CN105487081B - 一种用于激光测速仪的微分探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于激光测速仪的微分探测系统，包括激光器，与该激光器光路连接的第一分束镜，与该第一分束镜光路连接的第二分束镜和第一反射镜，与第二分束镜光路连接的第三分束镜和斩波器，与第三分束镜光路连接的第一探测器和第二反射镜，与第二反射镜光路连接的第二探测器，所述第一反射镜与所述第三分束镜光路连接；所述第一探测器的输出端与所述差分放大器的一个输入端连接，所述第二探测器与所述差分放大器的另一个输入端连接。本发明具有如下优点：可以充分利用激光的光能量，可以提高激光测速仪的探测灵敏度和精度，使其在中远距离测量领域变得容易实现。

Description

一种用于激光测速仪的微分探测系统
技术领域
本发明涉及一种微分探测设备，特别涉及一种用于激光测速仪的微分探测系统。
背景技术
传统的激光测速仪都是采用单个探测器构成普通外差探测系统，这种光外差探测技术不仅具有探测能力强、转换增益高、滤波性能好、稳定性高等特点，还能探测信号的振幅、强度、相位等信息，被广泛应用于微弱信号的检测领域。但是这种普通外差探测系统存在如下缺陷：(1)激光测速仪的灵敏度不够高，中远距离测量信号差，丢失信号严重，这使普通外差探测系统在某些领域不能满足对探测精度和灵敏度的要求；(2)激光光能的利用率低，造成能量浪费，且噪声大；(3)对激光测速仪中光源功率大小及其稳定性要求高，成本大大提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种用于激光测速仪的微分探测系统，通过该微分探测系统来提高探测的精度、灵敏度以及探测的距离。
本发明是这样实现的：一种用于激光测速仪的微分探测系统，包括激光器、第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、斩波器、第一反射镜、第二反射镜、第一探测器、第二探测器以及差分放大器；所述激光器为全固态连续激光器，激光器的单频输出波长为532nm的绿光；
所述第一分束镜设置在所述激光器的前端，所述激光器发出的光束传输至所述第一分束镜后分成第一透射光和第一反射光两路光；所述第一透射光传输至所述第一反射镜，并经过该第一反射镜反射后传输至所述第三分束镜形成参考光，所述第一反射镜与第三分束镜之间设置有一用于调节参考光功率的衰减片；所述第一反射光传输至所述第二分束镜后分成第二透射光和第二反射光两路光，其中，所述第二反射光为无效光；所述第二透射光传输至所述斩波器后返回携带有速度信息的散射光，该散射光传输至所述第二分束镜后分成第三透射光和第三反射光两路光，其中，所述第三透射光为无效光；所述第三反射光传输至所述第三分束镜形成信号光；
参考光经过所述第三分束镜后分成第四透射光和第四反射光两路光，信号光经过所述第三分束镜后分成第五透射光和第五反射光两路光，其中，所述第四反射光与第五透射光传输至所述第一探测器的输入端；所述第四透射光与第五反射光传输至所述第二反射镜，并经过该第二反射镜反射后传输至所述第二探测器的输入端；
所述第一探测器的输出端与所述差分放大器的一个输入端连接，所述第二探测器与所述差分放大器的另一个输入端连接。
进一步地，第一分束镜、第二分束镜以及第三分束镜的分束比均为50:50，吸收率均为0。
本发明具有如下优点：
1、充分利用了激光的光能量，提高了激光测速仪的探测灵敏度和测量精度，使其在中远距离测量领域变得容易实现；同时光源功率的波动也不会影响测量精度和灵敏度，这使得测速系统对光源功率稳定性的要求大大降低；
2、将本申请微分探测系统应用于激光多普勒测速仪中，可进一步提高激光多普勒测速仪的灵敏度；
3、差分放大器差分所得的电信号实现了输出信号中交流信号的幅值加倍，直流信号被消除，既放大了包含物体运动信息的中频电流，又大大抑制了探测器的散粒噪声和放大电路的噪声，可以减少噪声对信号造成的干扰，有效提高测量精度。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明用于激光测速仪的微分探测系统的光路原理图。
具体实施方式
请参照图1所示，一种用于激光测速仪的微分探测系统，通过将该微分探测系统应用到激光多普勒测速系统中，可以测量斩波器上任意一点切向运动的速度。所述微分探测系统包括激光器1、第一分束镜2、第一反射镜3、衰减片4、第二分束5、斩波器6、第三分束镜7、第二反射镜8、第一探测器91、第二探测器92以及差分放大器10；所述激光器1为全固态连续激光器，激光器1的单频输出波长为532nm的绿光，该激光器1不仅具有低相位噪声、线性度好等优点，且具有良好的偏振特性；所述第一探测器91和第二探测器92参数完全相同。
所述第一分束镜2、第二分束镜5以及第三分束镜7的分束比均为50:50，吸收率均为0。根据已知的光学知识，光束经过分束镜后，其透射光与反射光存在有如下关系：
|T|2+|R|2＝1；
其中，T表示透射率，R表示反射率，φR表示反射率的相位，φT表示透射率的相位，即无损耗BS的透射率和反射率的平方和为1，且反射率和透射率之间有的相位差。
所述第一分束镜2设置在所述激光器1的前端，所述激光器1发出的光束11传输至所述第一分束镜2后分成第一透射光21和第一反射光22两路光；所述第一透射光21传输至所述第一反射镜3，并经过该第一反射镜3反射后传输至所述第三分束镜7形成参考光，所述衰减片4设置在所述第一反射镜3与第三分束镜7之间，在使用时，可以通过该衰减片4调节参考光的功率，以使参考光和信号光在第一探测器91和第二探测器92发生较好的混频现象，同时也能够降低参考光的本振噪声。参考光在形成的过程中没有受到任何调制，其电场分量可表示为：
Er＝Er0cos(2πfrt+φr)；
其中fr表示参考光的频率；φr表示参考光的初始相位。
所述第一反射光22传输至所述第二分束镜5后分成第二透射光51和第二反射光(未图示)两路光，其中，所述第二反射光为无效光，不作记录；所述第二透射光51传输至所述斩波器6后返回携带有速度信息的散射光61，斩波器6的转动会使散射光61的频率发生改变，因此返回的散射光61中携带了所需的速度信息；该散射光61传输至所述第二分束镜5后分成第三透射光(未图示)和第三反射光611两路光，其中，所述第三透射光为无效光，不作记录；所述第三反射光611传输至所述第三分束镜7形成信号光；该信号光的电场分量可表示为：
Es＝Es0cos(2πfst+φs)；
其中fs表示信号光的频率；φs表示信号光的初始相位。
参考光经过所述第三分束镜7后分成第四透射光712和第四反射光711两路光，信号光经过所述第三分束镜7后分成第五透射光722和第五反射光721两路光，其中，所述第四反射光711与第五透射光722传输至所述第一探测器91的输入端；所述第四透射光712与第五反射光721传输至所述第二反射镜8，并经过该第二反射镜8反射后传输至所述第二探测器92的输入端；
所述第四反射光711与第五透射光722在进入第一探测器91后将在第一探测器91上发生混频，所述第四透射光712与第五反射光721在进入第二探测器92后将在第二探测器92上发生混频，并可以导出第一探测器91的输出电流信号i1和第二探测器92的输出电流信号i2；
其中，B为光电转换系数，在数值上等于η是探测器的量子效率，e是电子电荷量，hν是单个光子能量。i1和i2表达式的不同之处就在于，交叉项中由第三分束镜7带来的相位(φT-φR)在两式中符号相反，根据反射率和透射率相位差为π/2可知，电流信号i1和i2有180°的相位差。
所述第一探测器91的输出端与所述差分放大器10的一个输入端连接，所述第二探测器92与所述差分放大器10的另一个输入端连接。基于电流信号i1和i2有180°的相位差，经过差分处理后，可以实现输出信号中交流信号的幅值加倍，直流信号被消除。因此，经过差分放大器10差分处理后可以得到包含物体运动信息的中频电流信号i：
i＝BEr0Es0sin[2π(fs-fr)t+(φr-φs)]；
中频电流信号i最终由数据采集卡完成信号采集并做后续信号处理之后，可以得到差分信号的频率，即多普勒频率，由于多普勒频率与物体运动速度成正比，所以根据所得的多普勒频率即可解算出斩波器上待测点的切向运动的速度。
综上所述，本发明具有如下有益效果：
1、充分利用了激光的光能量，提高了激光测速仪的探测灵敏度和测量精度，使其在中远距离测量领域变得容易实现；同时光源功率的波动也不会影响测量精度和灵敏度，这使得测速系统对光源功率稳定性的要求大大降低；
2、将本申请微分探测系统应用于激光多普勒测速仪中，可进一步提高激光多普勒测速仪的灵敏度；
3、差分放大器差分所得的电信号实现了输出信号中交流信号的幅值加倍，直流信号被消除，既放大了包含物体运动信息的中频电流，又大大抑制了探测器的散粒噪声和放大电路的噪声，可以减少噪声对信号造成的干扰，有效提高测量精度。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (1)

