CN113406656A - 用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光多普勒测速技术，具体涉及用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置及方法。所述装置包括：依次光纤连接的种子激光器1、第一分束器2、声光调制器3、光纤放大器模块4、环形器模块5和光学天线模块6；第一分束器2与可变光衰减器模块7、耦合器模块8、平衡光电探测器模块9、信号处理模块10依次光纤连接；环形器模块5与耦合器模块8光纤连接。本发明，可以满足相干探测系统快速实时确定最佳本振光功率参数，并保证在测试环境变化过程中能够实现最大信噪比。

Description

用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置及方法
技术领域
本发明属于激光多普勒测速技术，具体涉及用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置及方法。
背景技术
激光多普勒测速技术基于多普勒效应，利用被测物体的运动速度与多普勒频移量的线性关系计算出物体的运动速度值，具有测量精度高、空间分辨率高、动态响应快、测速范围广、非接触测量等诸多优点，已广泛应用各领域中，如在工业现场和科研中对流体速度和固体速度的测量，在医学领域中用于监测血管血液流速，在安全监控领域用于风速、湍流、风切变、汽车的测速与定位等，在航空航天领域用于飞行器速度测量、发动机尾焰气流流场测量、空速测量等，具有广阔的应用市场和前景。
激光多普勒测速系统可分直接探测方案和相干探测方案。相干探测具有接近散粒噪声极限的探测能力、探测灵敏度高、探测精度及信噪比高、噪声功率小、对太阳背景光不敏感等优点，因而广泛应用于激光测量领域。除信号光外，相干探测系统还需引入与信号光同源的本振光，其目的与返回的信号光进行外差干涉，利用本振光对信号光的“放大”作用(本振光比信号光强度大几个数量级)，可极大的提高系统信噪比。
由于本振光与信号光的混频效率影响系统信噪比，而混频效率取决于本振光与信号光的偏振、相位、振幅(功率)等匹配程度，对于全光纤测速系统，偏振和相位匹配较容易实现，因此，影响系统混频效率或信噪比的主要因素在于振幅(功率)匹配。理论上，系统信噪比随本振光功率的增大而增大，并最终趋于恒定值，达到散粒噪声极限下信噪比。实际上由于光电探测器的响应度是非线性的，随着输入光功率的增大探测器会出现饱和，信噪比反而会随着本振光功率的增大而减小。这意味着存在最佳本振光功率使得系统混频效率最佳、信噪比最大。1992年，Rod G.Frehlich通过分析探测器的非线性特性，指出探测信噪比存在随本振光功率的增大而减小的趋势。1995年，J.Fred Holmes研究了使用光电二极管的相干探测系统的最佳本振光功率理论及确定方法，并给出通过测量探测器参数确定最佳本振光功率的方法。2008年，马宗峰等对全光纤相干激光雷达本振光功率优化进行了研究，以带尾纤的PIN光电二极管作为探测器，单模光纤干涉仪作为光学混频器，给出了本振光功率对相干探测信噪比的影响和本振光功率的优化方法并进行了相应试验，结果表明该优化方法可以给出相干探测系统合适的工作点。以上研究均准确的指出相干探测无法达到散粒噪声极限探测的原因，并给出了通过测量探测器非线性参数计算最佳本振光功率实现最大信噪比的方法。但上述文献中方法在实际中操作难度大、测量误差大且不具有实时性，原因有3点：1、实际中用于相干探测的光电探测器大多采用跨阻抗放大工作模式，跨阻抗放大电路会先于光电二极管饱和，很难测出光电探测器的非线性参数；2、非线性参数依靠曲线拟合方法计算出，针对有些光电探测器计算误差大，因此确定的最佳本振光功率与理论值有偏差；3、实际系统测试环境变化会导致本振光功率以及探测器参数发生变化，此时难以实时保证系统信噪比最大。
发明内容
本发明的目的：本发明针对传统优化相干测速系统信噪比方法存在的问题，提出了一种实用的提高相干测速系统信噪比的装置及方法，可以满足相干探测系统快速实时确定最佳本振光功率参数，并保证在测试环境变化过程中能够实现最大信噪比。
本发明的技术方案：一方面，提供一种用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置，其特征在于，所述装置包括：依次光纤连接的种子激光器1、第一分束器2、声光调制器3、光纤放大器模块4、环形器模块5和光学天线模块6；
