CN108020681B - 一种车载激光多普勒测速仪 - Google Patents
一种车载激光多普勒测速仪 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108020681B CN108020681B CN201711202235.9A CN201711202235A CN108020681B CN 108020681 B CN108020681 B CN 108020681B CN 201711202235 A CN201711202235 A CN 201711202235A CN 108020681 B CN108020681 B CN 108020681B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- vehicle
- mirror
- diaphragm
- light
- doppler
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 33
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 14
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 4
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 13
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000004599 local-density approximation Methods 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
一种车载激光多普勒测速仪，激光器发射出来的激光由分光棱镜分成等强度、等光程的两束平行光，两束平行光分别入射到第一、第二半透半反镜，从第一、第二半透半反镜透射出的两束平行光束进入到双光束差动系统的两条对称光路中；从第一、第二半透半反镜反射出的两束光束分别入射到对称设置的两个一维参考光子系统的光路中。双光束差动系统输出多普勒频率为fD的多普勒信号S3，两一维参考光子系统分别输出多普勒频率为fD1的多普勒信号S1和多普勒频率为fD2的多普勒信号S2；利用S1、S2和S3完成当前车辆行驶速度的解算。本发明其能够适应车辆的在不平整路面上的颠簸摇摆，将整个测速系统安装在车式载体上，实时地为车辆提供精确的速度参数。
Description
技术领域
本发明是涉及一种高精度高可靠性新型激光测速仪，主要用于在不同的应用环境为车辆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，车辆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。
现用的车载加速度计测速都是基于测比力的原理，它虽然是自主测试装置，但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。由于它是通过质量体进行测量的，因此存在受过载影响的误差项。而测量的误差项较多,需要复杂的计算进行修正。
而借助于全球定位系统(GPS)获得载体的速度，虽然GPS具有全球性、全天候、高精度、实时定位系统等优点，但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。激光多普勒测速仪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。
现有的一些激光多普勒测速仪中，由于其光路设计缺陷(比如探头的控制体较小)，导致其测量范围远远不能适应车辆的上下振动和地面高度的起伏等环境。而多普勒测速仪由于对发射倾角(发射光束与运动方向的夹角)敏感，所以车辆的颠簸摇摆会导致测量误差，无法实时为车辆提供精确的速度测量信息。
发明内容
针对现有各种测速仪存在的缺陷，特别是针对现有的激光多普勒测速仪不能适应车辆颠簸摇摆,无法实时为车辆提供精确的速度测量信息的缺点。本发明的目的是提供一种车载激光多普勒测速仪，其能够适应车辆的在不平整路面上的颠簸摇摆，将整个测速系统安装在车式载体上，实时地为车辆提供精确的速度参数。
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
一种车载激光多普勒测速仪，包括两个一维参考光子系统、一个双光束差动系统、信号判别器以及信号处理器。
激光器发射出来的激光由分光棱镜分成等强度、等光程的两束平行光，两束平行光分别入射到第一半透半反镜、第二半透半反镜，从第一半透半反镜、第二半透半反镜透射出的两束平行光束进入到双光束差动系统的两条对称光路中；从第一半透半反镜、第二半透半反镜反射出的两束光束对称分别入射到对称设置的两个一维参考光子系统的光路中。
