CN106802165A - 基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法及装置。采用三角波函数对激光器的驱动电压进行调制；激光器发射出的激光耦合进入到光纤分束器中，被光纤分束器分成两束激光，一束经光纤准直器射到待测物体表面，被待测物体表面反射或后向散射后，再返回到激光器的谐振腔中发生激光自混合干涉；另一束输入至光电探测器中。光电探测器检测激光器的输出功率，获取激光自混合干涉时的时域信号，将该时域信号转换为频域信号；根据激光自混合干涉的频域信号，求得待测物体的运动速度及到光纤准直器出射端面的距离。本发明无需复杂的信号分离提取和额外的电光频移，即能实现速度和距离的同步测量，具有结构简单、成本低、校准方便等特点。

Description

基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法与装置

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，具体涉及一种基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法与装置。

背景技术

激光自混合多普勒测速技术是一种基于激光自混合干涉的速度测量技术，激光自混合干涉是指激光器输出光被待测物体反射或散射后，部分光反馈回激光器谐振腔内，引起激光器模式发生变化的现象。通过分析激光器模式的变化，获得速度引起的多普勒频率，从而得到待测物体的速度信息。相比较于传统的双光束干涉系统，基于激光自混合现象的干涉系统不需要参考光，只有一个光学通道，具有结构简单、易准直等优点。在军事、机动车超速监测、高精度检测等许多领域，仅获得待测物体的速度信息不能满足实际需求，速度测量的同时实现距离测量具有极其重要的意义和作用。

单通道激光自混合系统由于光学通道数目有限，存在难以同步测量速度和距离的问题。中国发明专利CN102292646公开了一种调节用于测量车辆速度的自混合激光传感器系统方法，该测量方法的原理是：确定从待测物体表面反射回并再次进入激光器腔内的多普勒相移造成的振荡频率，根据激光自混合干涉发生时的自混合强度振荡的频率(即多普勒频率)计算速度，但由于只获取多普勒频率无法分析待测物体的距离信息。中国发明专利CN103337776公布了一种全光纤型激光自混合测距系统，该测距系统的原理是：通过激光自混合干涉引起可协调光纤激光器的波动频率计算待测物体的距离信息，但是无法获取待测物体的速度信息。

将激光自混合速度测量与距离测量方法结合，通过在光路中添加额外的光源和分光器件，增加光学系统的光学通道，可以分别实现不同待测物体的速度和距离测量。但是由于采用多个光源和分光器件，并且多个光源的波长和相位存在差异，不仅难以实现同一待测物体距离与速度的同步测量，而且存在多个速度与距离的信号相互叠加、信号难以提取、系统负载加重、结构复杂、光路难以调整等问题，引入的分光器件提高了系统的复杂程度，基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量技术难以得到充分的发展和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法与装置，该方法与装置无需复杂的信号分离提取和额外的电光频移，即能实现速度和距离的同步测量，具有结构简单、成本低、校准方便等特点。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量的方法，该方法包括以下步骤：

(1)采用激光调制模块产生的三角波函数对激光器的驱动电压进行调制。

(2)经驱动电压调制后的激光器发射出的激光耦合进入到光纤分束器中，被光纤分束器分成两束激光，其中一束激光经光纤准直器射到待测物体表面，被待测物体表面反射或后向散射后，再经光纤准直器和光纤分束器返回到激光器的谐振腔中，在谐振腔中发生激光自混合干涉；另一束激光输入至光电探测器中。

(3)光电探测器检测激光器的输出功率，获取激光器谐振腔中发生激光自混合干涉时的时域信号，采用傅里叶变换模块将该时域信号转换为频域信号。

(4)根据激光自混合干涉的频域信号，获得该频域信号的上升沿频峰和下降沿频峰。

(5)采用以下公式求得待测物体的运动速度V：

V＝λ(v₁+v₂)/(4cosθ)

其中，λ为激光器发射出的激光的波长，v₁、v₂分别是激光自混合干涉频域信号的下降沿频峰和上升沿频峰的峰值频率，θ是入射角，即待测物体运动速度方向与激光入射方向的夹角。

(6)采用以下公式求得待测物体到光纤准直器出射端面的距离L：

L＝c(v₂-v₁)/(8ηf_TA_T)

其中，c表示光速，v₁、v₂分别是激光自混合干涉频域信号的下降沿频峰和上升沿频峰的峰值频率，η是激光器光频调制系数，f_T和A_T分别是三角波函数的频率和幅度。

本发明还涉及一种实施上述基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法的装置，该装置包括激光器、光纤分束器、光纤准直器、放置有待测物体的电动平移台、电动马达、激光调制模块、光电探测器、傅里叶变换模块和计算机。

