CN110133678B - 一种提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法 - Google Patents

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Abstract

提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法。现有的相位调制激光多普勒频移测量方法测量灵敏度较低，多普勒频移测量范围窄的问题。将一倍调制频率拍频信号经过信号分解为同相分量和正交分量叠加的形式；令x轴表示同相分量的归一化振幅AR的幅度变化，y轴上表示正交分量的归一化振幅AI的幅度变化，z轴表示信号光频移ω的变化；频移ω变化，xyz三维坐标系中的一个空间点(AR,AI,ω)的位置会在这个三维坐标系变化，从而形成一条三维曲线。将曲线投影到AR和AI构成的平面上得到二维曲线，对目标回波信号进行处理，获得其AI和AR的测量值，确定二维曲线上的点，确定其对应的频移ω。本发明照现有技术相比测量范围提高近10倍。

Description

一种提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法
技术领域
本发明涉及一种提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法。
背景技术
利用相关检测方法提取相位调制拍频信号的振幅与相位作为多普勒鉴频参量，使其具有极窄的工作带宽，可以有效抑制噪声来提高信噪比，从而使其具有较高的测量精度。相位调制方法在工作原理上具有不可比拟的先天优势。但是，现有的相位调制激光多普勒频移测量方法必须要求探测系统具有能量探测器，部件较多结构复杂。并且现有的相位调制激光多普勒频移测量方法是利用图1中的虚线L1宽度范围的部分进行计算的(虚线L1宽度范围的部分是单调的)，由于虚线L1宽度范围的部分的波峰和波谷的间距小，即L1短；同时虚线L1宽度范围的部分的波峰和波谷的纵坐标差值小。所以现有的相位调制激光多普勒频移测量方法测量灵敏度较低，多普勒频移测量范围窄。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的相位调制激光多普勒频移测量方法测量灵敏度较低，多普勒频移测量范围窄的问题，而提出一种提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法。
一种提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法，所述提高测量范围的方法包括以下步骤：
步骤一、对目标后向散射单频信号光E＝E0exp(jωt)进行正弦相位调制,当满足窄带相位调制条件时，会使其在原有频率成分的基础上产生振幅相等、相位相反的正一阶边带和负一阶边带，E经相位调制后表示为：
ER＝E0J1(β)exp[j(ω+Ω)t]+E0J0(β)exp(jωt)-E0J1(β)exp[j(ω-Ω)t] (1)
式中，E0和ω为原信号光的振幅和角频率；Ω和β为相位调制的角频率和深度；J0和J1分别是零阶和一阶贝塞尔函数；ω+Ω为正一阶边带的角频率，ω-Ω为负一阶边带的角频率；j表示复数中的虚数；t表示时间；
步骤二、将经步骤一调制后的信号光通过F-P干涉仪，破坏两边带的对称性，并利用光电探测器测量输出的电信号，表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000011
式中，id为直流信号；
Figure RE-GDA0002089835900000021
为原频和两边带产生的一倍调制频率拍频信号；
Figure RE-GDA0002089835900000022
为两边带产生的二倍调制频率拍频信号，且忽略不计；∝表示成正比例；
步骤三、根据式(1)和式(2)，将直流信号id表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000023
式中，T为F-P干涉仪场强透过系数，模方|T(ω)|2表示F-P干涉仪光强透过率，表示调制信号光的等效F-P干涉仪光强透过率；
对探测器输出信号i(t)进行积分，以提取出直流分量id，表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000024
其中，T0为积分时间，当其等于2TΩ的整数倍时，交流分量
Figure RE-GDA0002089835900000025
和
Figure RE-GDA0002089835900000026
的积分结果恰好等于零；TΩ为一倍调制频率拍频信号周期，TΩ＝1/Ω；
步骤四、将一倍调制频率拍频信号
Figure RE-GDA0002089835900000027
表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000028
其中，
Figure RE-GDA0002089835900000029
Figure RE-GDA00020898359000000210
A0表示归一化振幅，φ0表示归一化相位；AR和AI分别为同相和正交分量的归一化振幅；RE表示实数部分，IM表示虚数部分；
步骤五、利用正交参考信号
Figure RE-GDA00020898359000000211
和
Figure RE-GDA00020898359000000212
与分别探测器输出信号 i(t)进行相关运算，当积分时间T0＝nTΩ时，i(t)中id和
Figure RE-GDA00020898359000000213
频率成分运算值为零，得到：
Figure RE-GDA00020898359000000214
其中，τ为拍频信号
Figure RE-GDA00020898359000000215
与正交参考信号
Figure RE-GDA00020898359000000216
之间的延迟时间，通常是常数；n为常数；
利用方程组(6)得到：
Figure RE-GDA0002089835900000031
步骤六、将公式(5)中一倍调制频率拍频信号
Figure RE-GDA0002089835900000032
经过信号分解为同相分量
Figure RE-GDA0002089835900000033
和正交分量
Figure RE-GDA0002089835900000034
叠加的形式：
Figure RE-GDA0002089835900000035
其中，AR＝|A0|cos(φ0)为同相分量的归一化振幅，和AI＝|A0|sin(φ0)为正交分量的归一化振幅；归一化振幅AR和AI都包含了拍频信号iΩ归一化振幅A0和相位φ0中的全部频移信息；
步骤七、由相互正交的x轴、y轴和z轴构成一个三维坐标系，并令x轴表示同相分量的归一化振幅AR的幅度变化，y轴上表示正交分量的归一化振幅AI的幅度变化，z轴表示信号光频移ω的变化；根据每一个ω值都确定一个AR值和一个AI值的原理，确定xyz 三维坐标系中的一个空间点(AR,AI,ω)，当频移ω发生变化时，该点的位置会在这个三维坐标系变化，从而形成一条三维曲线，利用这条三维曲线进行多普勒频移测量，提取出拍频信号iΩ中的全部频移信息，获得目标的速度。
一种提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法，所述提高测量范围的方法包括以下步骤：
步骤一、对目标后向散射单频信号光E＝E0exp(jωt)进行正弦相位调制,当满足窄带相位调制条件时，会使其在原有频率成分的基础上产生振幅相等、相位相反的正一阶边带和负一阶边带，E经相位调制后表示为：
ER＝E0J1(β)exp[j(ω+Ω)t]+E0J0(β)exp(jωt)-E0J1(β)exp[j(ω-Ω)t] (1)
式中，E0和ω为原信号光的振幅和角频率；Ω和β为相位调制的角频率和深度；J0和J1分别是零阶和一阶贝塞尔函数；ω+Ω为正一阶边带的角频率，ω-Ω为负一阶边带的角频率；j表示复数中的虚数；t表示时间；
步骤二、将经步骤一调制后的信号光通过F-P干涉仪，破坏两边带的对称性，并利用光电探测器测量输出的电信号，表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000041
式中，id为直流信号；
Figure RE-GDA0002089835900000042
为原频和两边带产生的一倍调制频率拍频信号；
Figure RE-GDA0002089835900000043
为两边带产生的二倍调制频率拍频信号，且忽略不计；
步骤三、根据式(1)和式(2)，将直流信号id表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000044
式中，T为F-P干涉仪场强透过系数，模方|T(ω)|2表示F-P干涉仪光强透过率，表示调制信号光的等效F-P干涉仪光强透过率；
然后，对探测器输出信号i(t)进行积分，提取出直流分量id，计算公式为：
Figure RE-GDA0002089835900000045
其中，T0为积分时间，当其等于2TΩ的整数倍时，交流分量
Figure RE-GDA0002089835900000046
和
Figure RE-GDA0002089835900000047
的积分结果恰好等于零；TΩ为一倍调制频率拍频信号周期，TΩ＝1/Ω；
步骤四、一倍调制频率拍频信号
Figure RE-GDA0002089835900000048
表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000049
其中，
Figure RE-GDA00020898359000000410
Figure RE-GDA00020898359000000411
A0表示归一化振幅，φ0表示归一化相位；AR和AI分别为同相和正交分量的归一化振幅；RE表示实数部分，IM表示虚数部分；
步骤五、利用正交参考信号
Figure RE-GDA00020898359000000412
和
Figure RE-GDA00020898359000000413
与分别探测器输出信号i(t)进行相关运算，当积分时间T0＝nTΩ时，i(t)中id和
Figure RE-GDA0002089835900000051
频率成分运算值为零，得到：
Figure RE-GDA0002089835900000052
其中，τ为拍频信号
Figure RE-GDA0002089835900000053
与正交参考信号
Figure RE-GDA0002089835900000054
之间的延迟时间，通常是常数；n为常数；
然后，利用方程组(6)提取振幅、相位，得到：
Figure RE-GDA0002089835900000055
步骤六、将公式(5)中一倍调制频率拍频信号
Figure RE-GDA0002089835900000056
经过信号分解为同相分量
Figure RE-GDA0002089835900000057
和正交分量
Figure RE-GDA0002089835900000058
叠加的形式：
Figure RE-GDA0002089835900000059
其中，AR＝|A0|cos(φ0)为同相分量的归一化振幅，和AI＝|A0|sin(φ0)为正交分量的归一化振幅；归一化振幅AR和AI都包含了拍频信号iΩ归一化振幅A0和相位φ0中的全部频移信息；
步骤七、由相互正交的x轴、y轴和z轴构成一个三维坐标系，并令x轴表示同相分量的归一化振幅AR的幅度变化，y轴上表示正交分量的归一化振幅AI的幅度变化，z轴表示信号光频移ω的变化；根据每一个ω值都确定一个AR值和一个AI值的原理，确定xyz 三维坐标系中的一个空间点(AR,AI,ω)，当频移ω发生变化时，该点的位置会在这个三维坐标系变化，从而形成一条三维曲线，
步骤八、当假定时间延迟τ＝0时，利用公式(7)对探测器输出信号i(t)进行处理，可以得到：
Figure RE-GDA00020898359000000510
用直流分量
Figure RE-GDA0002089835900000061
的测量值消除光强度
Figure RE-GDA0002089835900000062
通过定义：
Figure RE-GDA0002089835900000063
步骤九、将步骤七得到的三维曲线投影到AR和AI构成的平面上得到二维曲线，这条二维曲线上的任意一个点(AI AR)，都对应着一个唯一的信号光角频率ω；对目标回波信号进行处理，通过获得其AI和AR的测量值，并确定二维曲线上的点，从而确定其对应的频移ω。
本发明的有益效果为：
本发明是通过新参量AR和AI来表示随信号光频移变化的二维曲线，如图3(a)所示，当频移范围增大到-0.053FSR～0.053FSR的范围，这条空间曲线自身依然不存在两个或以上ω值对应一组AR和AI值等情况。这就说明，如果利用这条“空间”三维曲线进行多普勒频移测量，不但可以提取出拍频信号iΩ中的全部频移信息，而且动态范围 (|ω|<0.053FSR)将会大约是利用参量AL(ω)曲线频移测量动态范围(|ω|<0.029FSR)的 2倍，可以解决其存在的问题。
本发明是通过新参量ARL和AIL来表示随信号光频移ω变化的二维曲线，在图4中用实线表示，为了比较，AR和AI随信号光频移ω变化的二维曲线也在图4中用虚线表示，通过观察可以发现，(ARL,AIL)构成的“星际图”的形状与(AR,AI)的“星际图”形状相似，并且在|ω|<0.213FSR的范围内，曲线都为发生交叉，所以其依然可以被用来进行频移测量，而且其多普勒频移测量范围约为利用参量AL(ω)频移测量范围的近7倍，照现有技术相比测量范围提高近10倍。说明(ARL,AIL)构成的“星迹图”法也很好地融合了直流分量h(ω)中的多普勒频移信息，来进一步增大测量范围，并消除去除光强E0 2的影响。
附图说明
图1为本发明背景技术涉及的现有的相位调制激光多普勒频移测量方法示意图；
图2a本发明涉及的φ0(ω)和φ(ω)随信号光频率变化曲线；
图2b为本发明涉及的An(ω)和AL(ω)随信号光频率变化曲线；
图3a、图3b分别为本发明涉及的参量AR和AI随信号光频移变化曲线；
图4为本发明涉及的参量ARL和AIL随信号光频移ω变化的二维曲线；
图5为本发明涉及的相位调制激光多普勒测速系统原理图；
图6为本发明实施例一涉及的方法流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：
本实施方式的一种提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法，所述提高测量范围的方法包括以下步骤：
步骤一、对目标后向散射单频信号光E＝E0exp(iωt)进行正弦相位调制,当满足窄带相位调制条件时，会使其在原有频率成分的基础上产生振幅相等、相位相反的正一阶边带和负一阶边带，E经相位调制后表示为：
ER＝E0J1(β)exp[j(ω+Ω)t]+E0J0(β)exp(jωt)-E0J1(β)exp[j(ω-Ω)t] (1)
式中，E0和ω为原信号光的振幅和角频率；Ω和β为相位调制的角频率和深度；J0和J1分别是零阶和一阶贝塞尔函数；ω+Ω为正一阶边带的角频率，ω-Ω为负一阶边带的角频率；j表示复数中的虚数；t表示时间；
步骤二、将经步骤一调制后的信号光通过F-P干涉仪，破坏两边带的对称性，并利用光电探测器测量输出的电信号，表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000071
式中，id为直流信号；
Figure RE-GDA0002089835900000072
为原频和两边带产生的一倍调制频率拍频信号；
Figure RE-GDA0002089835900000073
为两边带产生的二倍调制频率拍频信号，且由于强度较弱在本发明中忽略不计；∝表示成正比例；
步骤三、根据式(1)和式(2)，将直流信号id表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000074
式中，T为F-P干涉仪场强透过系数，由于其模方|T(ω)|2表示F-P干涉仪光强透过率，所以
Figure RE-GDA0002089835900000075
本质上表示调制信号光(原频与两个边带)的等效F-P干涉仪光强透过率；
对探测器输出信号i(t)进行积分，提取出直流分量id，表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000081
其中，T0为积分时间，当其等于2TΩ的整数倍时，交流分量
Figure RE-GDA0002089835900000082
和
Figure RE-GDA0002089835900000083
的积分结果恰好等于零；TΩ为一倍调制频率拍频信号周期，TΩ＝1/Ω；
步骤四、将一倍调制频率拍频信号
Figure RE-GDA0002089835900000084
表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000085
其中，
Figure RE-GDA0002089835900000086
Figure RE-GDA0002089835900000087
A0表示归一化振幅，φ0表示归一化相位；AR和AI分别为同相和正交分量的归一化振幅；RE表示实数部分，IM表示虚数部分；
步骤五、利用正交参考信号
Figure RE-GDA0002089835900000088
和
Figure RE-GDA0002089835900000089
与分别探测器输出信号 i(t)进行相关运算，当积分时间T0＝nTΩ时，i(t)中id和
Figure RE-GDA00020898359000000810
频率成分运算值恰好为零，得到：
Figure RE-GDA00020898359000000811
其中，τ为拍频信号
Figure RE-GDA00020898359000000812
与正交参考信号
Figure RE-GDA00020898359000000813
之间的延迟时间，通常是比较小的常数；n为常数；
然后，利用方程组(6)提取振幅、相位，得到：
Figure RE-GDA00020898359000000814
其中，现有鉴频参量合成原理为：
根据公式(3)-(8)可知，参量h(ω)、A0(ω)和φ0(ω)都是信号光频率ω的函数，利用它们可以进行信号光频移测量。前人已经提出了参量合成的方法，来共同利用它们对信号光频移进行测量的方法：
(1)利用h(ω)和A0(ω)参量的合成An(ω)参量：
为了不受信号光强度
Figure RE-GDA0002089835900000091
影响，并能同时利用参量h(ω)和A0(ω)中的频率信息，可以利用测量值
Figure RE-GDA0002089835900000092
和
Figure RE-GDA0002089835900000093
定义一个鉴频参量：
Figure RE-GDA0002089835900000094
由于拍频信号相位φ0的频率变化曲线，如图2(a)中实线所示，存在一个180°的相位跳变,说明在跳变位置参量A0存在符号的变化；又由于h(ω)>0，所以新参量An(ω)在该位置也存在符号变化。假定
Figure RE-GDA0002089835900000095
可以获得An(ω)曲线，如图2(a)中的虚线所示。
(2)利用An(ω)和φ0(ω)参量的合成AL(ω)参量：
令
Figure RE-GDA0002089835900000096
消除相位曲线跳变，如图2(a)中的虚线所示。然后再对其进行归一化处理φn＝φ/180，最后利用An(ω)和φn(ω)利定义另一个参量：
Figure RE-GDA0002089835900000097
AL(ω)的频移变化曲线如图2(b)中实线所示。
图2中采用以坐标原点为参考点的相对频率，原点与F-P干涉仪光强透过率峰值位置重合，作为多普勒频移测量的工作点，图2中的横坐标本质上代表信号光的频移量。并且利用F-P干涉仪的自由光谱范围(Free Spectral Range，简记为FSR)对图中横坐标进行了归一化处理。
在图2(b)的原点两侧，An(ω)曲线存在上、下两个峰，在这两个峰之间(|ω|<0.02FSR) 存在着一段随频移单调变化的曲线，利用这段An曲线是可以测量信号光的多普勒频移。 AL(ω)曲线的形状与An(ω)相似，同样可以被用来进行多普勒频移测量。但是，由于其峰 -峰值间曲线的频率宽度更大，且更加陡峭，所以其频移测量动态范围(|ω|<0.029FSR) 和灵敏度要比An(ω)曲线更高。
虽然，通过将h′(ω)、A0(ω)和φ0(ω)依次进行合成构造新鉴频参量的方法，可以去除光强
Figure RE-GDA0002089835900000102
的影响，并不断的提高测量动态范围和灵敏度，但是，利用最终合成的参量 AL(ω)进行频移测量依然不能够对参量的全部频移信息加以利用，即当信号光频移落在 AL(ω)曲线峰值以外时(|ω|>0.029FSR)，这种方法就没有办法对其进行分辩了，AL(ω)曲线峰值两侧陡峭的曲线没办法用来进行频移测量。
针对此项不足，本发明进行如下步骤，以利用h(ω)、A0(ω)和φ0(ω)参量中的全部信号光频移信息，从而成倍提高相位调制激光多普勒测速系统的频移测量范围。
步骤六、将公式(5)中一倍调制频率拍频信号
Figure RE-GDA0002089835900000101
经过信号分解为同相分量和正交分量叠加的形式；则有步骤七；
步骤七、由相互正交的x轴、y轴和z轴构成一个三维坐标系，并令x轴表示同相分量的归一化振幅AR的幅度变化，y轴上表示正交分量的归一化振幅AI的幅度变化，z轴表示信号光频移ω的变化；根据每一个ω值都确定一个AR值和一个AI值的原理，确定xyz 三维坐标系中的一个空间点(AR,AI,ω)，当频移ω发生变化时，该点的位置会在这个三维坐标系变化，从而形成一条三维曲线，图2(a)所示。这条三维曲线，整体反映AR和AI参量随信号光频率ω的共同变化情况；
如图3(a)所示，当频移范围增大到-0.053FSR～0.053FSR的范围，这条空间曲线自身依然不存在两个或以上ω值对应一组AR和AI值等情况。这就说明，如果利用这条“空间”三维曲线进行多普勒频移测量，不但可以提取出拍频信号iΩ中的全部频移信息，而且动态范围(|ω|<0.053FSR)将会大约是利用参量AL(ω)曲线频移测量动态范围(|ω|<0.029FSR)的2倍，可以解决其存在的问题。
具体实施方式二：
与具体实施方式一不同的是，本实施方式的一种提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法，所述的步骤六中，将公式(5)中一倍调制频率拍频信号
Figure RE-GDA0002089835900000111
经过信号分解为同相分量和正交分量叠加的形式的过程为，
将公式(5)中一倍调制频率拍频信号
Figure RE-GDA0002089835900000112
经过信号分解为同相分量
Figure RE-GDA0002089835900000113
和正交分量
Figure RE-GDA0002089835900000114
叠加的形式，表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000115
其中，AR＝|A0|cos(φ0)为同相分量的归一化振幅，和AI＝|A0|sin(φ0)为正交分量的归一化振幅；归一化振幅AR和AI都包含了拍频信号iΩ归一化振幅A0和相位φ0中的全部频移信息。
具体实施方式三：
本实施方式的一种提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法，所述提高测量范围的方法包括以下步骤：
步骤一、对目标后向散射单频信号光E＝E0exp(iωt)进行正弦相位调制,当满足窄带相位调制条件时，会使其在原有频率成分的基础上产生振幅相等、相位相反的正一阶边带和负一阶边带，E经相位调制后表示为：
ER＝E0J1(β)exp[j(ω+Ω)t]+E0J0(β)exp(jωt)-E0J1(β)exp[j(ω-Ω)t] (1)
式中，E0和ω为原信号光的振幅和角频率；Ω和β为相位调制的角频率和深度；J0和J1分别是零阶和一阶贝塞尔函数；ω+Ω为正一阶边带的角频率，ω-Ω为负一阶边带的角频率；j表示复数中的虚数；t表示时间；
步骤二、将经步骤一调制后的信号光通过F-P干涉仪，破坏两边带的对称性，并利用光电探测器测量输出的电信号，表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000116
式中，id为直流信号；
Figure RE-GDA0002089835900000121
为原频和两边带产生的一倍调制频率拍频信号；
Figure RE-GDA0002089835900000122
为两边带产生的二倍调制频率拍频信号，且由于强度较弱在本发明中忽略不计；
步骤三、根据式(1)和式(2)，将直流信号id表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000123
式中，T为F-P干涉仪场强透过系数，由于其模方|T(ω)|2表示F-P干涉仪光强透过率，所以
Figure RE-GDA0002089835900000124
本质上表示调制信号光(原频与两个边带)的等效F-P干涉仪光强透过率；
然后，对探测器输出信号i(t)进行积分，以提取出直流分量id，得：
Figure RE-GDA0002089835900000125
其中，T0为积分时间，当其等于2TΩ的整数倍时，交流分量
Figure RE-GDA0002089835900000126
和
Figure RE-GDA0002089835900000127
的积分结果恰好等于零；TΩ为一倍调制频率拍频信号周期，TΩ＝1/Ω；
步骤四、一倍调制频率拍频信号
Figure RE-GDA0002089835900000128
表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000129
其中，
Figure RE-GDA00020898359000001210
Figure RE-GDA00020898359000001211
A0表示归一化振幅，φ0表示归一化相位；AR和AI分别为同相和正交分量的归一化振幅；RE表示实数部分，IM表示虚数部分；
步骤五、利用正交参考信号
Figure RE-GDA00020898359000001212
和
Figure RE-GDA00020898359000001213
与分别探测器输出信号 i(t)进行相关运算，当积分时间T0＝nTΩ时，i(t)中id和
Figure RE-GDA00020898359000001214
频率成分运算值恰好为零，得到：
Figure RE-GDA0002089835900000131
其中，τ为拍频信号
Figure RE-GDA0002089835900000132
与正交参考信号
Figure RE-GDA0002089835900000133
之间的延迟时间，通常是比较小的常数； n为常数；
然后，利用方程组(6)得到：
Figure RE-GDA0002089835900000134
步骤六、将公式(5)中一倍调制频率拍频信号
Figure RE-GDA0002089835900000135
经过信号分解为同相分量和正交分量叠加的形式；则有步骤七；
步骤七、由相互正交的x轴、y轴和z轴构成一个三维坐标系，并令x轴表示同相分量的归一化振幅AR的幅度变化，y轴上表示正交分量的归一化振幅AI的幅度变化，z轴表示信号光频移ω的变化；根据每一个ω值都确定一个AR值和一个AI值的原理，确定xyz 三维坐标系中的一个空间点(AR,AI,ω)，当频移ω发生变化时，该点的位置会在这个三维坐标系变化，从而形成一条三维曲线，图2(a)所示。这条三维曲线，整体反映AR和AI参量随信号光频率ω的共同变化情况；
步骤八、当假定时间延迟τ＝0时，利用公式(7)对探测器输出信号i(t)进行处理，可以得到：
Figure RE-GDA0002089835900000136
当信号光强度
Figure RE-GDA0002089835900000137
已知的情况下，就可以获取归一化振幅AI和AR的测量值。为了不增加额外的探测器对信号光强度
Figure RE-GDA0002089835900000138
单独测量，可以用直流分量
Figure RE-GDA0002089835900000139
的测量值消除光强度
Figure RE-GDA00020898359000001310
通过定义：
Figure RE-GDA0002089835900000141
步骤九、将图3(a)中的步骤七得到的三维曲线投影到AR和AI构成的平面上得到二维曲线进行观察，如图3(b)所示，这条二维曲线上的任意一个点(AI AR)，都对应着一个唯一的信号光角频率ω，也就对应着图3(a)中的三维曲线上的一个点。所以也可以用图3(b)中的二维曲线来的代替图3(a)中的三维曲线。
实验上，对目标回波信号进行处理，通过获得其AI和AR的测量值，并确定其对应 3(b)中的二维曲线上的点，从而确定其对应的频移ω。这种信号光频移确定方式类似于多进制数字通信中的利用“星座图”来确定传输的码元的方法。因此，我们可以将这条随信号光频率而变化的二维曲线称为“星迹图”。
具体实施方式四：
与具体实施方式三不同的是，本实施方式的一种提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法，所述的步骤六中，将公式(5)中一倍调制频率拍频信号
Figure RE-GDA0002089835900000142
经过信号分解为同相分量和正交分量叠加的形式的过程为，
将公式(5)中一倍调制频率拍频信号
Figure RE-GDA0002089835900000143
经过信号分解为同相分量
Figure RE-GDA0002089835900000144
和正交分量
Figure RE-GDA0002089835900000145
叠加的形式，表示为：
Figure RE-GDA0002089835900000146
其中，AR＝|A0|cos(φ0)为同相分量的归一化振幅，和AI＝|A0|sin(φ0)为正交分量的归一化振幅；归一化振幅AR和AI都包含了拍频信号iΩ归一化振幅A0和相位φ0中的全部频移信息。
具体实施方式五：
与具体实施方式四不同的是，本实施方式的一种提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法，所述的步骤九中，通过获得其AI和AR的测量值，并确定其对应3(b)中的二维曲线上的点，从而确定其对应的频移ω的过程为，由相互正交的x轴和y轴构成一个二维坐标系，并令x轴表示由同相分量归一化幅度AR和h定义的参量ARL的变化，y轴表示由正交分量归一化振幅AI和h定义的参量AIL的变化，以此二维平面上参量ARL和AIL随信号光频移变化的曲线作为鉴频曲线，对信号光的频移进行测量，从而获得目标的速度。
参量ARL和AIL随信号光频移ω变化的二维曲线在图4中用实线表示，为了比较，AR和AI随信号光频移ω变化的二维曲线也在图4中用虚线表示，通过观察可以发现，(ARL,AIL) 构成的“星际图”的形状与(AR,AI)的“星际图”形状相似，并且在|ω|<0.213FSR的范围内，曲线都为发生交叉，所以其依然可以被用来进行频移测量，而且其多普勒频移测量范围约为利用参量AL(ω)频移测量范围的7倍，说明(ARL,AIL)构成的“星迹图”法也很好地融合了直流分量h(ω)中的多普勒频移信息，来进一步增大测量范围，并消除去除光强
Figure RE-GDA0002089835900000151
的影响。
其中，相位调制激光多普勒测速系统原理图，如图5所示。光纤激光器1输出的线偏振光，经保偏光纤2由第1透镜3准直后经过偏振分光棱镜4和1/4波片5后入射到目标6上。目标表面产生的后向散射光经过1/4波片5后，被偏振分光棱镜4反射，再由第2透镜7会聚后进入第2保偏模光纤8，其出射的信号光经第3凸透镜9准直后依次经过偏振片10、光电相位调制器11，再经过扩束镜12后垂直入射到固体F-P标准具 13上。最终，该F-P标准具13的透射信号光经第4凸透镜14会聚后由光电探测器15 进行测量。
光电探测器15输出的电信号连接到数据采集卡16，该数据采集卡16具有一个外触发通道和一个数据采样通道。为了保证相位调制和数据采集的同步，正弦信号发生器的输出信号被分成两部分，其中一部分经过驱动器17放大后连接到光电相位调制器11，对信号光进行正弦相位调制；另一部分连接到数据采集卡16的外触发通道，作为触发源。模拟量输出卡18调整加载到光纤激光器1内部压电陶瓷上的电压，使其出射光频率在一定范围内进行快速线性调制；另外，还可以通过计算机调整光纤激光器1内部温度使其出射光频率在更大的范围内变化。这两种调整光纤激光器1输出光频率的办法配合使用，来进行工作点锁定。
当目标沿着激光出射方向发生运动时，由于多普勒效应回波信号光的频率就会发生变化，也就是产生了多普勒频移，通过测量该频移就可以获得目标的径向速度。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法，其特征在于：所述提高测量范围的方法包括以下步骤：
步骤一、对目标后向散射单频信号光E＝E0exp(jωt)进行正弦相位调制,当满足窄带相位调制条件时，会使其在原有频率成分的基础上产生振幅相等、相位相反的正一阶边带和负一阶边带，E经相位调制后表示为：
ER＝E0J1(β)exp[j(ω+Ω)t]+E0J0(β)exp(jωt)-E0J1(β)exp[j(ω-Ω)t] (1)
式中，E0和ω为原信号光的振幅和角频率；Ω和β为相位调制的角频率和深度；J0和J1分别是零阶和一阶贝塞尔函数；ω+Ω为正一阶边带的角频率，ω-Ω为负一阶边带的角频率；j表示复数中的虚数；t表示时间；
步骤二、将经步骤一调制后的信号光通过F-P干涉仪，破坏两边带的对称性，并利用光电探测器测量输出的电信号，表示为：
Figure FDA0003875106380000011
式中，id为直流信号；
Figure FDA0003875106380000012
为原频和两边带产生的一倍调制频率拍频信号；
Figure FDA0003875106380000013
为两边带产生的二倍调制频率拍频信号，且忽略不计；
步骤三、根据式(1)和式(2)，将直流信号id表示为：
Figure FDA0003875106380000014
式中，T为F-P干涉仪场强透过系数，模方|T(ω)|2表示F-P干涉仪光强透过率，表示调制信号光的等效F-P干涉仪光强透过率；
然后，对探测器输出信号i(t)进行积分，提取出直流分量id，计算公式为：
Figure FDA0003875106380000015
其中，T0为积分时间，当其等于2TΩ的整数倍时，交流分量
Figure FDA0003875106380000016
和
Figure FDA0003875106380000017
的积分结果恰好等于零；TΩ为一倍调制频率拍频信号周期，TΩ＝1/Ω；
步骤四、一倍调制频率拍频信号
Figure FDA0003875106380000018
表示为：
Figure FDA0003875106380000019
其中，
Figure FDA0003875106380000021
Figure FDA0003875106380000022
A0表示归一化振幅，φ0表示归一化相位；AR和AI分别为同相和正交分量的归一化振幅；RE表示实数部分，IM表示虚数部分；
步骤五、利用正交参考信号
Figure FDA0003875106380000023
和
Figure FDA0003875106380000024
与分别探测器输出信号i(t)进行相关运算，当积分时间T0＝nTΩ时，i(t)中id和
Figure FDA0003875106380000025
频率成分运算值为零，得到：
Figure FDA0003875106380000026
其中，τ为拍频信号
Figure FDA0003875106380000027
与正交参考信号
Figure FDA0003875106380000028
之间的延迟时间，通常是常数；n为常数；
然后，利用方程组(6)提取振幅、相位，得到：
Figure FDA0003875106380000029
步骤六、将公式(5)中一倍调制频率拍频信号
Figure FDA00038751063800000210
经过信号分解为同相分量和正交分量叠加的形式；
步骤七、由相互正交的x轴、y轴和z轴构成一个三维坐标系，并令x轴表示同相分量的归一化振幅AR的幅度变化，y轴上表示正交分量的归一化振幅AI的幅度变化，z轴表示信号光频移ω的变化；根据每一个ω值都确定一个AR值和一个AI值的原理，确定xyz三维坐标系中的一个空间点(AR,AI,ω)，当频移ω发生变化时，该点的位置会在这个三维坐标系变化，从而形成一条三维曲线，
步骤八、当假定时间延迟τ＝0时，利用公式(7)对探测器输出信号i(t)进行处理，可以得到：
Figure FDA0003875106380000031
用直流分量
Figure FDA0003875106380000032
的测量值消除光强度
Figure FDA0003875106380000033
通过定义：
Figure FDA0003875106380000034
步骤九、将步骤七得到的三维曲线投影到AR和AI构成的平面上得到二维曲线，这条二维曲线上的任意一个点(AI AR)，都对应着一个唯一的信号光角频率ω；对目标回波信号进行处理，通过获得其AI和AR的测量值，并确定二维曲线上的点，从而确定其对应的频移ω；
2.根据权利要求1所述的一种提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法，其特征在于：所述的步骤六中，将公式(5)中一倍调制频率拍频信号
Figure FDA0003875106380000035
经过信号分解为同相分量和正交分量叠加的形式的过程为：
将公式(5)中一倍调制频率拍频信号
Figure FDA0003875106380000036
经过信号分解为同相分量
Figure FDA0003875106380000037
和正交分量
Figure FDA0003875106380000038
叠加的形式，表示为：
Figure FDA0003875106380000039
其中，AR＝|A0|cos(φ0)为同相分量的归一化振幅，和AI＝|A0|sin(φ0)为正交分量的归一化振幅；归一化振幅AR和AI都包含了拍频信号iΩ归一化振幅A0和相位φ0中的全部频移信息。
3.根据权利要求1所述的一种提高相位调制激光多普勒测速系统的测量范围的方法，其特征在于：所述的步骤九中，通过获得其AI和AR的测量值，并确定二维曲线上的点，从而确定其对应的频移ω的过程为，由相互正交的x轴和y轴构成一个二维坐标系，并令x轴表示由同相分量归一化幅度AR和h定义的参量ARL的变化，y轴表示由正交分量归一化振幅AI和h定义的参量AIL的变化，以此二维平面上参量ARL和AIL随信号光频移变化的曲线作为鉴频曲线，对信号光的频移进行测量，从而获得目标的速度。
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