双光束差动系统输出多普勒频率为fD的多普勒信号S3，两个一维参考光子系统分别输出多普勒频率为fD1的多普勒信号S1和多普勒频率为fD2的多普勒信号S2；多普勒信号S1、多普勒信号S2和多普勒信号S3均输入到用于判别车辆当前的行驶状态的信号判别器，信号判别器与信号处理器连接，信号判别器将接收到的多普勒信号以及车辆当前的行驶状态信息传送到信号处理器，信号处理器进行信号处理，完成当前车辆行驶速度的解算。
其中：信号判别器能够通过接收的多普勒信号，判别车辆当前的行驶状态(多普勒频率fD1与fD2相同，发射倾角的变化量Δθ为零，此时车辆在平整的路面上行驶；多普勒频率fD1与fD2不相同，发射倾角的变化量为Δθ，此时车辆在凹凸不平的地面上行驶。)，当车辆在平整的地面上行驶时，平稳运行时，信号处理器由多普勒信号S3提取其对应的多普勒频率fD，利用多普勒频率fD实现当前车辆行驶速度的解算，得到当前车辆的真实运动速度；当车辆在凹凸不平的地面上行驶时，车辆出现颠簸摇摆时，信号处理器由多普勒信号S1提取其对应的多普勒频率fD1和由多普勒信号S2提取其对应的多普勒频率fD2，利用多普勒频率fD1与fD2实现当前车辆行驶速度的解算，得到当前车辆的真实运动速度。
其中激光器、分光棱镜、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三光阑、第四光阑、第一会聚透镜、地面、第二会聚透镜、第五光阑以及第三雪崩二极管模块组成了双光束差动系统；
激光器、分光棱镜、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一衰减片、第二衰减片、第一全反镜、第二全反镜、第一窄光滤光片、第二窄光滤光片、第一光阑、第二光阑、第一雪崩二极管模块和第二雪崩二极管模块组成了两个一维参考光束型子系统，其中：激光器、分光棱镜、第一半透半反镜、第一衰减片、第一全反镜、第一窄光滤光片、第一光阑、第一雪崩二极管模块组成了一个一维参考光束型子系统，激光器、分光棱镜、第二半透半反镜、第二衰减片、第二全反镜、第二窄光滤光片、第二光阑和第二雪崩二极管模块组成了一个一维参考光束型子系统。
所述激光器发射出来的激光由分光棱镜分成等强度、等光程的两束平行光，两束平行光分别射到第一半透半反镜、第二半透半反镜；从第一半透半反镜透射出的光束经第三光阑、第一会聚透镜入射到地面，从第二半透半反镜透射出的光速经第四光阑、第一会聚透镜入射到地面，地面的一部分散射光经过第一会聚透镜、第二会聚透镜、第五光阑入射到第三雪崩二极管模块的光敏面上并发生外差干涉，得到的多普勒频率为fD的多普勒信号S3。
地面的一部分散射光会原路返回，即地面的一部分散射光经第一会聚透镜、第三光阑射到第一半透半反镜，从第一半透半反镜反射出的光束经第一窄光滤光片、第一光阑入射到第一雪崩二极管模块的光敏面上，按此条光路入射到第一雪崩二极管模块的光敏面上的光束为1#信号光；同样的，地面的一部分散射光经第一会聚透镜、第四光阑射到第二半透半反镜，从第二半透半反镜反射出的光束经第二窄光滤光片、第二光阑入射到第二雪崩二极管模块的光敏面上，按此条光路入射到第二雪崩二极管模块的光敏面上的光束为2#信号光。
两束平行光分别射到第一半透半反镜、第二半透半反镜；从第一半透半反镜反射出的光束经第一衰减片射到第一全反镜后再次反射到第一衰减片进行衰减后射到第一半透半反镜，从第一半透半反镜透射出的光束经第一窄光滤光片、第一光阑入射到第一雪崩二极管模块的光敏面上，为1#参考光；同样的，从第二半透半反镜反射出的光束经第二衰减片射到第二全反镜后再次反射到第二衰减片进行衰减后射到第二半透半反镜，从第二半透半反镜透射出的光束经第二窄光滤光片、第二光阑入射到第二雪崩二极管模块的光敏面上，为2#参考光。
入射到第一雪崩二极管模块的1#参考光和1#信号光在其光敏面上发生干涉，得到的多普勒频率为fD1的多普勒信号S1；入射到第二雪崩二极管模块的2#参考光和2#信号光在其光敏面上发生干涉，得到的多普勒频率为fD2的多普勒信号S2。第一雪崩二极管模块得到的多普勒信号S1、第二雪崩二极管模块得到的多普勒信号S2和第三雪崩二极管模块得到的多普勒信号S3都经由信号判别器进行信号判别后传送到信号处理器，由它来进行信号处理。信号判别器能够通过接收的多普勒信号，判别车辆当前的行驶状态，当车辆在平整的地面上行驶时，平稳运行时，信号处理器由多普勒信号S3提取其对应的多普勒频率fD，利用多普勒频率fD实现当前车辆行驶速度的解算，得到当前车辆的真实运动速度；当车辆在凹凸不平的地面上行驶时，车辆出现颠簸摇摆时，信号处理器由多普勒信号S1提取其对应的多普勒频率fD1，由多普勒信号S2提取其对应的多普勒频率fD2，利用多普勒频率fD1与fD2实现当前车辆行驶速度的解算，通过两路多普勒信号S1与S2可以减小或者消除发射倾角变化带来的测量误差，得到车辆的真实运动速度。
激光器发射出来的激光、第五光阑、第二会聚透镜、第一会聚透镜的纵向中轴线在同一直线上。第一半透半反镜和第二半透半反镜以激光器发射出来的激光、第五光阑、第二会聚透镜以及第一会聚透镜的纵向中轴线为对称轴左右对称，第三光阑和第二光阑以激光器发射出来的激光、第五光阑、第二会聚透镜以及第一会聚透镜的纵向中轴线为对称轴左右对称，所述第一半透半反镜的纵向中轴线和第三光阑的纵向中轴线重合，所述第二半透半反镜的纵向中轴线和第二光阑的纵向中轴线重合。本发明中的纵向是指与车辆的运动方向垂直的方向。横向是指与车辆的运动方向平行的方向。
