CN115932313A - 一种噪声自校正激光多普勒测速系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种噪声自校正激光多普勒测速系统及方法，包括：激光器，用于输出连续激光；分光镜，用于将连续激光分为参考光束与测量光束，并反射与所述测量光束方向相反的散射光；斩波器，用于使测量光束周期性的照射在斩波器与待测运动表面上；光电探测器，用于将基底噪声信号或参考光束与散射光产生的拍频信号转化为电信号；信号处理组件，用于对电信号进行速度解算，得到待测运动表面的速度。本发明应用于激光和精密测量领域，在激光多普勒测速仪的出射光路上增加斩波器，实现对基底噪声和多普勒信号的循环测量，通过将基底噪声的信息实时反馈给信号处理组件，实现噪声自校正，有利于多普勒信号质量判定及多普勒频率识别。

Description

一种噪声自校正激光多普勒测速系统及方法

技术领域

本发明涉及激光和精密测量技术领域，具体是一种噪声自校正激光多普勒测速系统及方法。

背景技术

激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter,LDV)具有测速精度高、无接触测量、空间分辨率高等众多优点，被广泛用于流体速度测量、固体表面振动测量、位移测量以及车载组合导航等应用中，而激光多普勒信号的质量直接决定了测速仪获取速度的准确性。为了对多普勒信号的质量进行判定以及准确识别多普勒频率需要获取多普勒信号以及基底噪声。传统的激光多普勒测速系统主要包括光路探测系统及信号处理系统，如图1所示。其测速流程为：在测速开始前被测速度为0，此时对激光多普勒测速仪进行自校准从而得到激光多普勒测速仪的基底噪声，将此基底噪声作为后续测速过程的基底噪声。当开始测速后，由参考光和运动表面的散射信号光产生的拍频信号经过探测器后转换为电信号输入到信号处理系统中，经过前置放大器和滤波器后进行AD转换。将自校准阶段得到的基底噪声与AD转换得到的多普勒信号输入到多普勒信号解算模块进行多普勒信号质量判定及速度解算。由于光路探测系统光源为连续光，在多普勒信号解算过程中，经AD采集得到的数据暂存于寄存器中，待多普勒信号解算系统完成当前数据解算后再从寄存器中提取数据进行下一帧的解算。该测速流程中采用的基底噪声为自校准阶段的基底噪声，如果在测速过程中遭遇外界干扰，例如电磁环境变化、运动表面散射率改变等，将会导致基底噪声发生改变。如果此时仍然采用自校准阶段的基底噪声进行信号质量判定将得到错误的结果，甚至导致错误的多普勒频率识别结果，最终使测速仪速度准确性下降或得到错误的速度信息。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种噪声自校正激光多普勒测速系统及方法，在激光多普勒测速仪的出射光路上增加斩波器，实现对基底噪声和多普勒信号的循环测量，通过将基底噪声的信息实时反馈给信号处理组件，实现噪声自校正，有利于多普勒信号质量判定及多普勒频率识别。

