：

Claims (10)

1.一种双模式超高速运动物体运动速度测量装置，其特征在于包括：光发射与接收模块、速度干涉模块、位移干涉模块、示波器、信号处理计算机；

光发射与接收处理模块，用于提供测量运动物体速度的参考光和探测光，并使得从运动物体表面反射回的信号光强度稳定；然后再将反射回的信号光分成两路分束光输出，其中一路分束光输入到位移干涉模块、另一路分束光输入到速度干涉模块；

速度干涉模块，通过光纤延迟线对光发射与接收处理模块输出的另一路分束光进行时间延迟，使得在不同时刻被运动物体反射回的另一路分束光在正交相位光纤耦合器中干涉，并获得依次具有π/2相位差的4路干涉信号；并将4路干涉信号转换为对应的电信号；

位移干涉模块，用于将光发射与接收处理模块输出的参考光以及从运动物体反射回的一路分束光进行干涉，并将与干涉信号对应的电信号与来自于微波源的信号进行混频，混频信号由示波器记录；

示波器，用于记录与速度干涉模块输出的4路干涉信号相对应的电信号，同时记录位移干涉模块输出的混频信号；

信号处理计算机，用于处理示波器记录的速度干涉模块和位移干涉模块输出的信号，获得运动物体速度随时间的变化历史；

其中所述光发射与接收处理模块包括光发射与接收模块、第一光纤分束器、第二光纤分束器，所述光发射与接收模块包括激光器、光纤隔离器、双光纤探头、动态饱和光纤放大器；激光器输出的激光经过光纤隔离器后，由第一光纤分束器进行分束，产生一路参考光与一路探测光；所述探测光通过双光纤探头的一个尾纤输入双光纤探头，从双光纤探头出射的激光直接照射到运动物体的表面上，从运动物体表面反射回的信号光被双光纤探头接收，并通过双光纤探头另一尾纤将反射回的信号光输入至动态饱和光纤放大器进行放大处理并获得稳定的光强输出，从动态饱和光纤放大器输出的信号光传输出至第二光纤分束器的输入端，第二光纤分束器将反射回的信号光分成两路分束光分别输出；其中一路分束光经光纤合束器的一个端口输入到位移干涉模块中，另一路分束光经光纤分束器的输入端输入到速度干涉模块中；其中光纤分束器的一个输出端口作为光发射与接收处理模块的第一输出端口，第二光纤分束器的一路分束光输出端口作为光发射与接收处理模块的第二输出端口，第二光纤分束器的另一路分束光输出端口作为光发射与接收处理模块的第三输出端口。

2.根据权利要求1所述的双模式超高速运动物体运动速度测量装置，其特征在于所述位移干涉模块包括光纤合束器、微波信号源、第一光电探测器、微波混频器；光发射与接收处理模块第一端口输出的参考光、光发射与接收处理模块第二端口输出的一路分束光分别输入至光纤合束器进行干涉，其输出的干涉信号经第一光电探测器转化为电信号后输入至微波混频器的一个输入端口；微波信号源输出的参考信号输入微波混频器的另一输入端口，微波混频器的输出信号由示波器记录；所述速度干涉模块包括第三光纤分束器、光纤延迟线、正交相位光纤耦合器、光电探测器组，所述光电探测器组包括4个光电探测器；所述光发射与接收处理模块第三端口输出的另一路分束光通过第三光纤分束器分为两路光，其中一路光输入至正交相位光纤耦合器的一输入端口，另一路光通过光纤延迟线后输入至正交相位光纤耦合器的另一输入端口；正交相位光纤耦合器的4路输出干涉光信号分别经过4个光电探测器转化为电信号后，由示波器记录。

3.一种双模式超高速运动物体运动速度测量方法，其特征在于包括：

步骤1：通过光发射与接收处理模块输出用于干涉的参考光以及用于探测运动物体速度的信号光，并使得从运动物体表面反射回的信号光强度稳定；并将反射回的信号分成两路分束光输出，其中一路分束光输入到位移干涉模块，另一路分束光输入到速度干涉模块；