所述第一全反镜、第一衰减片、第一半透半反镜、第一窄光滤光片、第一光阑的横向中轴线在同一直线上，同样的，所述第二全反镜、第二衰减片、第二半透半反镜、第二窄光滤光片、第二光阑的横向中轴线在同一直线上。
所述激光器为单纵模固体激光器。在本发明中单纵模固体激光器发出的一束波长为532nm，功率为50mW激光。
(1)在本发明中，经第三光阑、第一会聚透镜入射到地面的光束与地面之间的夹角即1#发射倾角；经第四光阑、第一会聚透镜入射到地面的光束与地面之间的夹角为2#发射倾角。当车辆在平整的地面上行驶时，平稳运行时，安装在车辆上的车载激光多普勒测速仪的两个发射倾角不发生变化且角度均为θ。θ即为车辆在平整路面上平稳运行时的发射倾角。入射到第一雪崩二极管模块的1#参考光和1#信号光在其光敏面上发生干涉得到的多普勒频率fD1与入射到第二雪崩二极管模块的2#参考光和2#信号光在其光敏面上发生干涉得到的多普勒频率fD2相同，Δθ(发射倾角的变化量)为零，所以车辆的速度解算式为式(1)。同时，由于载体运行平稳，地面位于两束光相交区域，双光束差动系统工作，由于双光束差动系统信号强，可以降低系统的信号脱落率。
其中v为车辆的运动速度，λ为激光器发出激光的激光波长，θ为光束与地面之间的夹角，即发射倾角，fD为多普勒频率。
对于车辆在平整的地面上行驶，车辆平稳运行时的速度解算，上述式(1)是利用的是车辆在平整路面上平稳运行时的发射倾角θ，即可以利用1#发射倾角，也可以利用2#发射倾角，这是一种基于单光束光路的测速方式。这种基于单光束光路的测速方式其适应于车辆在平整的路面上平稳运行时进行测速。此时发射倾角不发生变化。多普勒频率fD1与fD2相同，发射倾角的变化量Δθ为零，车辆的速度解算式即式(1)。
另外，对于车辆在平整的地面上行驶，车辆平稳运行时的速度解算，由于车辆运行平稳，地面位于两束光相交区域。双光束差动系统正常工作，此时也可以利用两束光的夹角即经第三光阑、第一会聚透镜入射到地面的光束与经第四光阑、第一会聚透镜入射到地面的光束之间的夹角α和双光束差动系统采集的多普勒频率fD实现对车辆平稳运行时的速度解算。此时，通过双光束差动系统解算车辆平稳运行时的运动速度，车辆的速度解算式即式(2)：
由于双光束差动系统信号强，通过双光束差动系统解算车辆平稳运行时的运动速度可以降低系统的信号脱落率。
(2)当车辆在凹凸不平的地面上行驶时，车辆出现颠簸摇摆。1#发射倾角和2#发射倾角发生变化，发射倾角的变化量为Δθ，则通过两个一维参考光子系统采集的多普勒频率fD1与多普勒频率fD2解算车辆的运动速度，通过式(3)和式(4)计算出车辆的运动速度，减小由于发射倾角变化带来的速度测量误差。
其中
这样，无论车辆在何种地面上行驶都可以保证速度测量不受发射倾角变化的影响，即这种紧凑对称型激光多普勒测速仪可以有效地对车辆的速度进行测量，同时在适当的条件下还可以得到脱离率较低的信号。
本发明与现有的激光多普勒测速仪相比优点在于：
(一)利用对称结构的光路布置，设置了两个一维参考光束型子系统，通过两个对称的一维参考光束型子系统对彼此得到的多普勒频率进行修正，解决了普通测速仪对发射倾角敏感的难题。本发明无论车辆在何种地面上行驶都可以保证速度测量不受发射倾角变化的影响，可以有效地对车辆的速度进行测量。车辆颠簸摇摆时，由于布置有两个对称的一维参考光束型子系统，两个一维参考光束型子系统可以对发射倾角进行补偿，所以本发明提供的测速仪对车辆的颠簸摇摆不敏感。两个一维参考光束型子系统中的两个雪崩二极管模块的输出信号都传送到信号处理器，由它来进行信号处理，通过两路多普勒频率可以减小或者消除发射倾角变化带来的测量误差，得到此时车辆的真实运动速度。
(二)巧妙利用对称结构的两束光(即经分光棱镜、第一半透半反镜、第三光阑和第一会聚透镜入射到地面的光束与经分光棱镜、第二半透半反镜、第四光阑和第一会聚透镜入射到地面的光束是对称的)。车辆运行平稳时，地面位于两束光相交区域，双光束差动系统正常工作，通过双光束差动系统可以解算车辆的运动速度，由于双光束差动系统信号强，可以降低系统的信号脱落率。
(三)运用分光棱镜和会聚透镜，巧妙地实现了两束光发射方向沿车式载体运动垂直方向对称的要求。
(四)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探测距离。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图中：单纵模固体激光器1、分光棱镜2、第一半透半反镜3、第二半透半反镜4、第一衰减片5、第二衰减片6、第一全反镜7、第二全反镜8、第一窄光滤光片9、第二窄光滤光片10、第一光阑11、第二光阑12、第一雪崩二极管模块13、第二雪崩二极管模块14、第三光阑15、第四光阑16、第一会聚透镜17、第二会聚透镜18、第五光阑19、第三雪崩二极管模块20、信号判别器21、信号处理器22，车载激光多普勒测速仪23，地面24。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，做进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