为实现上述目的，本发明提供一种噪声自校正激光多普勒测速系统，包括：

激光器，用于输出连续激光；

分光镜，位于所述激光器的输出光路上，用于将所述连续激光分为参考光束与测量光束，并反射与所述测量光束方向相反的散射光；

斩波器，位于所述分光镜与待测运动表面之间，且所述斩波器位于所述测量光束的光路上，以使得所述测量光束周期性的照射在所述斩波器与待测运动表面上；

光电探测器，位于所述参考光束以及所述散射光的光路上，用于将基底噪声信号或所述参考光束与所述散射光产生的拍频信号转化为电信号；

信号处理组件，与所述光电探测器电连接，用于对所述电信号进行速度解算，得到待测运动表面的速度。

在其中一个实施例，所述斩波器包括驱动件与遮挡件；

所述驱动件与所述遮挡件相连，以驱动所述遮挡件进行位移和/或转动，且所述遮挡件在位移和/或转动的过程中周期性的遮挡所述测量光束。

在其中一个实施例，噪声自校正激光多普勒测速系统还包括反射镜；

在所述连续激光中，透过所述分光镜的部分光束为所述测量光束，被所述分光镜反射的部分光束为所述参考光束；

所述反射镜、所述分光镜、所述光电探测器呈直线依次间隔设置，以使得所述参考光束被所述反射镜反射后穿过所述分光镜，再被所述光电探测器接收。

在其中一个实施例，所述反射镜与所述分光镜之间设有衰减片。

在其中一个实施例，噪声自校正激光多普勒测速系统还包括第一光阑，所述第一光阑位于所述测量光束光路上。

在其中一个实施例，所述激光器与所述分光镜之间设有准直镜组。

在其中一个实施例，噪声自校正激光多普勒测速系统还包括滤光片与第二光阑；

所述分光镜、所述滤光片、所述第二光阑与所述光电探测器呈直线依次间隔设置。

在其中一个实施例，所述信号处理组件包括：

前置放大器，与所述光电探测器电连接，用于接收所述基底噪声信号或所述拍频信号；

滤波器，与所述前置放大器电连接，用于对所述基底噪声信号或所述拍频信号进行滤波处理；

AD采集单元，与所述滤波器电连接，用于采集所述基底噪声信号或所述拍频信号；

寄存器，与所述AD采集单元电连接，用于暂存经所述AD采集单元采集的所述基底噪声信号或所述拍频信号；

基底噪声解算单元，与所述寄存器电连接，用于根据所述寄存器暂存的所述基底噪声信号进行基底噪声解算，得到基底噪声的幅值分布；

多普勒信号解算单元，与所述寄存器、所述基底噪声解算单元电连接，用于根据所述寄存器暂存的所述拍频信号以及所述基底噪声解算单元解算的基底噪声进行多普勒信号解算，得到多普勒信号，并基于所述多普勒信号得到待测运动表面的速度。

在其中一个实施例，所述AD采集单元的采集模式包括基底噪声采集模式与多普勒信号采集模式；

所述信号处理组件还包括AD采集控制单元，所述AD采集控制单元分别与所述斩波器、所述AD采集单元电连接，以根据所述斩波器的运行状态控制所述AD采集单元进行采集模式的切换。

为实现上述目的，本发明还提供一种噪声自校正激光多普勒测速方法，采用上述的噪声自校正激光多普勒测速系统测试待测运动表面的速度。

本发明具有如下有益技术效果：

1.本发明通过斩波器控制激光多普勒测速仪出射光束的透过和遮挡，可以对激光多普勒测速仪的基底噪声和多普勒信号进行循环测量；

2.本发明通过将基底噪声的信息实时反馈给信号处理组件，实现噪声自校正，可以减小基底噪声改变对信号质量和速度解算精度的影响，即减小外界环境干扰对信号质量和速度解算精度的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为传统的激光多普勒测速系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中噪声自校正激光多普勒测速系统的结构示意图；

图3为本发明实施例中遮挡件的结构示意图。

附图标号：激光器1、分光镜2、斩波器3、驱动件301、遮挡件302、遮光区域303、透光区域304、光电探测器4、准直镜组5、反射镜6、衰减片7、第一光阑8、滤光片9、第二光阑10、信号处理组件11、前置放大器1101、滤波器1102、AD采集单元1103、寄存器1104、多普勒信号解算单元1105、基底噪声解算单元1106、AD采集控制单元1107、待测运动表面12。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

如图2所示为本实施例公开的一种噪声自校正激光多普勒测速系统，其包括包括激光器1、分光镜2、斩波器3、光电探测器4、准直镜组5、反射镜6、衰减片7、第一光阑8、滤光片9、第二光阑10与信号处理组件11。其中，光电探测器4与信号处理组件11电连接，激光器1、准直镜组5、分光镜2、斩波器3、第一光阑8以及待测运动表面12沿第一直线依次间隔分布，且激光器1的出射方向沿第一直线且与分光镜2之间呈45°夹角，激光器1的出射方向与待测运动表面12之间的夹角为θ，且θ≠90°。反射镜6、衰减片7、分光镜2、滤光片9、第二光阑10与光电探测器4沿第二直线依次间隔分布，且反射镜6与分光镜2之间呈45°夹角，第一直线与第二直线在分光镜2上相交且垂直。其中，测速仪的基本结构为迈克尔逊干涉仪，激光器1为单纵模固体激光器。准直镜组5可以由一凸透镜与一凹透镜组成，也可以由多个透镜组成。

值得注意的是，在具体用于过程中，激光器1的出射方向与分光镜2之间的夹角并不局限于45°，也可以是30°、60°等其它非90°的夹角。反射镜6与分光镜2之间的夹角并不局限于45°，反射镜6只需满足与参考光束方向垂直即可。第一直线与第二直线也不局限于垂直。

本实施例中，斩波器3包括驱动件301与遮挡件302。驱动件301与遮挡件302相连，在驱动件301的驱动下，遮挡件302可进行位移和/或转动，且遮挡件302在位移和/或转动的过程中周期性的遮挡测量光束。