第一分束器2与可变光衰减器模块7、耦合器模块8、平衡光电探测器模块9依次光纤连接；环形器模块5与耦合器模块8光纤连接；平衡光电探测器模块(9)和信号处理模块(10)电连接；
信号处理模块10与可变光衰减器模块7电连接；给定反馈电压信号，信号处理模块10将所述给定反馈电压信号实时加载到可变光衰减器模块7，以改变可变光衰减器模块7的插入损耗。
可选地，所述给定反馈电压信号为：根据本控制拍信号处理模块10对平衡光电探测器模块9发送的信号进行解算得到信噪比，与先前的连续的两个控制拍信号处理模块10解算得到的信噪比进行比较计算得到的比较值，并选择正反馈电压、负反馈电压或0对可变光衰减器模块7进行电压调整；正反馈电压的取值为0.1～0.5V，负反馈电压-0.1～-0.5V。
可选地，环形器模块5包括一个环形器、光学天线模块6包括一个光学天线、耦合器模块8包括一个耦合器、可变光衰减器模块7包括一个可变光衰减器、平衡光电探测器模块9包括一个平衡光电探测器。
可选地，所述装置还包括第二分束器；
环形器模块5包括多个环形器、光学天线模块6包括多个光学天线、耦合器模块8包括多个耦合器、可变光衰减器模块7包括多个可变光衰减器、平衡光电探测器模块9包括多个平衡光电探测器；光纤放大器模块4包括多个光纤放大器；
第一分束器2的本振光经第二分束器后分为多路本振光信号，并分别进入多个可变光衰减器；
多个可变光衰减器、多个耦合器、多个平衡光电探测器依次一一对应连接；
多个光纤放大器与多个环形器、多个光学天线依次一一对应连接；
多个环形器与多个耦合器一一对应连接。
可选地，光纤放大器模块4包括一个光纤放大器和第三分束器；
第三分束器分别与多个环形器、光纤放大器连接。
可选地，光纤放大器模块4包括第四分束器和多个光纤放大器；
第四分束器分别与声光调制器3、多个光纤放大器连接；多个光纤放大器与多个环形器一一对应连接。
可选地，光纤放大器模块4为多级光纤放大器；两级光纤放大器之间连接有第五分束器。
可选地，光学天线模块6包括一个可以同时发射和接收多个不同视场角激光信号的光学天线；该光学天线与多个环形器连接。
另一方面，提供一种用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的方法，利用如上所述的测量装置，所述方法包括：
信号处理模块10对平衡光电探测器模块9发送的信号进行实时解算得出信噪比，并与设定的信噪比阈值Ts进行比较，若信噪比小于阈值，信号处理模块10不向可变光衰减器模块7提供反馈电压；
若信噪比大于阈值，则将本控制拍得到的信噪比与先前存储的连续两个控制拍得到的信噪比进行比较计算，判断信噪比是否达到最大；
若连续3个控制拍中第二控制拍得到的信噪比不是最大，信号处理模块10提供正反馈电压或负反馈电压给可变光衰减器模块7，直至连续3个控制拍中第二控制拍得到的信噪比最大，第二控制拍对应的可变光衰减器模块7加载电压为最佳。
可选地，设定加载到可变光衰减器上的初始电压为V0，设定连续3个控制拍内信号处理模块10解算得到的信噪比分别为Sn-2、Sn-1和Sn，n表示第n个控制拍；
若Sn>Sn-1，设定电压调整方向系数K＝1，若Sn<Sn-1，设定电压调整方向系数K＝-1，单次反馈对应的调整电压为K×ΔV；
直至Sn<Sn-1且Sn-1>Sn-2时，最终加载到可变光衰减器上的最佳电压V＝V0+Σ(K×ΔV)，ΔV为电压调整间隔。
一个控制拍定义为从信号处理模块10将给定反馈电压信号加载到可变光衰减器模块7到信号处理模块10对平衡光电探测器模块9发送的信号进行解算得到信噪比，并计算出反馈电压信号的一个完整过程。
本发明的优点：本发明提出一种用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置及方法，目的在于通过实时改变本振光功率值，并通过一定的方法判断实现最大系统信噪比。相比已有文献公开的提高信噪比的方法具有测量方便、误差小、可实时调整等优点，该装置及方法可用于提高激光多普勒相干测速系统以及其他激光相干探测系统信噪比。
附图说明：
图1为用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的方案结构图；
图2为信号功率谱示意图；
图3为本振光功率闭环控制流程图；