参照图1，为本发明的结构示意图。车载激光多普勒测速仪23包括单纵模固体激光器1、分光棱镜2、第一半透半反镜3、第二半透半反镜4、第一衰减片5、第二衰减片6、第一全反镜7、第二全反镜8、第一窄光滤光片9、第二窄光滤光片10、第一光阑11、第二光阑12、第一雪崩二极管模块13、第二雪崩二极管模块14、第三光阑15、第四光阑16、第一会聚透镜17、第二会聚透镜18、第五光阑19、第三雪崩二极管模块20、信号判别器21和信号处理器22。
其中单纵模固体激光器1、分光棱镜2、第一半透半反镜3、第二半透半反镜4、第三光阑15、第四光阑16、第一会聚透镜17、地面24、第二会聚透镜18、第五光阑19以及第三雪崩二极管模块20组成了双光束差动系统。在双光束差动系统中的两条光束的光路是对称设置的。
单纵模固体激光器1、分光棱镜2、第一半透半反镜3、第二半透半反镜4、第一衰减片5、第二衰减片6、第一全反镜7、第二全反镜8、第一窄光滤光片9、第二窄光滤光片10、第一光阑11、第二光阑12、第一雪崩二极管模块13和第二雪崩二极管模块14组成了两个一维参考光束型子系统，其中：单纵模固体激光器1、分光棱镜2、第一半透半反镜3、第一衰减片5、第一全反镜7、第一窄光滤光片9、第一光阑11、第一雪崩二极管模块13组成了一个一维参考光束型子系统，单纵模固体激光器1、分光棱镜2、第二半透半反镜4、第二衰减片6、第二全反镜8、第二窄光滤光片10、第二光阑12和第二雪崩二极管模块14组成了一个一维参考光束型子系统。两个一维参考光束型子系统中两条光束的光路是对称的。
具体的，单纵模固体激光器1发射出来的激光、第五光阑19、第二会聚透镜18、第一会聚透镜17的纵向中轴线在同一直线上。第一半透半反镜3和第二半透半反镜4以激光器发射出来的激光、第五光阑19、第二会聚透镜18以及第一会聚透镜17的纵向中轴线为对称轴左右对称，第三光阑15和第二光阑12以激光器发射出来的激光、第五光阑19、第二会聚透镜18以及第一会聚透镜17的纵向中轴线为对称轴左右对称，所述第一半透半反镜3的纵向中轴线和第三光阑15的纵向中轴线重合，所述第二半透半反镜4的纵向中轴线和第二光阑12的纵向中轴线重合。本发明中的纵向是指与车辆的运动方向垂直的方向。横向是指与车辆的运动方向平行的方向。
所述第一全反镜7、第一衰减片5、第一半透半反镜3、第一窄光滤光片9、第一光阑11的横向中轴线在同一直线上，同样的，所述第二全反镜8、第二衰减片6、第二半透半反镜4、第二窄光滤光片10、第二光阑12的横向中轴线在同一直线上。
本发明的基本原理是以两束对称布置的激光束为主分别构成一路参考光型子系统，同时巧妙地将两束光相交于某一点，又构成了双光束差动系统。具体而言，采用与运动垂直方向对称布置的两束光分别入射到地面。以这两束对称的激光束为根本，一方面分别构成两套一维参考光束型子系统，由于采用了对称的结构布置，车式载体颠簸摇摆对单个参考光回路带来的误差可以通过两个对称的子系统得到的多普勒频率进行修正，得到车辆的真实运动速度；另一方面这两束光也构成了双光束差动技术中的两束相交光束。同时，如果地面位于两束光的相交区域(测量体)，那么双光束差动系统也可以解算得到车式载体的真实速度，并且不受载体颠簸倾斜的影响。
单纵模固体激光器1发出的一束波长为532nm，功率为50mW激光，分光棱镜22将其分成了等强度、等光程的两束平行光。两束平行光分别射到第一半透半反镜3、第二半透半反镜4；从第一半透半反镜3透射出的光束经第三光阑15、第一会聚透镜17入射到地面24，从第二半透半反镜4透射出的光速经第四光阑16、第一会聚透镜17入射到地面24，地面24的一部分散射光经过第一会聚透镜17、第二会聚透镜18、第五光阑19入射到第三雪崩二极管模块20的光敏面上并发生外差干涉，得到的多普勒频率为fD的多普勒信号S3。
地面的一部分散射光会原路返回，即地面的一部分散射光经第一会聚透镜17、第三光阑15射到第一半透半反镜3，从第一半透半反镜3反射出的光束经第一窄光滤光片9、第一光阑11入射到第一雪崩二极管模块13的光敏面上，按此条光路入射到第一雪崩二极管模块13的光敏面上的光束为1#信号光；同样的，地面的一部分散射光经第一会聚透镜17、第四光阑16射到第二半透半反镜4，从第二半透半反镜4反射出的光束经第二窄光滤光片10、第二光阑12入射到第二雪崩二极管模块14的光敏面上，按此条光路入射到第二雪崩二极管模块14的光敏面上的光束为2#信号光。
两束平行光分别射到第一半透半反镜3、第二半透半反镜4；从第一半透半反镜3反射出的光束经第一衰减片5射到第一全反镜7后再次反射到第一衰减片5进行衰减后射到第一半透半反镜3，从第一半透半反镜3透射出的光束经第一窄光滤光片9、第一光阑11入射到第一雪崩二极管模块13的光敏面上，为1#参考光；同样的，从第二半透半反镜4反射出的光束经第二衰减片6射到第二全反镜8后再次反射到第二衰减片6进行衰减后射到第二半透半反镜4，从第二半透半反镜4透射出的光束经第二窄光滤光片10、第二光阑12入射到第二雪崩二极管模块14的光敏面上，为2#参考光。