所述激光调制模块的输出端接激光器的输入端，激光器的输出端接光纤分束器的输入端，光纤分束器的输出端分别接光纤准直器及光电探测器的输入端，光电探测器的输出端接傅里叶变换模块的输入端，傅里叶变换模块的输出端接计算机的输入端，计算机的输出端分别接电动平移台及电动马达的输入端，电动马达的输出端接待测物体。当电动马达运转时，待测物体会随着电动马达进行同一速度的运动。当电动平移台发生平移时，放置在电动平移台上的待测物体会随电动平移台一起平移，从而使待测物体到光纤准直器出射端面的距离发生相应改变。

所述激光调制模块产生三角波函数对激光器的驱动电压进行调制；激光器发出的激光，经光纤分束器分成两束激光，其中一束激光经光纤准直器照射到待测物体表面上，经待测物体表面反射后，再经光纤准直器和光纤分束器回到激光器的谐振腔中，并在谐振腔中发生激光自混合干涉；另外一束激光输入至光电探测器中，光电探测器根据该束激光检测激光器的输出功率，获取激光自混合干涉的时域信号，并将该时域信号发送至傅里叶变换模块；所述傅里叶变换模块，将激光自混合干涉的时域信号转换成频域信号；所述计算机，用于调节电动马达的运动速度以及电动平移台的平移距离，还用于根据激光自混合干涉的频域信号，计算出待测物体的运动速度以及待测物体到光纤准直器出射端面的距离。

进一步的，所述激光调制模块产生的三角波函数为不对称度为50％的三角波函数。

进一步的，所述激光器为调制特性稳定的半导体激光器，所述激光调制模块对激光器进行内调制。

和现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用单个激光器和光电探测器，利用单通道激光自混合干涉效应，实现速度和距离的非接触同步测量，结构简单，易于实现。

(2)本发明对待测物体表面类型没有要求，同时适用于镜面反射表面和漫反射表面，且不需要放置额外的反射镜，适用性广。

(3)本发明将激光调制应用到激光自混合干涉多普勒频率测速中，多普勒频率分成两个频率——上升沿频率与下降沿频率，利用上升沿频率与下降沿频率之和进行速度测量，利用上升沿频率与下降沿频率之差进行距离测量，提高了测量精度和系统响应。

(4)本发明所采用的激光器是光纤尾纤的单纵模半导体激光器，激光调制模块输出的调制信号是线性度较好的三角波函数，这能够有效减少激光自混合干涉效应中的频谱展宽现象，减小测量误差，提高系统分辨率。

附图说明

图1是本发明中基于激光自混合干涉速度和距离的同步测量装置的结构示意图；

图2是激光自混合干涉的典型频域信号，横坐标为频率f，纵坐标为功率P；

图3是运动速度测量值随上升沿频率和下降沿频率之和的变化分布，横坐标为上升沿与下降沿频率之和f₁，纵坐标为速度V；

图4是距离测量值随上升沿频率和下降沿频率之差的变化分布，横坐标为下降沿与上升沿频率之差f₂，纵坐标为距离L。

其中：

1、激光器，2、光纤分束器，3、光纤准直器，4、电动平移台，5、待测物体，6、激光调制模块，7、光电探测器，8、傅里叶变换模块，9、计算机，10、电动马达。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量的装置，该装置包括激光器1、光纤分束器2、光纤准直器3、放置有待测物体5的电动平移台4、电动马达10、激光调制模块6、光电探测器7、傅里叶变换模块8和计算机9。

具体地说，所述激光调制模块6的输出端接激光器1的输入端，激光器1的输出端接光纤分束器2的输入端，光纤分束器2的输出端分别接光纤准直器3及光电探测器7的输入端，光电探测器7的输出端接傅里叶变换模块8的输入端，傅里叶变换模块8的输出端接计算机9的输入端，计算机9的输出端分别接电动平移台4及电动马达10的输入端，电动马达10的输出端接待测物体5。当电动马达10运转时，待测物体5会随着电动马达进行同一速度的运动。当电动平移台4发生平移时，放置在电动平移台4上的待测物体5会随电动平移台4一起平移，从而使待测物体5到光纤准直器3出射端面的距离发生相应改变。