1.一种用于激光测速仪的微分探测系统，其特征在于：包括激光器、第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、斩波器、第一反射镜、第二反射镜、第一探测器、第二探测器以及差分放大器；所述激光器为全固态连续激光器，激光器的单频输出波长为532nm的绿光；
所述第一分束镜设置在所述激光器的前端，所述激光器发出的光束传输至所述第一分束镜后分成第一透射光和第一反射光两路光；所述第一透射光传输至所述第一反射镜，并经过该第一反射镜反射后传输至所述第三分束镜形成参考光，所述第一反射镜与第三分束镜之间设置有一用于调节参考光功率的衰减片；所述第一反射光传输至所述第二分束镜后分成第二透射光和第二反射光两路光，其中，所述第二反射光为无效光；所述第二透射光传输至所述斩波器后返回携带有速度信息的散射光，该散射光传输至所述第二分束镜后分成第三透射光和第三反射光两路光，其中，所述第三透射光为无效光；所述第三反射光传输至所述第三分束镜形成信号光；
参考光经过所述第三分束镜后分成第四透射光和第四反射光两路光，信号光经过所述第三分束镜后分成第五透射光和第五反射光两路光，其中，所述第四反射光与第五透射光传输至所述第一探测器的输入端；所述第四透射光与第五反射光传输至所述第二反射镜，并经过该第二反射镜反射后传输至所述第二探测器的输入端；
所述第一探测器的输出端与所述差分放大器的一个输入端连接，所述第二探测器与所述差分放大器的另一个输入端连接；
第一分束镜、第二分束镜以及第三分束镜的分束比均为50:50，吸收率均为0。
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