入射到第一雪崩二极管模块13的1#参考光和1#信号光在其光敏面上发生干涉，得到的多普勒频率为fD1的多普勒信号S1；入射到第二雪崩二极管模块14的2#参考光和2#信号光在其光敏面上发生干涉，得到的多普勒频率为fD2的多普勒信号S2。第一雪崩二极管模块13得到的多普勒信号S1、第二雪崩二极管模块14得到的多普勒信号S2和第三雪崩二极管模块20得到的多普勒信号S3都经由信号判别器21进行信号判别后传送到信号处理器22，由它来进行信号处理。信号判别器21能够通过接收的多普勒信号，判别车辆当前的行驶状态，当车辆在平整的地面上行驶时，平稳运行时，信号处理器由多普勒信号S3提取其对应的多普勒频率fD，利用多普勒频率fD实现当前车辆行驶速度的解算，得到当前车辆的真实运动速度；当车辆在凹凸不平的地面上行驶时，车辆出现颠簸摇摆时，信号处理器由多普勒信号S1提取其对应的多普勒频率fD1，由多普勒信号S2提取其对应的多普勒频率fD2，利用多普勒频率fD1与fD2实现当前车辆行驶速度的解算，通过两路多普勒信号S1与S2可以减小或者消除发射倾角变化带来的测量误差，得到车辆的真实运动速度。
(1)在本发明中，经第三光阑15、第一会聚透镜17入射到地面的光束与地面之间的夹角即1#发射倾角；经第四光阑16、第一会聚透镜17入射到地面的光束与地面之间的夹角为2#发射倾角。其中θ即为车辆在平整路面上平稳运行时的发射倾角。α是经第三光阑、第一会聚透镜入射到地面的光束与经第四光阑、第一会聚透镜入射到地面的光束之间的夹角。当车辆在平整的地面上行驶时，平稳运行时，安装在车辆上的车载激光多普勒测速仪的两个发射倾角不发生变化且角度均为θ。入射到第一雪崩二极管模块13的1#参考光和1#信号光在其光敏面上发生干涉得到的多普勒频率fD1与入射到第二雪崩二极管模块14的2#参考光和2#信号光在其光敏面上发生干涉得到的多普勒频率fD2相同，Δθ(发射倾角的变化量)为零，所以车辆的速度解算式为式(1)。同时，由于载体运行平稳，地面位于两束光相交区域，双光束差动系统工作，由于双光束差动系统信号强，可以降低系统的信号脱落率。
其中v为车辆的运动速度，λ为激光器发出激光的激光波长，θ为光束与地面之间的夹角，即发射倾角，fD为多普勒频率。
对于车辆在平整的地面上行驶，车辆平稳运行时的速度解算，上述式(1)是利用的是车辆在平整路面上平稳运行时的发射倾角θ，即可以利用1#发射倾角，也可以利用2#发射倾角，这是一种基于单光束光路的测速方式。这种基于单光束光路的测速方式其适应于车辆在平整的路面上平稳运行时进行测速。此时发射倾角不发生变化。多普勒频率fD1与fD2相同，发射倾角的变化量Δθ为零，车辆的速度解算式即式(1)。
另外，对于车辆在平整的地面上行驶，车辆平稳运行时的速度解算，由于车辆运行平稳，地面位于两束光相交区域。双光束差动系统正常工作，此时也可以利用两束光的夹角即经第三光阑、第一会聚透镜入射到地面的光束与经第四光阑、第一会聚透镜入射到地面的光束之间的夹角α实现对车辆平稳运行时的速度解算。此时，通过双光束差动系统解算车辆平稳运行时的运动速度，车辆的速度解算式即式(2)：
由于双光束差动系统信号强，通过双光束差动系统解算车辆平稳运行时的运动速度可以降低系统的信号脱落率。
(2)当车辆在凹凸不平的地面上行驶时，车辆出现颠簸摇摆。1#发射倾角和2#发射倾角发生变化，发射倾角的变化量为Δθ，则通过两个一维参考光子系统采集的多普勒频率fD1与多普勒频率fD2解算车辆的运动速度，通过式(3)和式(4)计算出车辆的运动速度，减小由于发射倾角变化带来的速度测量误差。
其中
这样，无论车辆在何种地面上行驶都可以保证速度测量不受发射倾角变化的影响，即这种紧凑对称型激光多普勒测速仪可以有效地对车辆的速度进行测量，同时在适当的条件下还可以得到脱离率较低的信号。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种车载激光多普勒测速仪，其特征在于：包括两个一维参考光子系统、一个双光束差动系统、信号判别器以及信号处理器；
激光器发射出来的激光由分光棱镜分成等强度、等光程的两束平行光，两束平行光分别入射到第一半透半反镜、第二半透半反镜，从第一半透半反镜、第二半透半反镜透射出的两束平行光束进入到双光束差动系统的两条对称光路中；从第一半透半反镜、第二半透半反镜反射出的两束光束对称分别入射到对称设置的两个一维参考光子系统的光路中；其中激光器、分光棱镜、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三光阑、第四光阑、第一会聚透镜、地面、第二会聚透镜、第五光阑以及第三雪崩二极管模块组成了双光束差动系统；激光器、分光棱镜、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一衰减片、第二衰减片、第一全反镜、第二全反镜、第一窄光滤光片、第二窄光滤光片、第一光阑、第二光阑、第一雪崩二极管模块和第二雪崩二极管模块组成了两个一维参考光束型子系统，其中：激光器、