所述激光调制模块6产生三角波函数对激光器1的驱动电压进行调制；激光器1发出的激光，经光纤分束器2分成两束激光，其中一束激光经光纤准直器3照射到待测物体5表面上，经待测物体5表面反射后，再经光纤准直器3和光纤分束器2回到激光器1的谐振腔中，并在谐振腔中发生激光自混合干涉。另外一束激光输入至光电探测器7中，当待测物体5运动引起反射光光程改变，激光器1的谐振腔中发生激光自混合干涉时，激光器1的输出功率发生变化，光电探测器7检测激光器1的输出功率。光电探测器7根据该束激光检测激光器1的输出功率，获取激光自混合干涉的时域信号，并将该时域信号发送至傅里叶变换模块8；所述傅里叶变换模块8，将激光自混合干涉的时域信号转换成频域信号；所述计算机9，用于调节电动马达10的运动速度以及电动平移台4的平移距离，还用于根据激光自混合干涉的频域信号，计算出待测物体的运动速度以及待测物体5到光纤准直器3出射端面的距离。

进一步的，所述激光调制模块6产生的三角波函数为不对称度为50％的三角波函数。

进一步的，所述激光器2为调制特性稳定的半导体激光器。

本发明还涉及一种基于激光自混合干涉的速度与距离的同步测量方法，该方法具体包括以下步骤：

S1、激光调制模块6产生三角波函数对激光器1的驱动电压进行调制。

S2、经驱动电压调制后的激光器1发射出的激光耦合进入到光纤分束器2中，被光纤分束器2分成两束激光，其中一束激光经光纤准直器3聚焦到待测物体5表面上，被待测物体5表面反射或后向散射后，再经光纤准直器3和光纤分束器2原路返回到激光器1的谐振腔中，在激光器的谐振腔中发生激光自混合干涉。另一束激光输入至光电探测器7中。

S3、当待测物体5随电动马达和电动平移台运动引起反射光光程改变，激光器1的谐振腔中发生激光自混合干涉时，激光器1的输出功率发生了变化，光电探测器4检测激光器1的输出功率，获取激光自混合干涉的时域信号，再采用傅里叶变换模块8将激光自混合干涉的时域信号转换为频域信号。

S4、根据激光自混合干涉的频域信号，获得激光自混合干涉频域信号的上升沿频峰和下降沿频峰。

S5、采用公式(1)求得待测物体的运动速度V：

V＝λ(v₁+v₂)/(4cosθ) (1)

其中，λ表示激光器发射出的激光的波长，v₁、v₂分别是激光自混合干涉频域信号的下降沿频峰和下降沿频峰的峰值频率，θ是入射角。

S6、采用公式(2)求得待测物体到光纤准直器出射端面的距离L：

L＝c(v₂-v₁)/(8ηf_TA_T) (2)

其中，c表示光速，v₁、v₂分别是激光自混合干涉频域信号的下降沿频峰和下降沿频峰的峰值频率，η是激光器光频调制系数，f_T和A_T分别是三角波调制信号的频率和幅度。

从图2所示的三角波函数调制下激光自混合干涉典型频域信号可知，激光自混合干涉的频域信号包含两个频峰，分别对应下降沿频峰和上升沿频峰，其横坐标对应下降沿和上升沿频率v1和v2。当三角波函数保持不变时，下降沿和上升沿频率之和(v1+v2)只受待测物体5运动速度v的影响，并且随着速度v的变化近似呈现线性分布。而(v2-v1)只受待测物体5到光纤准直器3出射端面距离L的影响，并且随着距离L的变化近似呈现线性分布。傅里叶变换模块8将测量所得的上升沿频率和下降沿频率同步导入计算机9，计算机9利用预先标定好的下降沿和上升沿频率之和(v1+v2)与速度V的计算公式(1)测得待测物体的运动速度v，利用预先标定好的下降沿和上升沿频率之差(v2-v1)与距离L的计算公式(2)测得待测物体到光纤准直器出射端面的距离L，从而实现速度和距离的同步测量。对于待测物体的速度V的计算公式(1)和待测物体转动角度θ的计算公式(2)来讲，本发明预先根据实际使用情况，得到三角波调制电压的频率ft、幅度At、激光波长λ、激光器电压调制系数η、入射角θ等参数，再将各个参数带入公式(1)和(2)，从而得到频域信号和速度以及距离的关系表达式。

如图3所示的运动速度V测量值随上升沿频率和下降沿频率之和f₁＝(v₁+v₂)的变化分布，横坐标为f₁，纵坐标为待测物体的运动速度V。虽然v₁、v₂分别受到运动速度V和距离L的影响，但是f₁只与速度V有关，且V随f₁近似线性增大。

