CN116660921A - 一种双环路的激光多普勒测速方法及系统 - Google Patents

一种双环路的激光多普勒测速方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双环路的激光多普勒测速方法及系统，该方法包括：先将入射激光分束为信号光和参考光；再将信号光分束为出射方向平行的第一信号光与第二信号光，使第一信号光与第二信号光照射至被测运动物体表面，并将原路返回的两路散射光合为一路；同时调制参考光后，将参考光分束为两路并与散射光一起分别照射在第一探测器与第二探测器的光敏面上，产生两路拍频信号；最后将第一探测器与第二探测器分别连接差分放大器的正负输入端，得到高信噪比的信号，再通过信号处理解算实现运动物体速度大小和方向同时测量。本发明应用于光学测量技术领域，可有效提高光能利用率，解决了现有激光测速仪不能进行方向辨别和光能利用率低的问题。

Description

一种双环路的激光多普勒测速方法及系统
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体是一种双环路的激光多普勒测速方法及系统。
背景技术
激光多普勒测速技术是基于多普勒效应，利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息的。作为一种新型速度传感器，其具有非接触测量、精度高、空间分辨率高、动态响应快等优点，在航空航天、医疗监测、工业测量等领域得到了广泛的应用。
但是由于大小相等、方向相反的运动粒子产生的多普勒频移是相同的，所以传统的激光测速仪无法辨别物体的运动方向。为了解决这一问题，常采用光学移频技术，在光路中加入移频器件进行移频，从而进行速度方向的辨别。但是加入移频器件的光路，因为分光镜的增多，分走大量的测量光，造成光能的利用率较低。对于散射光较弱的测量物体，测速系统的信噪比大幅下降。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种双环路的激光多普勒测速方法及系统，可有效提高光能利用率，解决了现有激光测速仪不能进行方向辨别和光能利用率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种双环路的激光多普勒测速方法，包括如下步骤：
基于第一分光结构将入射激光分束为信号光和参考光；
基于第二分光结构与反射结构将所述信号光分束为出射方向平行的第一信号光与第二信号光；
将所述第一信号光与所述第二信号光照射至被测运动物体表面，并基于所述第二分光结构将原路返回的两路散射光合为一路，再基于第三分光结构将合为一路后的散射光分束为两路并分别照射在第一探测器与第二探测器的光敏面上；
基于声光移频器调制所述参考光，再基于第三分光结构将所述参考光分束为两路并分别照射在所述第一探测器与所述第二探测器的光敏面上，使所述第一探测器与所述第二探测器的光敏面均产生拍频信号；
将所述第一探测器与所述第二探测器分别连接差分放大器的正负输入端，得到高信噪比的信号，经过信号处理解算，实现运动物体速度大小和方向同时测量。
在其中一个实施例，所述第一探测器与所述第二探测器对称设置在所述第三分光结构的两侧，且所述第一探测器与所述第二探测器接收到的拍频信号相位相差π。
在其中一个实施例，基于声光移频器调制所述参考光时，所述参考光以布拉格角入射到声光移频器表面。
在其中一个实施例，基于声光移频器调制所述参考光后，将所述参考光穿过光阑后再照射在所述第三分光结构上，以用于选择所需要的一级衍射光。
在其中一个实施例，所述第一分光结构的分光比为95:5-70:30。
为实现上述目的，本发明还提供一种双环路的激光多普勒测速系统，采用上述的方法实现运动物体速度大小和方向同时测量；
所述激光多普勒测速系统包括：
激光器，用于产生入射激光；
第一分光结构，位于所述入射激光的光路上，用于将所述入射激光分束为信号光和参考光；
第二分光结构，位于所述信号光的光路上，用于将所述信号光分束为透射光与反射光，并同于将原路返回的两路散射光合为一路，其中，所述透射光即为所述第一信号光；
反射结构，位于所述反射光的光路上，用于将所述反射光反射至与所述透射光出射方向平行，其中，所述反射光即为所述第二信号光；
声光移频器，位于所述参考光的光路上，用于调制参考光；