分光棱镜、第一半透半反镜、第一衰减片、第一全反镜、第一窄光滤光片、第一光阑、第一雪崩二极管模块组成了一个一维参考光束型子系统，激光器、分光棱镜、第二半透半反镜、第二衰减片、第二全反镜、第二窄光滤光片、第二光阑和第二雪崩二极管模块组成了一个一维参考光束型子系统；激光器发射出来的激光、第五光阑、第二会聚透镜、第一会聚透镜的纵向中轴线在同一直线上；第一半透半反镜和第二半透半反镜以激光器发射出来的激光、第五光阑、第二会聚透镜以及第一会聚透镜的纵向中轴线为对称轴左右对称；第三光阑和第二光阑以激光器发射出来的激光、第五光阑、第二会聚透镜以及第一会聚透镜的纵向中轴线为对称轴左右对称，所述第一半透半反镜的纵向中轴线和第三光阑的纵向中轴线重合，所述第二半透半反镜的纵向中轴线和第二光阑的纵向中轴线重合，其中纵向是指与车辆的运动方向垂直的方向；横向是指与车辆的运动方向平行的方向；
双光束差动系统输出多普勒频率为fD的多普勒信号S3，两个一维参考光子系统分别输出多普勒频率为fD1的多普勒信号S1和多普勒频率为fD2的多普勒信号S2；多普勒信号S1、多普勒信号S2和多普勒信号S3均输入到用于判别车辆当前的行驶状态的信号判别器，信号判别器与信号处理器连接，信号判别器将接收到的多普勒信号以及车辆当前的行驶状态信息传送到信号处理器，信号处理器进行信号处理，完成当前车辆行驶速度的解算，其中所述信号判别器能够通过接收的多普勒信号，判别车辆当前的行驶状态，当车辆在平整的地面上行驶时，平稳运行时，信号处理器由多普勒信号S3提取其对应的多普勒频率fD，利用多普勒频率fD实现当前车辆行驶速度的解算，得到当前车辆的真实运动速度；当车辆在凹凸不平的地面上行驶时，车辆出现颠簸摇摆时，信号处理器由多普勒信号S1提取其对应的多普勒频率fD1和由多普勒信号S2提取其对应的多普勒频率fD2，利用多普勒频率fD1与fD2实现当前车辆行驶速度的解算，得到当前车辆的真实运动速度。
2.根据权利要求1所述的车载激光多普勒测速仪，其特征在于：所述第一全反镜、第一衰减片、第一半透半反镜、第一窄光滤光片、第一光阑的横向中轴线在同一直线上；
同样的，所述第二全反镜、第二衰减片、第二半透半反镜、第二窄光滤光片、第二光阑的横向中轴线在同一直线上。
3.根据权利要求1所述的车载激光多普勒测速仪，其特征在于：所述激光器为单纵模固体激光器。
4.根据权利要求3所述的车载激光多普勒测速仪，其特征在于：单纵模固体激光器发出的一束波长为532nm，功率为50mW激光。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的车载激光多普勒测速仪，其特征在于：从第一半透半反镜透射出的光束经第三光阑、第一会聚透镜入射到地面，从第二半透半反镜透射出的光速经第四光阑、第一会聚透镜入射到地面，地面的一部分散射光经过第一会聚透镜、第二会聚透镜、第五光阑入射到第三雪崩二极管模块的光敏面上并发生外差干涉，得到的多普勒频率为fD的多普勒信号S3；
地面的一部分散射光会原路返回，即地面的一部分散射光经第一会聚透镜、第三光阑射到第一半透半反镜，从第一半透半反镜反射出的光束经第一窄光滤光片、第一光阑入射到第一雪崩二极管模块的光敏面上，按此条光路入射到第一雪崩二极管模块的光敏面上的光束为1#信号光；同样的，地面的一部分散射光经第一会聚透镜、第四光阑射到第二半透半反镜，从第二半透半反镜反射出的光束经第二窄光滤光片、第二光阑入射到第二雪崩二极管模块的光敏面上，按此条光路入射到第二雪崩二极管模块的光敏面上的光束为2#信号光；
从第一半透半反镜反射出的光束经第一衰减片射到第一全反镜后再次反射到第一衰减片进行衰减后射到第一半透半反镜，从第一半透半反镜透射出的光束经第一窄光滤光片、第一光阑入射到第一雪崩二极管模块的光敏面上，为1#参考光；同样的，从第二半透半反镜反射出的光束经第二衰减片射到第二全反镜后再次反射到第二衰减片进行衰减后射到第二半透半反镜，从第二半透半反镜透射出的光束经第二窄光滤光片、第二光阑入射到第二雪崩二极管模块的光敏面上，为2#参考光。
6.根据权利要求5所述的车载激光多普勒测速仪，其特征在于：入射到第一雪崩二极管模块的1#参考光和1#信号光在其光敏面上发生干涉，得到的多普勒频率为fD1的多普勒信号S1；入射到第二雪崩二极管模块的2#参考光和2#信号光在其光敏面上发生干涉，得到的多普勒频率为fD2的多普勒信号S2。
7.一种基于如权利要求1或2或4或5或6所述车载激光多普勒测速仪的测速方法，其特征在于：设经第三光阑、第一会聚透镜入射到地面的光束与地面之间的夹角即1#发射倾角，经第四光阑、第一会聚透镜入射到地面的光束与地面之间的夹角为2#发射倾角；
(1)当车辆在平整的地面上行驶时，平稳运行时，安装在车辆上的车载激光多普勒测速仪的两个发射倾角不发生变化且角度均为θ；入射到第一雪崩二极管模块的1#参考光和1#信号光在其光敏面上发生干涉得到的多普勒频率fD1与入射到第二雪崩二极管模块的2#参考光和2#信号光在其光敏面上发生干涉得到的多普勒频率fD2相同，发射倾角的变化量Δθ为零，此时通过其中一个发射倾角和双光束差动系统采集的多普勒频率fD能够解算车辆平稳运行时的运动速度解算，车辆的速度解算式为式(1)：