图4为用于同时提高多路激光多普勒相干测速信噪比的方案结构图
附图标记说明：1-种子激光器、2-第一分束器、3-声光调制器、4-光纤放大器模块、5-环形器模块、6-光学天线模块、7-可变光衰减器模块、8-耦合器模块、9-平衡光电探测器模块、10-信号处理模块、11-第二分束器、12-第三分束器。
具体实施方式：
实施例1
本实施例，结合图1所示，本实施例，提供一种用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置，所述装置包括：依次光纤连接的种子激光器1、第一分束器2、声光调制器3、光纤放大器模块4、环形器模块5和光学天线模块6；
第一分束器2与可变光衰减器模块7、耦合器模块8、平衡光电探测器模块9依次光纤连接；环形器模块5与耦合器模块8光纤连接；平衡光电探测器模块9和信号处理模块10电连接；
信号处理模块10与可变光衰减器模块7电连接；给定反馈电压信号，信号处理模块10将所述给定反馈电压信号实时加载到可变光衰减器模块7，以改变可变光衰减器模块7的插入损耗。
其中，根据本控制拍信号处理模块10对平衡光电探测器模块9发送的信号进行解算得到信噪比，与设定的信噪比阈值Ts比较，若小于阈值，则结束调整，否则根据信噪比与先前的连续的两个控制拍信号处理模块10解算得到的信噪比进行比较计算得到的比较值，并选择正反馈电压、负反馈电压或0对可变光衰减器模块7进行电压调整；正反馈电压的取值为0.1～0.5V，负反馈电压-0.1～-0.5V。反馈电压取值较小控制稳定性好，精度高，但调整速度慢，且容易产生前后信噪比几乎不变的现象，反馈系数大调整速度快，但稳定性及精度差，有时难以获得最佳控制参数。
作为本实施例的优选方式之一，环形器模块5包括一个环形器、光学天线模块6包括一个光学天线、耦合器模块8包括一个耦合器、可变光衰减器模块7包括一个可变光衰减器、平衡光电探测器模块9包括一个平衡光电探测器。
具体地，本实施例，用于激光多普勒测速的装置，其包括种子激光器1、分束器、声光调制器、光纤放大器、环形器、光学天线、可变光衰减器、50/50耦合器、平衡光电探测器、信号采集、处理及驱动电路。
其中种子激光器、分束器、声光调制器、光纤放大器、环形器、光学天线顺序连接，50/50耦合器输入1端与环形器三端口相连接，可变光衰减器输入端与分束器2另一输出端相连且输出端与50/50耦合器输入2端相连，50/50耦合器两输出W端与平衡光电探测器相连，平衡光电探测器与信号处理模块通过电接口相连，信号处理模块与种子激光器、声光调制器、光纤放大器、可变光衰减器通过电接口相连。上述光器件间均通过保偏光纤熔接或使用FC/APC等接头通过法兰对接。
作为本实施例的优选方式之一，结合图4，用于激光多普勒测速的装置，包括第二分束器11；环形器模块5包括多个环形器、光学天线模块6包括多个光学天线、耦合器模块8包括多个耦合器、可变光衰减器模块7包括多个可变光衰减器、平衡光电探测器模块9包括多个平衡光电探测器。该实施方式，光纤放大器模块4包括多个光纤放大器。
第一分束器2的本振光经第二分束器11后分为多路本振光信号，并分别进入多个可变光衰减器；多个可变光衰减器、多个耦合器、多个平衡光电探测器依次一一对应连接；多个光纤放大器与多个环形器、多个光学天线依次一一对应连接。多个环形器与多个耦合器一一对应连接。
作为本实施例的优选方式之一，结合图4所示，该实施方式，光纤放大器模块4包括一个光纤放大器和第三分束器12；第三分束器分别与多个环形器、光纤放大器连接；光纤放大器与声光调制器3连接。
作为本实施例的优选方式之一，光纤放大器模块4包括第四分束器和多个光纤放大器；第四分束器分别与声光调制器3、多个光纤放大器连接；多个光纤放大器与多个环形器一一对应连接。
作为本实施例的优选方式之一，光纤放大器模块4为多级光纤放大器；两级光纤放大器之间连接有第五分束器。
作为本实施例的优选方式之一，光学天线模块6包括一个可以同时发射和接收多个不同视场角激光信号的光学天线；该光学天线与多个环形器连接。