第三分光结构，位于所述声光移频器的输出光路上，且位于合为一路后的散射光光路上，用于分别将参考光、合为一路后的散射光分束为两路并分别照射在第一探测器与第二探测器的光敏面上；
第一探测器，位于所述第三分光结构的透射方向上，用于接收一路参考光与散射光，并产生拍频信号；
第二探测器，位于所述第三分光结构的反射方向上，用于接收另一路参考光与散射光，并产生拍频信号；
差分放大器，具有正输入端与负输入端，正输入端连接所述第一探测器，负输入端连接所述第二探测器，用于得到高信噪比的信号，并经过信号处理解算的被测运动物体的速度大小和方向。
在其中一个实施例，所述激光多普勒测速系统还包括光阑，所述光阑位于所述声光移频器与所述第三分光结构之间。
在其中一个实施例，所述反射结构包括第一平面全反射镜、第二平面全反射镜与第三平面全反射镜；
所述第一平面全反射镜、所述第二平面全反射镜、所述第三平面全反射镜与所述第二分光结构成矩形分布。
在其中一个实施例，所述激光多普勒测速系统还包括第四平面全反射镜，所述第四平面全反射镜位于所述第一分光结构与所述声光移频器之间。
与现有技术相比，本发明的具有如下有益技术效果：
1、本发明采用马增干涉仪结构，基于光学移频技术，利用声光移频器进行频率调制，并根据输出信号的频率相对于偏置频率的变化，实现运动物体速度大小和方向的测量；
2、本发明通过增加反射结构，改变原来无用反射光的传播方向，使其变成测量光，可有效提高光能利用率；
3、本发明采用了平衡探测法进行信号的测量，能够有效增强信号的幅值大小，提升测量精度。
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为本发明实施例中双环路的激光多普勒测速系统的结构示意图。
附图标号：单频固体激光器1、第一分光结构2、第二分光结构3、第四平面全反射镜4、声光移频器5、光阑6、第三分光结构7、第一平面全反射镜8、第二平面全反射镜9、第三平面全反射镜10、被测运动物体11、第一探测器12、第二探测器13、差分放大器14。
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。
如图1所示为本实施例公开的一种双环路的激光多普勒测速系统，其主要包括单频固体激光器1、第一分光结构2、第二分光结构3、反射结构、第四平面全反射镜4、声光移频器5、光阑6、第三分光结构7、第一探测器12、第二探测器13与差分放大器14。其中，反射结构包括第一平面全反射镜8、第二平面全反射镜9与第三平面全反射镜10。
具体地，单频固体激光器1、第一分光结构2、第二分光结构3与被测运动物体11表面沿第一方向依次间隔设置，第四平面全反射镜4、声光移频器5、光阑6、第三分光结构7沿第二方向依次间隔设置。第一方向与第二方向平行，且第四平面全反射镜4位于第一分光结构2的反射方向上，第一分光结构2、第二分光结构3、第三分光结构7与第四平面全反射镜4呈矩形结构分布，第一平面全反射镜8、第二平面全反射镜9、第三平面全反射镜10与第二分光结构3呈矩形结构分布。第一探测器12位于第三分光结构7的透射方向上，第二探测器13位于第三分光结构7的反射方向上，差分放大器14具有正输入端与负输入端，且差分放大器14的正输入端与第一探测器12电连接，差分放大器14的负输入端与第二探测器13电连接。
在具体实施过程中，第一分光结构2、第二分光结构3与第三分光结构7均可采用分光镜，也可采用其它分光器件。
本实施例中双环路的激光多普勒测速系统的具体工作过程为：
单频固体激光器1射出频率为f0的光束，被第一分光结构2分成两束光。一束作为参考光经第四平面全反射镜4入射到声光移频器5中进行调制，调制频率为fs。在布拉格衍射条件下，参考光经过声光移频器5后，各高级次衍射光相互抵消，只出现零级和一级衍射光，从而获得较高的衍射效率。再用光阑6选择一级衍射光，即频率为f0+fs的光，该光束经过第三分光结构7后入射到第一探测器12和第二探测器13上，这束光为参考光。另一束作为信号光透过第一分光结构2后入射到第二分光结构3上，分成透射和反射的两束光，其中透射光直接入射到被测运动物体11上，反射光依次经过第一平面全反射镜8、第二平面全反射镜9与第三平面全反射镜10后也入射到被测运动物体11上。入射到被测运动物体11的两束光经被测运动物体11的散射，各个方向均有散射光，其中沿着原方向返回的两路散射光，经过第二分光结构3后合为一束。又经第三分光结构7后入射到第一探测器12和第二探测器13上，这束光为信号光。信号光与参考光在第一探测器12的光敏面上发生外差干涉得到光电流i1，在第二探测器13的光敏面上外差干涉得到光电流i2，两者分别连接差分放大器14的正输入端与负输入端，则差分放大器14的输出高信噪比的信号，即为光电流的差分电流信号。该差分电流信号经过后续的信号处理电路便可计算出其对应的频率值，从而解算出被测运动物体11运动速度的大小和方向。