其中v为车辆的运动速度，λ为激光器发出激光的激光波长；
或者，当车辆在平整的地面上行驶时，平稳运行时，双光束差动系统正常工作，利用两束光的夹角即经第三光阑、第一会聚透镜入射到地面的光束与经第四光阑、第一会聚透镜入射到地面的光束之间的夹角α和双光束差动系统采集的多普勒频率fD实现对车辆平稳运行时的运动速度解算，车辆的速度解算式即式(2)：
(2)当车辆在凹凸不平的地面上行驶时，车辆出现颠簸摇摆，1#发射倾角和2#发射倾角发生变化，发射倾角的变化量为Δθ，则通过两个一维参考光子系统采集的多普勒频率fD1与多普勒频率fD2解算车辆的运动速度，通过式(3)和式(4)计算出车辆的运动速度：
其中
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711202235.9A CN108020681B (zh) | 2017-11-27 | 2017-11-27 | 一种车载激光多普勒测速仪 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711202235.9A CN108020681B (zh) | 2017-11-27 | 2017-11-27 | 一种车载激光多普勒测速仪 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108020681A CN108020681A (zh) | 2018-05-11 |
| CN108020681B true CN108020681B (zh) | 2024-03-08 |
Family
ID=62077322
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711202235.9A Active CN108020681B (zh) | 2017-11-27 | 2017-11-27 | 一种车载激光多普勒测速仪 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108020681B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108732583A (zh) * | 2018-07-18 | 2018-11-02 | 武汉雷施尔光电信息工程有限公司 | 基于激光测距成像的车辆速度和摆动幅度的检测装置及方法 |
| CN109407110B (zh) * | 2018-10-12 | 2020-04-21 | 湖南波恩光电科技有限责任公司 | 基于扫描振镜的车载激光多普勒测速仪 |
| CN110398749B (zh) * | 2019-08-13 | 2024-03-01 | 北京航天光新科技有限公司 | 一种双斜射非对称车载激光测速装置 |
| CN110824184B (zh) * | 2019-10-12 | 2020-11-17 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种激光多普勒测速仪数据反演方法 |
| CN111650398B (zh) * | 2020-05-29 | 2021-08-06 | 上海交通大学 | Ldv测量圆管内部二维流场的装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010058322A1 (en) * | 2008-11-19 | 2010-05-27 | Philips Intellectual Property & Standards Gmbh | Laser self-mixing differential doppler velocimetry and vibrometry |
| CN101788565A (zh) * | 2010-03-01 | 2010-07-28 | 龙兴武 | 多点分层型差动激光多普勒测速仪 |
| CN104833816A (zh) * | 2015-04-29 | 2015-08-12 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 基于旋转光栅的激光多普勒测速装置及其测速方法 |
| CN207528750U (zh) * | 2017-11-27 | 2018-06-22 | 长沙普德利生科技有限公司 | 一种车载激光多普勒测速仪 |
-
2017
- 2017-11-27 CN CN201711202235.9A patent/CN108020681B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010058322A1 (en) * | 2008-11-19 | 2010-05-27 | Philips Intellectual Property & Standards Gmbh | Laser self-mixing differential doppler velocimetry and vibrometry |