如图4所示的距离L测量值随上升沿频率和下降沿频率之差f₂＝(v₂-v₁)的变化分布，横坐标为f₂，纵坐标为距离L。虽然v₁、v₂分别受到运动速度V和距离L的影响，但是f₂只与距离L有关，且L随f₂近似线性增大，图4表现出一定的非线性是由于忽略了激光器光频调制系数η随调制幅度A_T的变化。

在本发明中，激光调制模块6产生的调制信号对激光器1的输出光频进行调制，调制信号幅度变化时光频发生变化产生频移f_L,T，如公式(7)所示，调制信号幅度减小时对应下降沿频率v₁，调制信号幅度增加时对应上升沿频率v₂。在本发明中，激光调制模块6产生的调制信号为三角波，三角波的线性度优于正弦波或者方波，有效地减小了上升沿频率和下降沿频率的频峰宽度，有利于上升沿和下降沿频率地正确提取。在本发明中，激光调制模块6产生的三角波调制信号，其不对称度为50％，有效的避免了由不对称引起的频移，降低了测量误差。

本发明的测量原理如下：

首先，基于激光自混合三镜腔理论，待测物体5的反射面与光纤准直器3的出射端面构成激光器外腔，将激光器外腔等效为激光器谐振腔的一部分，出射激光在外腔中往返一次：

v(t)＝v₀+ηA_T(t) (3)

P(t)＝P₀+βA_T(t) (4)

式中，v₀，P₀分别是未调制时激光的出射光频和输出功率，v(t)和P(t)分别是调制后出射激光的光频和输出功率，η是激光器光频调制系数，β是激光器输出功率的电压调制系数，对激光器施加一个幅度为A_T、频率为f_T的三角波调制函数A_T(t)，调制后的激光器输出功率P₀(t)可以表示为：

式中，P₀是未发生激光自混合效应时激光器的输出功率，P₀(t)是激光自混合效应影响下激光器的输出功率，m是耦合系数，c是真空中的光速，L是激光出射端面到外界反射物体表面的距离，V是外界反射物(本发明中的待测物体)的运动速度，θ是入射角，β表示激光器输出功率的电压调制系数，v(t)表示调制后的激光光频；

激光器出射的激光的光频v可以表示为

v＝±L_L，T+f_D (6)式中，L_L，T是三角波调制电压引起的光频变化，正负号分别表示三角波信号的上升沿(增大)和下降沿(减小)对光频信号的影响；f_D是外界反射物运动引起的多普勒频率。

f_L，T＝ηA_T(2L/c)·2f_T (7)

f_D＝2Vcos(θ)/λ (8)

其中，f_L,T是调制信号幅度变化时光频发生变化产生频移；η是激光器光频调制系数，f_T和A_T分别是三角波函数的频率和幅度，L是激光出射端面到外界反射物体表面的距离，c是真空中的光速，λ为激光器发射出的激光的波长，V是外界反射物(本发明中的待测物体)的运动速度，θ是入射角；

调制前，自混合频域信号仅存在多普勒频率，即频谱中一个频峰。加入三角波函数A_T(t)调制后，由于三角波函数A_T(t)的上升沿和下降沿对光频信号的影响，自混合频域信号将存在两个频峰v₁和v₂，如公式(9)和公式(10)所示：

v₁＝-L_L，T+f_D (9)

v₂＝L_L，T+f_D (10)

从而可以得到速度V、距离L与频域信号的关系，如公式(11)和(12)所示：

其中，v₁、v₂分别是下降沿频峰和上升沿频峰的峰值频率，可由自混合信号的傅里叶变换得到，θ是入射角(即待测物体运动速度方向与激光入射方向的夹角)，η是激光器光频调制系数，f_T和A_T分别是三角波函数的频率和幅度，λ为激光器发射出的激光的波长，c是真空中光速。