步骤2：位移干涉模块，将光发射与接收处理模块输出的参考光以及一路分束光进行干涉并转化为电信号，同时将微波信号源输入的参考信号与第一光电探测器输出的电信号通过微波混频器进行混频，并由示波器记录混频信号；速度干涉模块将光发射与接收处理模块输出端输出的从不同时刻被运动物体表面反射回的另一路分束光通过第三光纤分束器分为两路光，其中一路光输入至正交相位光纤耦合器的一输入端口，另一路光通过光纤延迟线后输入至正交相位光纤耦合器的另一输入端口，这两路光通过正交相位光纤耦合器进行干涉，并通过正交相位光纤耦合器在每一路输出干涉信号中依次引入π/2的相位差，4路干涉信号由光电转化器转换为对应的电信号，并由示波器记录；

步骤3：通过示波器记录位移干涉模块输出的混频信号和速度干涉模块输出的与4路干涉信号对应的电信号；

步骤4：通过信号处理计算机处理示波器记录的位移干涉模块输出的混频信号和速度干涉模块输出的与4路干涉信号对应的电信号，获取运动物体速度随时间的变化历史。

4.根据权利要求3所述的一种双模式超高速运动物体运动速度测量方法，其特征在于所述步骤2具体包括：

步骤21：假设激光器的频率为f₀，则光发射与接收处理模块第一端口输出的参考光其光场表达式为光发射与接收处理模块第二端口输出的信号光由于带有多普勒频移，其光场表达式为其中f_D(t)＝2u(t)/λ为入射激光的多普勒频移，t表示时间，u(t)即为需要测量的运动物体的运动速度，λ为入射激光的频率，λ与f₀的关系为f₀＝c/λ，c为真空中的光速；则经过光纤合束器后输出的干涉信号写为：

$\begin{array}{c}{I_1}^{\′}=(E_{11}\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\π}{f}_{0}t}+E_{12}\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\π}(f_0+f_D)\mathrm{ft}})(E_{11}\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\π}{f}_{0}t}+E_{12}\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\π}(f_0+f_D)\mathrm{ft}})*\\ ={\left|E_{11}\left(t\right)\right|}^2+{\left|E_{12}\left(t\right)\right|}^2+2E_{11}\left(t\right)E_{12}\left(t\right)\cos \left[2\mathrm{\π}{f}_D\left(t\right)t\right]\end{array}---\left(1\right)$

令：a₁(t)＝|E₁₁(t)|²+|E₁₂(t)|²，b₁(t)＝2E₁₁(t)E₁₂(t)，则(1)式可以写为：

I₁'＝a₁(t)+b₁(t)cos[2πf_D(t)t]   (2)

步骤22：由于参考光是直接来源于激光器，因此参考光振幅E₁₁(t)为一个常数，随时间不发生变化；加入动态饱和光纤放大器之后，信号光振幅E₁₂(t)也将变为常数，大小不随时间发生变化，通过选择第一光纤分束器和第二光纤分束器的分束比，使得E₁₁(t)与E₁₂(t)大小相等，因此(2)式可以进一步写为：

I₁'＝2I₁″[1+cos(2πf_D(t)t)]   (3)

其中I₁″＝|E₁₁|²＝|E₁₂|²＝E₁₁E₁₂；

步骤23：光纤合束器输出的干涉信号经过第一光电探测器转化为电信号，该信号为一个频率为f_D(t)的标准余弦信号，与来自于微波信号源频率为f₁的参考信号在微波混频器中进行混频，微波混频器的输出信号可以写为：

I₁＝2I₁″+I₁″[cos(4πf_D(t)t)+cos(4πf₁t)+cos(2π(f₁+f_D(t))t)+cos(2π(f₁-f_D(t))t)]