本实施例的工作原理：种子激光器发出的激光经分束器分成两束光，一束进入声光调制器作为信号光，另一束进入可变光衰减器作为本振光，信号光经声光调制器调制成脉冲信号后进入光纤放大器，经放大后进入环形器，通过环形器二端口进入光学天线，随后被发射到空气中，被空气分子散射的信号经光学天线进入环形器，从环形器三端口进入50/50耦合器，并与从可变光衰减器输出的本振光共同进入50/50耦合器实现光混频，随后混频后的信号经50/50耦合器分成功率相等的两束光分别进入平衡光电探测器的两个输入端实现外差探测，平衡光电探测器输出的外差信号进入信号处理模块，信号处理模块为种子激光器和光纤放大器提供驱动电流，并为声光调制器提供驱动电压、调制信号。为实现最佳信噪比，信号处理模块根据采集的外差信号计算反馈电压量输出到可变光衰减器用于改变本振光功率，实现最大信噪比。
实施例2
本实施例，结合图3所示，提供一种用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的方法，利用实施例1所述的测量装置，所述方法包括：
信号处理模块10对平衡光电探测器模块9发送的信号进行实时解算得出信噪比，并与先前的连续的两个控制拍得到的信噪比进行比较计算，判断信噪比是否达到最大；
若连续3个控制拍中的第二控制拍信噪比不是最大，信号处理模块10提供正反馈电压或负反馈电压给可变光衰减器模块7，直至第二控制拍信噪比最大，第二控制拍对应的控制参数为最佳。
结合图1，一个控制拍定义为从信号处理模块10将给定反馈电压信号加载到可变光衰减器模块7到信号处理模块10对平衡光电探测器模块9发送的信号进行解算得到信噪比，并与存储的先前的连续的两个控制拍得到的信噪比进行比较，计算出反馈电压信号的一个完整过程。
本实施例，如图3所示，首先采集并提取脉冲数据，设定加载到可变光衰减器上的初始电压为V0，信噪比阈值Ts，当计算信噪比Sn<Ts时，停止调整本振光功率，否则计算并存储先前的连续的两个控制拍得到的信噪比，计算本控制拍的信噪比Sn；若量Sn<Sn-1且Sn-1>Sn-2时，停止调整本振光功率，否则若Sn>Sn-1，设定电压调整方向系数K＝1；若Sn<Sn-1，设定电压调整方向系数K＝-1，计算电压调整量K×ΔV，并计算加载到可变光衰减器上的电压V＝V0+Σ(K×ΔV)，调节可变光衰减器电压。ΔV取值为0.1～0.5。由此形成本振光功率闭环控制，达到实时调整本振光功率大小的目的，使系统工作在最佳信噪比状态。
具体地，用于提高相干测速系统信噪比的方法为：平衡光电探测器9输出的外差信号经信号处理模块10采样后，通过一定的方法实时计算出系统信噪比，根据一定的控制算法流程计算反馈量大小；通过改变可变光衰减器7驱动电压，改变本振光功率，从而改变系统信噪比，如此循环迭代，直至系统信噪比最大。
进一步地，本实施例，提供互相关法和频谱分析法两种计算系统信噪比的方法，达到实时准确计算系统信噪比的目的。互相关法指取N个脉冲采集数据，将各脉冲数据做自相关运算并求其零点值，该零点值即为自相关运算最大值，将相邻脉冲采集数据做互相关运算并求最大值，根据下面公式计算系统的信噪比。
Figure BDA0003121461920000091
式中，Qi,i+1为相邻脉冲数据的互相关运算最大值，Qi,i(0)为各脉冲数据自相关运算零点值。
频谱分析法指取M(M≥1)个脉冲采集数据，分别计算各脉冲信号的频谱，对频谱取模值后求平方得到功率谱，将M个功率谱相累加得到最终的功率谱，如图2所示，fL为信号的最低截至频率，fH为信号的最高截至频率，fC为测量带宽，|X(f)|2表示功率谱密度(PSD)，将fL～fH间的功率谱密度值相累加视为信号功率，将整个功率谱密度相雷加并减去信号功率视为噪声功率，利用下面公式计算信噪比。
Figure BDA0003121461920000092

Claims (10)

1.一种用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置，其特征在于，所述装置包括：依次光纤连接的种子激光器(1)、第一分束器(2)、声光调制器(3)、光纤放大器模块(4)、环形器模块(5)和光学天线模块(6)；
第一分束器(2)与可变光衰减器模块(7)、耦合器模块(8)、平衡光电探测器模块(9)依次光纤连接；环形器模块(5)与耦合器模块(8)光纤连接；平衡光电探测器模块(9)和信号处理模块(10)电连接；
信号处理模块(10)与可变光衰减器模块(7)电连接；给定反馈电压信号，信号处理模块(10)将所述给定反馈电压信号实时加载到可变光衰减器模块(7)，以改变可变光衰减器模块(7)的插入损耗。
2.根据权利要求1所述的用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置，其特征在于，所述给定反馈电压信号为：根据本控制拍信号处理模块(10)对平衡光电探测器模块(9)发送的信号进行解算得到的信噪比，与先前的连续的两个控制拍信号处理模块(10)解算得到的信噪比进行比较计算得到的比较值，并选择正反馈电压、负反馈电压或0对可变光衰减器模块(7)进行电压调整；正反馈电压的取值为0.1～0.5V，负反馈电压-0.1～-0.5V。
3.根据权利要求1所述的用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置，其特征在于，环形器模块(5)包括一个环形器、光学天线模块(6)包括一个光学天线、耦合器模块(8)包括一个耦合器、可变光衰减器模块(7)包括一个可变光衰减器、平衡光电探测器模块(9)包括一个平衡光电探测器。
4.根据权利要求1所述的用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置，其特征在于，所述装置还包括第二分束器；
环形器模块(5)包括多个环形器、光学天线模块(6)包括多个光学天线、耦合器模块(8)包括多个耦合器、可变光衰减器模块(7)包括多个可变光衰减器、平衡光电探测器模块(9)包括多个平衡光电探测器；光纤放大器模块(4)包括多个光纤放大器；
第一分束器(2)的本振光经第二分束器后分为多路本振光信号，并分别进入多个可变光衰减器；
多个可变光衰减器、多个耦合器、多个平衡光电探测器依次一一对应连接；
多个光纤放大器与多个环形器、多个光学天线依次一一对应连接；
多个环形器与多个耦合器一一对应连接。
5.根据权利要求4所述的用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置，其特征在于，光纤放大器模块(4)包括一个光纤放大器和第三分束器；
第三分束器分别与多个环形器、光纤放大器连接。
6.根据权利要求4所述的用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置，其特征在于，光纤放大器模块(4)包括第四分束器和多个光纤放大器；
第四分束器分别与声光调制器(3)、多个光纤放大器连接；多个光纤放大器与多个环形器一一对应连接。
7.根据权利要求4所述的用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置，其特征在于，光纤放大器模块(4)为多级光纤放大器；两级光纤放大器之间连接有第五分束器。
8.根据权利要求4所述的用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置，其特征在于，光学天线模块(6)包括一个可以同时发射和接收多个不同视场角激光信号的光学天线；该光学天线与多个环形器连接。
9.一种用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的方法，利用权利要求1至7任一项所述的测量装置，其特征在于，所述方法包括：
信号处理模块(10)对平衡光电探测器模块(9)发送的信号进行实时解算得出信噪比，并与设定的信噪比阈值Ts进行比较，若信噪比小于阈值，信号处理模块(10)不向可变光衰减器模块(7)提供反馈电压；
若信噪比大于阈值，则将本控制拍得到的信噪比与先前存储的连续两个控制拍得到的信噪比进行比较计算，判断信噪比是否达到最大；
若连续3个控制拍中第二控制拍得到的信噪比不是最大，信号处理模块(10)提供正反馈电压或负反馈电压给可变光衰减器模块(7)，直至连续3个控制拍中第二控制拍得到的信噪比最大，第二控制拍对应的可变光衰减器模块(7)加载电压为最佳。
10.根据权利要求9所述的用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的方法，其特征在于，
设定加载到可变光衰减器上的初始电压为V0，设定连续3个控制拍内信号处理模块(10)解算得到的信噪比分别为Sn-2、Sn-1和Sn，n表示第n个控制拍；
若Sn>Sn-1，设定电压调整方向系数K＝1，若Sn<Sn-1，设定电压调整方向系数K＝-1，单次反馈对应的调整电压为K×ΔV；
直至Sn<Sn-1且Sn-1>Sn-2时，最终加载到可变光衰减器上的最佳电压V＝V0+Σ(K×ΔV)，ΔV为电压调整间隔。
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