| CN101788565A (zh) * | 2010-03-01 | 2010-07-28 | 龙兴武 | 多点分层型差动激光多普勒测速仪 |
| CN104833816A (zh) * | 2015-04-29 | 2015-08-12 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 基于旋转光栅的激光多普勒测速装置及其测速方法 |
| CN207528750U (zh) * | 2017-11-27 | 2018-06-22 | 长沙普德利生科技有限公司 | 一种车载激光多普勒测速仪 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 《基于Janus配置的激光多普勒测速仪》;周健、龙兴武;《光电子·激光》;第22卷(第2期);全文 * |
| 《用于车载自主导航激光多普勒测速仪的初步研究》;周健;《中国博士学位论文全文数据库 (信息科技辑)》;33-39页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108020681A (zh) | 2018-05-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108020681B (zh) | 一种车载激光多普勒测速仪 | |
| CN1904544B (zh) | 追踪式激光干涉仪 | |
| CN101351684B (zh) | 测量仪和测量方法 | |
| CN101526475B (zh) | 透射式能见度测量装置及测量方法 | |
| CN103558412B (zh) | 用于流场的干涉瑞利散射测速装置 | |
| KR20120003967A (ko) | 차량 동역학의 특징화를 위한 레이저 다이오드 기반 다중 빔 레이저 스폿 이미징 시스템 | |
| CN103344962B (zh) | 一种基于光路差分的激光脉冲测距方法 | |
| CN207528750U (zh) | 一种车载激光多普勒测速仪 | |
| CN204631269U (zh) | 高精度绝对重力仪用光学倍频式激光干涉系统及应用 | |
| CN101788565A (zh) | 多点分层型差动激光多普勒测速仪 | |
| CN108594258B (zh) | 基于多普勒效应的修正式测速传感器及其标定与测量方法 | |
| US4997272A (en) | 4π laser Doppler anemometer (LDA) for measuring the velocities of moving objects | |
| CN110398749B (zh) | 一种双斜射非对称车载激光测速装置 | |
| CN108801147A (zh) | 一种测量物体运动速度的光学装置及测量方法 | |
| CN104808254A (zh) | 高精度绝对重力仪用光学倍频式激光干涉系统及应用 | |
| CN108592873B (zh) | 基于ldv/ins组合的车载高程计及其方法 | |
| CN108469531B (zh) | 基于多普勒效应的双重修正式测速传感器及标定与测量方法 | |
| CN102236097B (zh) | 用于冲击校准的双路侧向多普勒测速方法 | |
| CN104931725A (zh) | 正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置 | |
| CN2163384Y (zh) | 跟踪-计数型激光多普勒测速装置 | |
| CN108646047B (zh) | 基于多普勒效应带修正结构的测速传感器及标定与测量方法 | |
| CN106225861A (zh) | 一种液体流量的测定装置及航空器燃油油量测定方法 | |
| CN108801377A (zh) | 一种针对特殊流体流速和流量测定的光学装置 | |
| CN109407110B (zh) | 基于扫描振镜的车载激光多普勒测速仪 | |
| Xiang et al. | Online Calibration Method for Pitch independent Laser Doppler Velocimeter Based on Improved Integrated Navigation Model |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wu Jun Inventor after: Wang Feilong Inventor before: Wu Jun Inventor before: Wang Feilong Inventor before: Zhou Jian Inventor before: Nie Xiaoming |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |