CN109116371A - 基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达 - Google Patents

基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达，属于多普勒测速雷达领域，该测速雷达包括：放大反馈激光器，光纤放大器，三端口环形器，光纤连接器，光学收发天线，光电探测器，数据采集器，射频信号源。本发明利用放大反馈激光器产生的双波长光信号来检测移动目标的速度，将对激光器线宽的要求转移到对双模拍频微波信号线宽上来，降低了多普勒雷达系统对激光器线宽的要求，提高了测量精度，降低了系统的成本；此外，本发明利用光纤端面的反射光作为参考光，参考光与信号光在同一段光纤路径中传输，光纤扰动带来的共模噪声可以通过平衡探测的方式去除，与采用不同光纤路径的相干接收方式相比，具有更好的抗干扰性和稳定性。

Description

基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达
技术领域
本发明涉及多普勒测速雷达领域，特别涉及一种基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达。
背景技术
单波长激光多普勒雷达要求由物体移动导致的多普勒频移要大于激光器线宽且探测距离在激光的相干长度内，必须使用窄线宽激光器来保证高的测量精度和远的测试距离，通常要求激光器的线宽在100kHz以下量级(对于1550nm的单波长激光，当物体的移动速度为1cm/s时，激光的多普勒频移为12.9kHz)，窄线宽激光器的使用增加了系统的成本。同时，单波长激光多普勒雷达无法消除由物体表面粗糙引起的多普勒频移信号线宽展宽，降低了激光多普勒雷达的测量精度，在微速度/微振动测量领域尤为严重。
双波长激光来探测物体的微振动/移动，减小了多普勒频移信号线宽受激光相位抖动和物体表面粗糙带来相位噪声的影响，提高了测试精度。此外，有双波长激光的方案是利用主激光器注入从激光器来使从激光器工作在单周期振荡状态，产生双波长激光的方式复杂，且需要调节注入光的偏振态，系统的稳定性较差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达，以解决现有多普勒测速雷达的测量精度较低、成本较高，以及激光测速方案的方式复杂的问题。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达，包括：放大反馈激光器，光纤放大器，三端口环形器，光纤连接器，光学收发天线，光电探测器，信号记录仪，射频信号源；其中，
放大反馈激光器，用于产生双纵模光信号，包括射频接口，所述射频接口与射频信号源相连；
光纤放大器，用于放大双纵模光信号，其输入端与放大反馈激光器的输出端相连；
三端口环形器，其第一端口与光纤放大器输出端连接，用于接收放大后的双波长光信号；三端口环形器的第二端口与光纤连接器连接，用于将从第一端口接收到的光信号传入光纤连接器以及接收来自光纤连接器的信号光和参考光；三端口环形器的第三端口与光电探测器连接，用于将信号光和参考光传至光电探测器；
光纤连接器，连接三端口环形器的第二端口和光学收发天线。通过光纤连接器发射的激光在连接器接头处存在反射，该反射光作为系统的参考光，以及向光学收发天线发送光信号，并将光学收发天线接收的信号光与参考光在连接头端面合波，通过三端口环形器将合波传至光电探测器；
光学收发天线，与光纤连接器连接，用于接收光纤连接器传来的双波长光信号发射向被测移动物体，以及接收被测移动物体散射回的信号光并传递至光纤连接器；
光电探测器，与信号记录仪连接，用于接收参考光和信号光，差分探测出双模拍频微波信号的多普勒频移信号，并将双波长拍频信号的多普勒频移信号转换成电信号后输入信号记录仪；
信号记录仪，用于记录光电探测器检测出的多普勒频移信号，记录出的信号频率用于计算被测物体速度；
射频信号源，用于调制放大反馈激光器，使两个激射模式的相位锁定，压缩拍频微波信号的线宽。
在进一步的实施方案中，所述的放大反馈激光器包括：DFB激光器区、相区和放大反馈区，其中DFB激光器区和放大反馈区分别位于相区两侧。
在进一步的实施方案中，所述的放大反馈激光器靠近DFB激光器区一端的端面为出光面。
在进一步的实施方案中，所述的光纤连接器的端面垂直于光纤轴向。
在进一步的实施方案中，所述的光纤连接器的端面镀有反射率的反射膜层，或光纤连接器为无镀膜的平头光纤。
在进一步的实施方案中，所述的信号记录仪为实时示波器或数据采集器。
(三)有益效果
根据上述技术方案可以看出，本发明提供的基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达具有以下有益效果：
(1)本发明利用放大反馈激光器产生的双波长光信号来检测移动目标的速度，将对激光器线宽的要求转移到对拍频信号线宽上，降低了多普勒雷达系统对激光器线宽的要求，使得多普勒测速雷达不再需要窄线宽激光器来保证测量精度，从而降低成本；
(2)本发明利用光纤端面的反射光作为参考光，参考光与信号光在同一段光纤路径中传输，通过平衡探测的方式去除光纤扰动带来的共模噪声，提升了抗干扰性和稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达系统示意图。
图2是本发明实施例使用的放大反馈激光器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的一种基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达，如图1所示包括：
放大反馈激光器a，为带射频接口的封装器件，射频接口与射频信号源h相连，输出端与光纤放大器b输入端相连；用于产生双纵模光信号。放大反馈激光器a如图2所示是一种集成了DFB激光器区、相区和放大反馈区的单片集成三段式半导体双波长激光器，其中DFB激光器区和放大反馈区分别位于相区两侧，其靠近DFB激光器区一端的端面为出光面。
光纤放大器b，其输入端与放大反馈激光器a的输出端相连，输出端与三端口环形器c的第一端口相连；用于放大双波长光信号，使得光学收发天线e发射光信号有足够的发射功率。
三端口环形器c，其第一端口与光纤放大器b输出端连接，用于接收放大后的双波长光信号；三端口环形器c的第二端口与光纤连接器d连接，用于将从第一端口接收到的光信号传入光纤连接器d以及接收来自光纤连接器d的信号光和参考光的合波；三端口环形器c的第三端口与光电探测器f连接，用于将信号光和参考光的合波传至光电探测器f。
光纤连接器d，连接三端口环形器c的第二端口和光学收发天线e。通过光纤连接器d发射的激光在连接器接头处存在一定量反射，该反射光作为系统的参考光，以及向光学收发天线e发送光信号，并将光学收发天线e接收的信号光与参考光在连接头端面合波，通过三端口环形器c将合波传至光电探测器f。优选的，光纤连接器d的端面垂直于光纤轴向，并且可镀有反射膜层或为无镀膜的平头光纤。
光学收发天线e，与光纤连接器d连接，用于接收光纤连接器d传来的双波长光信号发射向被测移动物体，以及接收被测移动物体散射信号光并传回光纤连接器d。
光电探测器f，与三端口环形器c的第三端口和信号记录仪g连接，用于接收参考光和信号光的合波，差分探测出双模拍频微波信号的多普勒频移信号，并将双波长拍频信号的多普勒频移信号转换成电信号后输入信号记录仪g。
信号记录仪g，与光电探测器f连接，可以是但不局限于实时示波器或数据采集器；用于记录光电探测器f检测出的多普勒频移信号，记录出的信号频率用于计算被测物体速度。
射频信号源h，与放大反馈激光器相连，用于双波长拍频信号同频的射频信号调制放大反馈激光器a，使两个激射模式的相位锁定，压缩拍频微波信号的线宽。
在本实施例中：如图1所示，放大反馈激光器a发射双纵模光信号，经射频信号源h调制锁相后输入到光纤放大器b将双纵模光信号放大，然后通过三端口环形器c和光纤连接器d传入光学收发天线e，光学收发天线e发射双波长光信号，接收并传回光纤连接器d被测移动物体散射的信号光，光纤连接器d将在经过光纤连接器d反射形成的参考光和信号光进行合波后通过三端口环形器c传至光电探测器f，光电探测器f差分探测出双模拍频微波信号的多普勒频移信号，并将双波长拍频信号的多普勒频移信号转换成电信号，信号记录仪g记录光电探测器检测出的多普勒频移信号。
优选的，放大反馈激光器a是一种集成了DFB激光器区、相区和放大反馈区，通过调节DFB激光器区、相区和放大反馈区的注入电流使其工作在双模状态；靠近DFB激光器区一端的端面为出光面；并且，射频信号源h调制放大反馈激光器a作用于DFB激光器区。
最后，物体的移动速度由以下公式推算出来：
v＝fd·c/2fp
式中v为物体的移动速度，fd为实时示波器记录的多普勒频移信号的频率，c为真空中光速，fp为双模激光拍频产生微波信号的频率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达，其特征在于，包括：放大反馈激光器(a)，光纤放大器(b)，三端口环形器(c)，光纤连接器(d)，光学收发天线(e)，光电探测器(f)，信号记录仪(g)和射频信号源(h)；其中，
放大反馈激光器(a)，用于产生双纵模光信号，包括射频接口，所述射频接口与射频信号源(h)相连；
光纤放大器(b)，用于放大双纵模光信号，其输入端与放大反馈激光器(a)的输出端相连；
三端口环形器(c)，其第一端口与光纤放大器(b)输出端连接，用于接收放大后的双波长光信号；三端口环形器(c)的第二端口与光纤连接器(d)连接，用于将从第一端口接收到的光信号传入光纤连接器(d)以及接收来自光纤连接器(d)的信号光和参考光；三端口环形器(c)的第三端口与光电探测器(f)连接，用于将信号光和参考光传至光电探测器(f)；
光纤连接器(d)，连接三端口环形器(c)的第二端口和光学收发天线(e)，通过光纤连接器(d)发射的激光在连接器接头处存在反射，该反射光作为系统的参考光，以及向光学收发天线(e)发送光信号，并将光学收发天线(e)接收的信号光与参考光在连接头端面合波，通过三端口环形器(c)将合波传至光电探测器(f)；
光学收发天线(e)，与光纤连接器(d)连接，用于接收光纤连接器(d)传来的双波长光信号发射向被测以动物体，以及接收被测移动物体散射信号光并传回光纤连接器(d)；
光电探测器(f)，与信号记录仪(g)连接，用于接收参考光和信号光，差分探测出双模拍频微波信号的多普勒频移信号，并将双波长拍频信号的多普勒频移信号转换成电信号后输入信号记录仪(g)；
信号记录仪(g)，用于记录光电探测器(f)检测出的多普勒频移信号，记录出的信号频率用于计算被测物体速度；
射频信号源(h)，用于调制放大反馈激光器(a)，使两个激射模式的相位锁定，压缩拍频微波信号的线宽。
2.根据权利要求1所述的基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达，其特征在于：所述的放大反馈激光器(a)包括：DFB激光器区、相区和放大反馈区，其中DFB激光器区和放大反馈区分别位于相区两侧。
3.根据权利要求2所述的基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达，其特征在于：所述的放大反馈激光器(a)靠近DFB激光器区一端的端面为出光面。
4.根据权利要求1所述的基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达，其特征在于：所述的光纤连接器(d)的端面垂直于光纤轴向。
5.根据权利要求5所述的基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达，其特征在于：所述的光纤连接器(d)的端面镀有反射膜层，或所述光纤连接器(d)为无镀膜的平头光纤。
6.根据权利要求1所述的基于双波长半导体激光器的多普勒测速雷达，其特征在于：所述的信号记录仪(g)为实时示波器或数据采集器。
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