本实施例中，信号处理组件11包括前置放大器1101、滤波器1102、AD采集单元1103、寄存器1104、基底噪声解算单元1106、多普勒信号解算单元1105与AD采集控制单元1107。具体地：

前置放大器1101与光电探测器4电连接，用于接收光电探测器4输出的基底噪声信号或拍频信号并进行放大处理；

滤波器1102与前置放大器1101电连接，用于对前置放大器1101输出的基底噪声信号或拍频信号进行滤波处理；

AD采集单元1103与滤波器1102电连接，AD采集单元1103的采集模式包括基底噪声采集模式与多普勒信号采集模式，分别用于采集滤波器1102输出的基底噪声信号或拍频信号；

寄存器1104与AD采集单元1103电连接，用于暂存经AD采集单元1103采集的基底噪声信号或拍频信号；

基底噪声解算单元1106与寄存器1104电连接，用于根据寄存器1104暂存的基底噪声信号进行基底噪声解算，得到基底噪声的幅值分布；

多普勒信号解算单元1105分别与寄存器1104、基底噪声解算单元1106电连接，用于根据寄存器1104暂存的拍频信号以及基底噪声解算单元1106解算的基底噪声进行多普勒信号解算，得到多普勒信号，并基于多普勒信号得到待测运动表面12的速度。

AD采集控制单元1107分别与斩波器3、AD采集单元1103电连接，以根据斩波器3的运行状态控制AD采集单元1103进行采集模式的切换，实现基底噪声信号或拍频信号的采集。

本实施例中测速系统的工作过程为：

激光器1沿第一直线的方向输出连续激光，连续激光经由准直镜组5提升准直度后照射在分光镜2上，被分光镜2分束为参考光束与测量光束，其中，透过分光镜2的部分光束为测量光束，被分光镜2反射的部分光束为参考光束；

对于参考光束，被分光镜2反射后沿第二直线的反方向射上衰减片7与反射镜6，随着被反射镜6反射后又沿第二直线的方向依次穿过衰减片7、分光镜2、滤光片9和第二光阑10后照射在光电探测器4的探测面上；

对于测量光束，由于斩波器3可周期性的阻挡测量光束，因此测量光束具有两种情况，分别为：

当斩波器3阻挡测量光束时，测量光束沿第一直线的方向直接照射在斩波器3上，被斩波器3反射后沿第一直线反方向的散射光经由分光镜2反射后依次穿过滤光片9和第二光阑10后，最后落在光电探测器4的探测面上，此时由于测量光束与斩波器3的平面垂直，因此光电探测器4的探测面上的参考光束与测量光束反射光不会产生拍频信号，此时探测器接收到的即为基底噪声信号，将基底噪声信号转换为电信号后输入信号处理组件11即可解算得到基底噪声的幅值。其中，解算基底噪声的具体实施过程为本领域的常规手段，因此本实施例不再对其赘述。

当斩波器3未阻挡测量光束时，测量光束沿第一直线的方向穿过斩波器3、第一光阑8后以角度θ入射到待测运动表面12上，待测运动表面12的漫反射将产生沿各个方向的散射光，其中第一直线反方向的散射光经由分光镜2反射后，经滤光片9滤除杂散光，再经过第二光阑10后落在光电探测器4的探测面上。根据多普勒效应可知，运动粒子的散射将引起入射光的频率改变。因此，参考光和信号光在探测器表面产生拍频信号，将拍频信号转换为电信号后输入信号处理组件11，结合上一次解算得到的基底噪声，即能解算得到拍频信号的多普勒频率f_D，拍频信号的多普勒频率正比于待测运动表面12的速度大小，即：

因此运动表面的速度可以表示为：

式中，K_D为比例因子，V为待测运动表面12的运行速度，λ为入射光波长，θ为入射光方向与速度方向的夹角。

本实施例在传统激光多普勒测速仪的出射光路中增加斩波器3，斩波器3由驱动件301与遮挡件302组成，驱动件301与AD采集控制单元1107电连接。遮挡件302在驱动件301的驱动下以角速度ω进行旋转，从而控制测量光束的通断，同时驱动件301输出控制信号到AD采集控制单元1107对AD采集单元1103的采集模式进行设置。参考图2，本实施例中的信号处理过程为：

