CN107422334A - 一种激光测量目标运动速度的装置 - Google Patents

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许志超
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
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Abstract

本发明公开了一种激光测量目标运动速度的装置，包括发射激光设备和回波信号接收设备，所述发射激光设备采用频率稳定的激光器，用以探测目标物体，所述回波信号接受设备，用以探测经目标物体反射的激光信号，所述回波信号接收设备包括激光反射元件、原子滤光模块和光电探测器，所述原子滤光模块用以实现激光信号的光谱过滤，所述光电探测器用以探测原子滤光模块的输出光信号，采用原子滤光模块输出光信号的强弱，直接测量目标的运动速度，测量精度高，能够克服探测过程中频率波动带来的影响。

Description

一种激光测量目标运动速度的装置
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种利用探测激光测量目标物体运动速度的装置。
背景技术
雷达不仅可以测量目标物体的空间距离，还可以测量目标的运动速度。微波雷达测速的原理利用了物体运动导致的微波频率多普勒效应，即运动物体反射的微波信号频率域运动物体速度相关，因此，可以通过分析反射微波信号频率测量运动物体的速度。
激光雷达是一种利用激光进行目标物体测量的装置，与微波雷达相比，激光的方向性好，光斑尺寸小，因此，探测探测物体的精确度更高。激光雷达不仅可以测量目标物体的距离，也可以测量其运动速度，目前，利用激光测量运动目标物体的运动的方案有以下方法：
第一种，实时测量目标物体的距离和时间。发射激光采用脉冲调制，第一个激光脉冲发射，经目标物体反射后返回激光雷达的探测模块，通过比较发射激光脉冲和返回激光脉冲的时间差，可以计算目标物体的距离。第二个激光脉冲再次测量，得到第二次目标物体的距离。两次测量的距离差即目标物体的运动长度，通过比较两次测量的时间差，即得到目标的运动速度。这种方法测量精度与两次测量时间差有关，两次测量物体运动距离差别很小时，两次测量时间差不容易区分，导致测速精度降低。
第二种，实时测量激光频率。发射激光经目标物体反射后，基于多普勒效应，返回至激光的频率也会发生变化，且频率变化值与物体运动速度相关。将回波激光与发射激光进行频率差拍，可以测量得到此频率变化，从而计算出目标的运动速度。这种方法对激光频率的稳定性要求很高，如果激光频率在探测过程中发生变化，会引起测速准确性降低。
发明内容
为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种激光测量目标运动速度的装置，采用原子滤光模块输出光信号的强弱，直接测量目标的运动速度，测量精度高，能够克服探测过程中频率波动带来的影响。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种激光测量目标运动速度的装置，包括发射激光设备和回波信号接收设备，所述回波信号接受设备，用以探测经目标物体反射的激光信号，所述回波信号接收设备包括激光反射元件、原子滤光模块和光电探测器，所述原子滤光模块用以实现激光信号的光谱过滤，所述光电探测器用以探测原子滤光模块的输出光信号。
进一步地，所述原子滤光模块包括第一偏振光元件、第二偏振光元件、第一永磁铁、第二永磁铁和一个充有原子气体的玻璃气室，所述第一永磁铁和第二永磁铁设置在所述第一偏振光元件和所述第二偏振光元件之间，所述玻璃气室设置在所述第一永磁铁和所述第二永磁铁之间，且所述第一永磁铁和第二永磁铁正对所述玻璃气室，所述玻璃气室中的原子气体能够与激光产生充分的法拉第旋光作用。
进一步地，所述第一偏振光元件与第二偏振光元件相互平行，且其所在的平面与光传播的方向垂直，所述第一偏振光元件与所述第二偏振光元件的偏振方向垂直，使得在没有激光与原子相互作用的时候，没有光能够从第二偏振光元件出射。
进一步地，所述第一永磁铁和第二永磁铁的中间设有通孔，能够透过滤光。
进一步地，所述玻璃气室充有金属蒸汽，且设有温度控制元件，所述温度控制元件设置在所述玻璃气室的外侧，用以实现玻璃气室的温度稳定，同时可以实现温度调节。
进一步地，所述温度控制元件包括加热部分和测温部分，用于稳定金属蒸汽的温度，其加热部分对玻璃气室进行加热，保证没有原子凝结到所述玻璃气室的玻璃端面上阻碍光的通过，所述测温部分紧贴所述玻璃气室进行温度测量。
进一步地，所述原子滤光模块的滤光中心频率与所述发射激光设备的频率一致，且滤光带宽在100MHz量级。
进一步地，所述发射激光设备采用频率稳定的激光器，用以探测目标物体，能够克服探测过程中频率波动带来的影响。
进一步地，所述第一永磁铁和第二永磁铁能够产生稳定的磁场源，强度分布稳定的磁场沿光传播方向。