本发明所述的基于激光自混合干涉的同步测量速度与距离的装置选用波长为1550nm、输出功率为30mW的光纤耦合的DFB激光器1作为光源，该光源发射出的激光束经一个分光比为50:50的光纤分束器2分成两束。一束激光经过光纤准直器3后，照射待测物体5上，形成反馈光。激光调制模块6产生的三角波调制信号幅度A_T＝400mVpp，频率f_T＝2kHz，不对称度S_T＝50％保持不变，待测物体5随电动马达10进行匀速运动，速度变化范围在0.016m/s到0.047m/s，待测物体5到光纤准直器3出射端面的距离L随着电动平移台4的平移而改变，距离的变化范围是1mm到23mm。另外一束激光与光电探测器7相连，光电检测器7检测得到激光自混合干涉的时域信号。利用傅里叶变换模块8将该激光自混合干涉的时域信号转换为频域信号。在计算机10中根据频域信号分别读取下降沿频率v₁和上升沿频率v₂，并将预先得到的激光波长λ＝1550nm、DFB激光器调制系数η＝200GHz/V、入射角θ＝15°输入计算机9，根据速度的计算公式(11)得到运动速度V，如图3所示，同时根据距离的计算公式(12)得到距离L，如图4所示，从而实现速度和距离的同步测量。

综上所述，本发明所述的基于激光自混合干涉的同步测量速度及距离的方法及装置能够解决现有技术中存在的不足，在保持单通道激光自混合系统的结构简单、造价低廉、校准容易等优点的同步，先通过傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号，再利用预先标定好的频域信号和速度以及距离之间的关系，来实现待测物体的速度和距离信息的同步测量；该方法及装置无需复杂的信号分离提取和额外的电光频移，在实现速度和距离的同步测量，还能有效的解决多通道激光自混合干涉系统复杂和信号提取困难，单通道激光自混合干涉系统难以同步测量速度和距离的问题。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量的方法，其特征在在于：该方法包括以下步骤：

(1)采用激光调制模块产生的三角波函数对激光器的驱动电压进行调制；

(2)经驱动电压调制后的激光器发射出的激光耦合进入到光纤分束器中，被光纤分束器分成两束激光，其中一束激光经光纤准直器射到待测物体表面，被待测物体表面反射或后向散射后，再经光纤准直器和光纤分束器返回到激光器的谐振腔中，在谐振腔中发生激光自混合干涉；另一束激光输入至光电探测器中；

(3)光电探测器检测激光器的输出功率，获取激光器谐振腔中发生激光自混合干涉时的时域信号，采用傅里叶变换模块将该时域信号转换为频域信号；

(4)根据激光自混合干涉的频域信号，获得该频域信号的上升沿频峰和下降沿频峰；

(5)采用以下公式求得待测物体的运动速度V：

V＝λ(v₁+v₂)/(4cosθ)

其中，λ为激光器发射出的激光的波长，v₁、v₂分别是激光自混合干涉频域信号的下降沿频峰和上升沿频峰的峰值频率，θ是入射角；

(6)采用以下公式求得待测物体到光纤准直器出射端面的距离L：

L＝c(v₂-v₁)/(8ηf_TA_T)

其中，c表示光速，v₁、v₂分别是激光自混合干涉频域信号的下降沿频峰和上升沿频峰的峰值频率，η是激光器光频调制系数，f_T和A_T分别是三角波函数的频率和幅度。

2.实施权利要求1所述的基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法的装置，其特征在于：该装置包括激光器、光纤分束器、光纤准直器、放置有待测物体的电动平移台、电动马达、激光调制模块、光电探测器、傅里叶变换模块和计算机；

所述激光调制模块的输出端接激光器的输入端，激光器的输出端接光纤分束器的输入端，光纤分束器的输出端分别接光纤准直器及光电探测器的输入端，光电探测器的输出端接傅里叶变换模块的输入端，傅里叶变换模块的输出端接计算机的输入端，计算机的输出端分别接电动平移台及电动马达的输入端，电动马达的输出端接待测物体；

所述激光调制模块产生三角波函数对激光器的驱动电压进行调制；激光器发出的激光，经光纤分束器分成两束激光，其中一束激光经光纤准直器照射到待测物体表面上，经待测物体表面反射后，再经光纤准直器和光纤分束器回到激光器的谐振腔中，并在谐振腔中发生激光自混合干涉；另外一束激光输入至光电探测器中，光电探测器根据该束激光检测激光器的输出功率，获取激光自混合干涉的时域信号，并将该时域信号发送至傅里叶变换模块；所述傅里叶变换模块，将激光自混合干涉的时域信号转换成频域信号；所述计算机，用于调节电动马达的运动速度以及电动平移台的平移距离，还用于根据激光自混合干涉的频域信号，计算出待测物体的运动速度以及待测物体到光纤准直器出射端面的距离。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述激光调制模块产生不对称度为50％的三角波函数。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述激光器为半导体激光器，所述激光调制模块对激光器进行内调制。