在t1-t2时间段内测量光束被遮挡件302阻挡，驱动件301输出一个下降沿信号，此时被测速度为0，光电探测器4得到基底噪声。AD采集控制单元1107根据接收到的下降沿信号将AD采集单元1103设置为基底噪声采集模式。基底噪声经过放大滤波后进行AD采集后存放于寄存器1104中，再由基底噪声解算单元1106得到基底噪声的幅值分布M，将其反馈给多普勒信号解算单元1105，用于下一时刻多普勒信号质量判定及速度解算，其中，基底噪声流向如图2中虚线箭头所示。

在t2-t3时间段内，测量光束通过遮挡件302入射到运动表面上，此时驱动件301输出一个上升沿信号，光电探测器4得到参考光束和散射光束产生的拍频信号。AD采集控制单元1107根据接收到的上升沿信号将AD采集单元1103设置为多普勒信号采集模式。光电探测器4得到的拍频信号经过放大滤波后进行数据采集后存放于寄存器1104中，然后由多普勒信号解算单元1105进行傅里叶变换等运算得到多普勒信号S，根据上一时间段内基底噪声解算单元1106反馈的基底噪声的幅值分布M和当前得到的多普勒信号S对信号质量进行判定和多普勒频率识别，然后进行速度信息解算。其中，拍频信号流向如图2中实线箭头所示。在具体应用过程中，对信号质量进行判定的过程为计算多普勒信号的频谱幅值与基底噪声的幅值比，当满足阈值时则进行后续的速度计算与输出，否则不输出速度。

在下一时间段内，测量光束又重新被斩波器3阻断，再次对基底噪声进行解算并将其反馈给多普勒信号解算单元1105。如此循环往复，实现测速过程中的噪声自校正，避免了信号质量判定及多普勒频率识别受到外界干扰的影响。

参考图3为遮挡件302的一种实施方式，在该方式方式下，遮挡件302等分为若干个部分，其中黑色区域为遮光区域303，白色区域为透光区域304。此时驱动件301为电机，用于驱动遮挡件302旋转。当遮挡件302旋转时，测量光束照射到遮挡件302的位置如图3中圆形虚线所示。假设信号处理组件11中AD采样频率为f_s，用于每一帧基底噪声解算和多普勒信号解算的数据点数为N，则采样时间T_s为：

因此，斩波器3的透光时间和遮光时间应满足：

其中，r为图3中圆形虚线的半径，s为测量光束在每一个透光区域304和遮光区域303所走过的弧长，α为每一个透光区域304和遮光区域303所对应的弧度，ω为斩波器3的旋转角速度。因此遮挡件302的设计应满足：

按照上述参数设计遮挡件302，并在驱动件301的控制下以角速度ω进行旋转实现对测量光束的通断控制，即能依次间隔得到基底噪声信号与拍频信号。在速度解算时，先解算得到基底噪声的幅值分布，再将该基底噪声的幅值分布用于下一次采集的拍频信号解算，如此循环往复，实现测速过程中的噪声自校正，避免了信号质量判定及多普勒频率识别受到外界干扰的影响。

值得注意的是，虽然本实施例中的遮挡件302是通过旋转实现对测量光束的通断控制，但在具体应用过程中并不局限于次，也可以是通过移动的方式实现。例如直接采用一挡板作为遮挡件302，采用伸缩缸作为驱动件301，在伸缩杆的驱动下使得遮挡件302做直线往复运动，同样也能实现对测量光束进行通断控制的效果。

实施例2

本实施例公开了一种噪声自校正激光多普勒测速方法，采用实施例1中的噪声自校正激光多普勒测速系统，其测速过程为：

当激光器1启动后，启动驱动件301驱动遮挡件302使得遮挡件302旋转，控制遮挡件302的转速，使得遮挡件302的周期性的遮挡测量光束，一个周期为t1-t3时段，其中，在t1-t2时段内测量光束被遮挡件302阻挡，在t2-t3时段内测量光束通过遮挡件302入射到运动表面；

在t1-t2时间段内，驱动件301输出一个下降沿信号，此时被测速度为0，光电探测器4得到基底噪声；AD采集控制单元1107根据接收到的下降沿信号将AD采集单元1103设置为基底噪声采集模式，基底噪声经过放大滤波后进行AD采集后存放于寄存器1104中，再由基底噪声解算单元1106得到基底噪声的幅值分布M，将其反馈给多普勒信号解算单元1105，用于下一时刻多普勒信号质量判定及速度解算；