                                                                    (3)

此微波混频器的输出信号由示波器记录；

步骤24：假设在任意时刻t，来自于运动物体的反射信号光的频率为f(t)，光纤延迟线的延迟时间为τ，则速度干涉模块中参与干涉的两束信号光分别是t时刻和t-τ时刻从运动物体反射回的信号光，其频率分别为f(t)和f(t-τ)；光发射与接收处理模块第三输出端输出的另一路分束光经第三光纤分束器分为两路光，其中一路光直接输入正交相位光纤耦合器，其光场表达式为E₂(t)e^-i2πf(t)t；另一路光经光纤延迟线后再进入正交相位光纤耦合器，其光场表达式为E₂(t-τ)e^{-i2πf(t-τ)t}，这两束光直接干涉的输出可以写为：

$\begin{array}{c}{I}_2=[E_2\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πf}\left(t\right)t}+E_2(t-\mathrm{\τ})e^{-i2\mathrm{\πf}(t-\mathrm{\τ})t}][E_2\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πf}\left(t\right)t}+E_2(t-\mathrm{\τ})e^{-i2\mathrm{\πf}(t-\mathrm{\τ})t}]*\\ ={\left|E_2\left(t\right)\right|}^2+{\left|E_2(t-\mathrm{\τ})\right|}^2+2E_2\left(t\right)E_2(t-\mathrm{\τ})\cos \left[2\mathrm{\π}(f\left(t\right)-f(t-\mathrm{\τ}))t\right]\end{array}---\left(4\right)$

令a₂(t)＝|E₂(t)|²+|E₂(t-τ)|²，b₂(t)＝2E₂(t)E₂(t-τ)，则(4)式可以写为：

I₂＝a₂(t)+b₂(t)cos[2π(f(t)-f(t-τ))t]   (5)

根据多普勒频移的基本原理知道：

$\left\{\begin{array}{c}f\left(t\right)=f_0+\frac{2u\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}\\ f(t-\mathrm{\τ})=f_0+\frac{2u(t-\mathrm{\τ})}{\mathrm{\λ}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

将(6)式代入(5)式中有：

$I_2=a_2\left(t\right)+b_2\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}(\frac{2u\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}-\frac{2u(t-\mathrm{\τ})}{\mathrm{\λ}})t\right)---\left(7\right)$

从(7)式可以看出，只有当速度有变化时，即u(t)≠u(t-τ)时，才会产生一个随时间变化的干涉信号，否则输出一个直流信号；输出干涉信号的频率表达式为：

$f_v\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\λ}}[u\left(t\right)-u(t-\mathrm{\τ})]---\left(8\right)$

在t＝0～T时间内，对(8)两边进行积分，左边对应输出条纹的总数而右边可以进行如下处理：

$\begin{array}{c}F\left(T\right)={\∫}_0^T\frac{2}{\mathrm{\λ}}[u\left(t\right)-u(t-\mathrm{\τ})]\mathrm{dt}\\ =\underset{i=1}{\overset{i=T/\mathrm{\τ}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}[u\left(\mathrm{i\τ}\right)-u(\mathrm{i\τ}-\mathrm{\τ})]\\ =\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}[u\left(\mathrm{\τ}\right)-u\left(0\right)+u\left(2\mathrm{\τ}\right)-u\left(\mathrm{\τ}\right)+......+u\left(T\right)-u\left((\frac{T}{\mathrm{\τ}}-1)\mathrm{\τ}\right)]\\ =\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}u\left(T\right)\end{array}---\left(9\right)$

即有： $F\left(T\right)=\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}u\left(T\right),$ 一般写为：

$u\left(t\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\τ}}F\left(t\right)---\left(10\right)$

即通过数条纹的方法即可获得运动运动的速度变化历史u(t)，条纹数目直接对应速度，因此这种工作模式称之为速度干涉模式；当出现非整数个条纹时，需要对条纹进行细分，而这种细分方法带来的速度测量精度通常不能满足速度高精度测量的要求；因此：

将(8)代入(7)式，(7)式可以写为：

I₂＝a₂(t)+b₂(t)cos[2πf_v(t)t]   (11)

其中f_v(t)t即为条纹数，即有：

F(t)＝f_v(t)t   (12)

将(10)、(12)式代入(11)式有：

$I_2=a_2\left(t\right)+b_2\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{u\left(t\right)}{F_v}\right)---\left(13\right)$

其中F_v＝λ/2τ为速度干涉模块的条纹常数，其意义是示波器上记录一个完整条纹时对应速度的变化量；

步骤25：通过引入正交相位光纤耦合器后，输出的四路干涉信号中将会依次有0，π/2，π,3π/2的相位差，即从正交相位光纤耦合器四个输出端口输出的干涉信号分别为：

其中考虑了t时刻和t-τ时刻从运动物体反射回的信号光因经历不同光程时引入的相位差，a₂(t)、b₂(t)称之为光强因子；将(14)进一步写为：

步骤26：正交相位光纤耦合器四个端口输出的干涉信号经4个光电探测器分别转化为电信号并由示波器记录。

5.根据权利要求3所述的一种双模式超高速运动物体运动速度测量方法，其特征在于所述步骤4具体过程是：

步骤41：信号处理计算机进行数据处理，具体过程为：通过(3)式知道，混频器输的输出信号包含四个频率，分别为2f_D(t)、2f₁、f₁+f_D(t)和|f₁-f_D(t)|，前三个频率均为频率较高的高频部分，|f₁-f_D(t)|为一个低频部分；数据处理时，对微波混频器输出的信号进行时频分析，得到2f_D(t)、2f₁、f₁+f_D(t)和|f₁-f_D(t)|四个频率随时间的变化历史，提取出低频分量|f₁-f_D(t)|随时间的变化关系，结合微波信号源的输出频率f₁，从而得到f_D(t)，根据多普勒频移原理知道，f_D(t)＝2u(t)/λ，因此运动物体的速度为u(t)＝f_D(t)λ/2；

步骤42:将(15)式的I_2-1与I_2-3相减，I_2-2与I_2-4相减，可以消除干涉信号中的光强因子a₂(t)而得到只包含正弦形式和余弦形式的函数，然后将正弦函数和余弦函数相除得到正切函数，并消除了光强因子b₂(t)，即有：

其中I_2-1、I_2-2、I_2-3与I_2-4为示波器记录的信号，为已知量，为常数，通过(16)得到运动物体的速度历史，即：

6.一种超高速运动物体运动速度测量装置，其特征在于包括：光发射与接收模块、速度干涉模块、示波器、信号处理计算机；

光发射与接收模块，用于提供测量运动物体速度的探测光，并使得从运动物体表面反射回的信号光强度稳定；

速度干涉模块，通过光纤延迟线对光发射与接收模块输出的信号光进行时间延迟，使得在不同时刻被运动物体反射回的信号光在正交相位光纤耦合器中进行干涉，并获得依次具有π/2相位差的4路干涉信号；并将4路干涉信号转换为对应的电信号；

示波器，用于记录与速度干涉模块输出的4路干涉信号相对应的电信号；

信号处理计算机，用于处理示波器记录的与速度干涉模块输出的4路干涉信号相对应的电信号，获得运动物体速度随时间的变化历史；

其中所述光发射与接收模块包括激光器、光纤隔离器、双光纤探头、动态饱和光纤放大器；激光器输出的激光经过光纤隔离器后，通过双光纤探头尾纤输入双光纤探头；从双光纤探头出射的激光直接照射到运动物体的表面上；从运动物体表面反射回的信号光被双光纤探头接收，并通过双光纤探头另一尾纤将反射的信号光输入至动态饱和光纤放大器进行放大处理并获得稳定的光强输出，所述动态饱和光纤放大器作为光发射与接收模块的输出端。

7.根据权利要求6所述的一种超高速运动物体运动速度测量装置，其特征在于所述速度干涉模块包第三光纤分束器、光纤延迟线、正交相位光纤耦合器、光电探测器组，光电探测器组包括4个光电探测器，所述光发射与接收模块输出端输出的信号光通过第三光纤分束器分为两束信号光，其中一束信号光直接输入至正交相位光纤耦合器一输入端，另一束信号光通过光纤延迟线后输入至正交相位光纤耦合器的另一输入端；正交相位光纤耦合器4路输出端分别对应与4个光电探测器输入端连接，4个光电探测器输出端分别与示波器4路输入端连接。

8.一种超高速运动物体运动速度测量方法，其特征在于包括：

步骤1：通过光发射与接收模块提供测量运动物体速度的探测光，并使得从运动物体表面反射回的信号光强度稳定；

步骤2：通过光纤延迟线对光发射与接收模块输出的信号光进行时间延迟，使得在不同时刻被运动物体反射回的信号光在正交相位光纤耦合器中进行干涉，并获得依次具有π/2相位差的4路干涉信号；并将4路干涉信号转换为对应的电信号；

步骤3：通过示波器记录与速度干涉模块输出的4路干涉信号相对应的电信号；

步骤4：通过信号处理计算机处理示波器记录的与速度干涉模块输出的4路干涉信号对应的电信号，获得运动物体速度随时间的变化历史；

其中所述光发射与接收模块包括激光器、光纤隔离器、双光纤探头、动态饱和光纤放大器；激光器输出的激光经过光纤隔离器后，通过双光纤探头尾纤输入双光纤探头；从双光纤探头出射的激光直接照射到运动物体的表面上；从运动物体表面反射的信号光被双光纤探头接收，并通过双光纤探头另一尾纤将反射的信号光输入至动态饱和光纤放大器进行放大处理并获得稳定的光强输出，所述动态饱和光纤放大器作为光发射与接收模块的输出端。

9.根据权利要求8所述的一种超高速运动物体运动速度测量方法，其特征在于所述步骤2具体包括：

步骤21：假设激光器的频率为f₀，则光发射与接收模块输出端输出的信号光通过第三光纤分束器分为两束光信号，其中一路信号光直接输入至正交相位光纤耦合器一输入端，其光场表达式为E₂(t)e^-i2πf(t)t，另一束信号光通过光纤延迟线延迟时间τ后，输入至正交相位光纤耦合器另一输入端，其光场表达式为E₂(t-τ)e^{-i2πf(t-τ)t}；E₂(t)e^-i2πf(t)t与E₂(t-τ)e^{-i2πf(t-τ)t}直接干涉的输出光强为：

$\begin{array}{c}{I}_2=[E_2\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πf}\left(t\right)t}+E_2(t-\mathrm{\τ})e^{-i2\mathrm{\πf}(t-\mathrm{\τ})t}][E_2\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πf}\left(t\right)t}+E_2(t-\mathrm{\τ})e^{-i2\mathrm{\πf}(t-\mathrm{\τ})t}]*\\ ={\left|E_2\left(t\right)\right|}^2+{\left|E_2(t-\mathrm{\τ})\right|}^2+2E_2\left(t\right)E_2(t-\mathrm{\τ})\cos \left[2\mathrm{\π}(f\left(t\right)-f(t-\mathrm{\τ}))t\right]\end{array}---\left(4\right)$

令a₂(t)＝|E₂(t)|²+|E₂(t-τ)|²，b₂(t)＝2E₂(t)E₂(t-τ)，则(4)式可以写为：

I₂＝a₂(t)+b₂(t)cos[2π(f(t)-f(t-τ))t]   (5)