本发明提供的一种激光测量目标运动速度的装置，通过采用原子滤光模块输出光信号强弱，直接测量目标的运动速度，测量精度高，发射激光采用了频率稳定技术，能够克服探测过程中频率波动带来的影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：
1-光电探测器；2-第二偏振光元件；3-第二永磁铁；4-玻璃气室；5-第一永磁铁；6-第一偏振光元件；7-激光反射元件；8-激光器；10-目标物体；11-温度控制元件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参见附图1所示，本实施例中的一种激光测量目标运动速度的装置，包括发射激光设备和回波信号接收设备，发射激光设备采用频率稳定的激光器8，用以探测目标物体10，回波信号接受设备，用以探测经目标物体10反射的激光信号，回波信号接收设备包括激光反射元件7、原子滤光模块和光电探测器1，原子滤光模块用以实现激光信号的光谱过滤，光电探测器1用以探测原子滤光模块的输出光信号。
原子滤光模块包括第一偏振光元件6、第二偏振光元件2、第一永磁铁5、第二永磁铁3和一个充有原子气体的玻璃气室4，第一永磁铁5和第二永磁铁3设置在第一偏振光元件6和第二偏振光元件2之间，玻璃气室4设置在第一永磁铁5和第二永磁铁3之间，且第一永磁铁5和第二永磁铁3正对玻璃气室4，玻璃气室4中的原子气体能够与激光产生充分的法拉第旋光作用。
第一偏振光元件6与第二偏振光元件2相互平行，且其所在的平面与光传播的方向垂直，第一偏振光元件6与第二偏振光元件2的偏振方向垂直，使得在没有激光与原子相互作用的时候，没有光能够从第二偏振光元件2出射。
第一永磁铁5和第二永磁铁3的中间设有通孔，能够透过滤光。
玻璃气室4充有金属蒸汽，且设有温度控制元件11，用以实现玻璃气室4的温度稳定，同时可以实现温度调节。
温度控制元件11包括加热部分和测温部分，用于稳定金属蒸汽的温度，其加热部分对玻璃气室4进行加热，保证没有原子凝结到玻璃气室4的玻璃端面上阻碍光的通过，测温部分紧贴玻璃气室4进行温度测量。
原子滤光模块的滤光中心频率与发射激光设备的频率一致，且滤光带宽在100MHz量级。
发射激光设备采用频率稳定的激光器8，能够克服探测过程中频率波动带来的影响。
第一永磁铁5和第二永磁铁3能够产生稳定的磁场源，强度分布稳定的磁场沿光传播方向。
工作原理：发射激光经目标物体10反射后，返回至回波接收部分，如果目标物体10不运动，则回波激光可以完全透过，光电探测器1得到最大探测信号；如果目标物体10运动，则基于多普勒效应，回波激光发生频率移动，移动的频率越大，则透过
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种激光测量目标运动速度的装置，其特征在于：包括发射激光设备和回波信号接收设备，所述回波信号接受设备用以探测经目标物体(10)反射的激光信号，所述回波信号接收设备包括即光反射元件(7)、原子滤光模块和光电探测器(1)，所述原子滤光模块用以实现激光信号的光谱过滤，所述光电探测器(1)用以探测原子滤光模块的输出光信号。
2.根据权利要求1所述的一种激光测量目标运动速度的装置，其特征在于：所述原子滤光模块包括第一偏振光元件(6)、第二偏振光元件(2)、第一永磁铁(5)、第二永磁铁(3)和一个充有原子气体的玻璃气室(4)，所述第一永磁铁(5)和第二永磁铁(3)设置在所述第一偏振光元件(6)和所述第二偏振光元件(2)之间，所述玻璃气室(4)设置在所述第一永磁铁(5)和所述第二永磁铁(3)之间，且所述第一永磁铁(5)和第二永磁铁(3)正对所述玻璃气室(4)，所述玻璃气室(4)中的原子气体能够与激光产生充分的法拉第旋光作用。
3.根据权利要求1所述的一种激光测量目标运动速度的装置，其特征在于：所述第一偏振光元件(6)与第二偏振光元件(2)相互平行，且其所在的平面与光传播的方向垂直，所述第一偏振光元件(6)与所述第二偏振光元件(2)的偏振方向垂直。
4.根据权利要求1所述的一种激光测量目标运动速度的装置，其特征在于：所述第一永磁铁(5)和第二永磁铁(3)的中间设有通孔。
5.根据权利要求1所述的一种激光测量目标运动速度的装置，其特征在于：所述玻璃气室(4)充有金属蒸汽，且设有温度控制元件(11)，所述温度控制元件(11)设置在所述玻璃气室(4)的外侧。
6.根据权利要求1所述的一种激光测量目标运动速度的装置，其特征在于：所述温度控制元件(11)包括加热部分和测温部分，用于稳定金属蒸汽的温度，其加热部分对玻璃气室(4)进行加热，保证没有原子凝结到所述玻璃气室(4)的玻璃端面上阻碍光的通过，所述测温部分紧贴所述玻璃气室(4)进行温度测量。
7.根据权利要求1所述的一种激光测量目标运动速度的装置，其特征在于：所述原子滤光模块的滤光中心频率与所述发射激光设备的频率一致，且滤光带宽在100MHz量级。
8.根据权利要求1所述的一种激光测量目标运动速度的装置，其特征在于：所述发射激光设备采用频率稳定的激光器(8)。
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