在t2-t3时间段内，驱动件301输出一个上升沿信号，光电探测器4得到参考光束和散射光束产生的拍频信号；AD采集控制单元1107根据接收到的上升沿信号将AD采集单元1103设置为多普勒信号采集模式，光电探测器4得到的拍频信号经过放大滤波后进行数据采集后存放于寄存器1104中，然后由多普勒信号解算单元1105进行傅里叶变换等运算得到多普勒信号S，根据上一时间段内基底噪声解算单元1106反馈的基底噪声的幅值分布M和当前得到的多普勒信号S对信号质量进行判定和多普勒频率识别，然后进行速度信息解算；

在下一个t1-t3时间段内，测量光束又重新被斩波器3阻断，再次对基底噪声进行解算并将其反馈给多普勒信号解算单元1105；如此循环往复，实现测速过程中的噪声自校正，避免了信号质量判定及多普勒频率识别受到外界干扰的影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种噪声自校正激光多普勒测速系统，其特征在于，包括：

激光器，用于输出连续激光；

分光镜，位于所述激光器的输出光路上，用于将所述连续激光分为参考光束与测量光束，并反射与所述测量光束方向相反的散射光；

斩波器，位于所述分光镜与待测运动表面之间，且所述斩波器位于所述测量光束的光路上，以使得所述测量光束周期性的照射在所述斩波器与待测运动表面上；

光电探测器，位于所述参考光束以及所述散射光的光路上，用于将基底噪声信号或所述参考光束与所述散射光产生的拍频信号转化为电信号；

信号处理组件，与所述光电探测器电连接，用于对所述电信号进行速度解算，得到待测运动表面的速度。

2.根据权利要求1所述的噪声自校正激光多普勒测速系统，其特征在于，所述斩波器包括驱动件与遮挡件；

所述驱动件与所述遮挡件相连，以驱动所述遮挡件进行位移和/或转动，且所述遮挡件在位移和/或转动的过程中周期性的遮挡所述测量光束。

3.根据权利要求1或2所述的噪声自校正激光多普勒测速系统，其特征在于，还包括反射镜；

在所述连续激光中，透过所述分光镜的部分光束为所述测量光束，被所述分光镜反射的部分光束为所述参考光束；

所述反射镜、所述分光镜、所述光电探测器呈直线依次间隔设置，以使得所述参考光束被所述反射镜反射后穿过所述分光镜，再被所述光电探测器接收。

4.根据权利要求3所述的噪声自校正激光多普勒测速系统，其特征在于，所述反射镜与所述分光镜之间设有衰减片。

5.根据权利要求1或2所述的噪声自校正激光多普勒测速系统，其特征在于，还包括第一光阑，所述第一光阑位于所述测量光束光路上。

6.根据权利要求1或2所述的噪声自校正激光多普勒测速系统，其特征在于，所述激光器与所述分光镜之间设有准直镜组。

7.根据权利要求1或2所述的噪声自校正激光多普勒测速系统，其特征在于，还包括滤光片与第二光阑；

所述分光镜、所述滤光片、所述第二光阑与所述光电探测器呈直线依次间隔设置。

8.根据权利要求1或2所述的噪声自校正激光多普勒测速系统，其特征在于，所述信号处理组件包括：

前置放大器，与所述光电探测器电连接，用于接收所述基底噪声信号或所述拍频信号；

滤波器，与所述前置放大器电连接，用于对所述基底噪声信号或所述拍频信号进行滤波处理；

AD采集单元，与所述滤波器电连接，用于采集所述基底噪声信号或所述拍频信号；

寄存器，与所述AD采集单元电连接，用于暂存经所述AD采集单元采集的所述基底噪声信号或所述拍频信号；

基底噪声解算单元，与所述寄存器电连接，用于根据所述寄存器暂存的所述基底噪声信号进行基底噪声解算，得到基底噪声的幅值分布；

多普勒信号解算单元，与所述寄存器、所述基底噪声解算单元电连接，用于根据所述寄存器暂存的所述拍频信号以及所述基底噪声解算单元解算的基底噪声进行多普勒信号解算，得到多普勒信号，并基于所述多普勒信号得到待测运动表面的速度。

9.根据权利要求8所述的噪声自校正激光多普勒测速系统，其特征在于，所述AD采集单元的采集模式包括基底噪声采集模式与多普勒信号采集模式；

所述信号处理组件还包括AD采集控制单元，所述AD采集控制单元分别与所述斩波器、所述AD采集单元电连接，以根据所述斩波器的运行状态控制所述AD采集单元进行采集模式的切换。

10.一种噪声自校正激光多普勒测速方法，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的噪声自校正激光多普勒测速系统测试待测运动表面的速度。

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