根据多普勒频移的基本原理知道：

$\left\{\begin{array}{c}f\left(t\right)=f_0+\frac{2u\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}\\ f(t-\mathrm{\τ})=f_0+\frac{2u(t-\mathrm{\τ})}{\mathrm{\λ}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

将(6)式代入(5)式中有：

$I_2=a_2\left(t\right)+b_2\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}(\frac{2u\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}-\frac{2u(t-\mathrm{\τ})}{\mathrm{\λ}})t\right)---\left(7\right)$

从(7)式可以看出，只有当速度有变化时，即u(t)≠u(t-τ)，才会产生一个随时间变化的干涉信号，否则输出一个直流信号；输出干涉信号的频率表达式可以写为：

$f_v\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\λ}}[u\left(t\right)-u(t-\mathrm{\τ})]---\left(8\right)$

在t＝0～T时间内，对(8)两边进行积分，左边对应输出条纹的总数而右边可以进行如下处理：

$\begin{array}{c}F\left(T\right)={\∫}_0^T\frac{2}{\mathrm{\λ}}[u\left(t\right)-u(t-\mathrm{\τ})]\mathrm{dt}\\ =\underset{i=1}{\overset{i=T/\mathrm{\τ}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}[u\left(\mathrm{i\τ}\right)-u(\mathrm{i\τ}-\mathrm{\τ})]\\ =\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}[u\left(\mathrm{\τ}\right)-u\left(0\right)+u\left(2\mathrm{\τ}\right)-u\left(\mathrm{\τ}\right)+......+u\left(T\right)-u\left((\frac{T}{\mathrm{\τ}}-1)\mathrm{\τ}\right)]\\ =\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}u\left(T\right)\end{array}---\left(9\right)$

即有： $F\left(T\right)=\frac{2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\λ}}u\left(T\right),$ 一般写为：

$u\left(t\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\τ}}F\left(t\right)---\left(10\right)$

即通过数条纹的方法即可获得运动运动的速度变化历史u(t)，条纹数目直接对应速度，因此这种工作模式称之为速度干涉模式；当出现非整数个条纹时，需要对条纹进行细分，而这种细分方法带来的速度测量精度通常不能满足速度高精度测量的要求；因此：

将(8)代入(7)式，(7)式可以写为：

I₂＝a₂(t)+b₂(t)cos[2πf_v(t)t]   (11)

其中f_v(t)t即为条纹数，即有：

F(t)＝f_v(t)t   (12)

将(10)、(12)式代入(11)式有：

$I_2=a_2\left(t\right)+b_2\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{u\left(t\right)}{F_v}\right)---\left(13\right)$

其中F_v＝λ/2τ为速度干涉模块的条纹常数，其意义是示波器上记录一个完整条纹时对应速度的变化量；

步骤22：通过引入正交相位光纤耦合器后，输出的四路干涉信号中将会依次有0，π/2，π,3π/2的相位差，即从正交相位光纤耦合器四个输出端口输出的干涉信号分别为：

其中考虑了t时刻和t-τ时刻从运动物体反射回的信号光因经历不同光程时引入的相位差，a₂(t)、b₂(t)称之为光强因子；将(14)进一步写为：

步骤23：正交相位光纤耦合器四个端口输出的干涉信号经光电探测器转化为电信号并由示波器记录。

10.根据权利要求8所述的一种超高速运动物体运动速度测量方法，其特征在于所述步骤4具体过程是：通过信号处理计算机进行数据处理，具体过程为：将(15)式中的I_2-1与I_2-3相减，I_2-2与I_2-4相减，可以消除干涉信号中的光强因子a₂(t)而得到只包含正弦形式和余弦形式的函数，然后将正弦函数和余弦函数相除得到正切函数，并消除了光强因子b₂(t)，即有：

其中I_2-1、I_2-2、I_2-3与I_2-4为示波器记录的信号，为已知量，为常数，通过(16)得到运动物体的速度历史，即：