本实施例中激光多普勒测速系统光路结构的多普勒频率与运动速度的关系为：
其中，V表示被测运动物体11的速度，θ为信号光与被测运动物体11表面运动方向的夹角，λ为激光波长。
假设入射到第一探测器12与第二探测器13上的参考光和信号光的电场表达式分别为：
其中，E1和E2分别为参考光和信号光的振幅，fs为声光移频器5的调制频率，fD为多普勒频率，和/>分别为参考光和信号光的初始相位。第一探测器12与第二探测器13的输出电流i(t)正比于光场振幅的平方，忽略高频项，则：
其中，B为与探测器本身有关的常数。
根据该信号频率fs-fD相对于调制频率fs是增还是减，便可确定被测运动物体11的运动方向，即若规定(fS-fD)-fS＞0时被测物体11速度方向为正方向，则(fS-fD)-fS＜0时被测物体11速度方向为负方向。再通过提取该信号中的多普勒频率fD，便可求出被测运动物体11的速度大小。
本实施例中为了实现方向辨别的功能，相较于传统的激光测速仪增加了两个分光镜，构成马赫-曾德尔环形结构，在进行探测时仅用到了光束的一部分，光能没有得到充分的利用。为了解决这一问题，本实施例在第二分光结构3的反射光路上，增加了第一平面全反射镜8、第二平面全反射镜9与第三平面全反射镜10，构成第二个环路，从而将原来浪费掉的反射光也变成探测光。
设被测运动物体11的平均散射系数为β，第二分光结构3的反射率为r3，透射率为t3，吸收率为零，则r3+t3＝1。同理设第三分光结构7的反射率为r7，透射率为t7，r7+t7＝1。那么第一探测器12接收到的散射光信号PS1为：
PS1＝(P0r3βt3+P0t3βr3)r7＝2P0βr3t3r7
其中，P0为由第一分光结构2透射到第二分光结构3上的光功率。当r3＝t3时，PS1取最大值为
同理可得第二探测器13接收到的散射光信号为PS2＝2P0βr3t3t7，最大值为
而传统光路没有经第一平面全反射镜8、第二平面全反射镜9与第三平面全反射镜10反射的这一路光，第一探测器12与第二探测器13可以测得的最大散射光信号为或/>
同时，根据信噪比与光功率的关系：
其中，η为探测器的量子效率，e为电子电荷量，h为普朗克常数，v为激光中心频率，Δ为探测器的带宽。
由以上式子可知，本实施例将第二分光结构3的反射光加以利用后，信噪比提升为传统光路结构的两倍。
同时，传统光路在进行外差相干探测时，只有一个探测器，接收到的只是信号光的部分透射光和参考光的部分反射光(或者信号光的部分反射光和参考光的部分投射光)，光能也未能得到充分的利用。因此本实施例在第三分光结构7的两侧对称放置两个相同的光电探测器(即第一探测器12与第二探测器13)，采用平衡探测法进行探测，充分利用这两束光的能量。
由平衡探测及外差相干探测原理可得，设第一探测器12的输出电流i1为：
则第二探测器13的输出电流i2为：
其中，A1和B1分别为输出电流i1直流分量和交流分量的幅值大小，A2和B2分别为输出电流i2直流分量和交流分量的幅值大小；
如果第三分光结构7的分束比为50:50，则A1＝A2，B1＝B2。经过差分放大器14后，输出电流i为：
从上式可以看出，采用该探测方法可以抑制信号中的直流，增强交流分量的幅值，使其成为原来幅值的两倍。结合上一步反射光的利用，本实施例中双环路的激光多普勒测速系统所测得的信号强度增强为原来的四倍。
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 (9)

1.一种双环路的激光多普勒测速方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于第一分光结构将入射激光分束为信号光和参考光；
基于第二分光结构与反射结构将所述信号光分束为出射方向平行的第一信号光与第二信号光；
将所述第一信号光与所述第二信号光照射至被测运动物体表面，并基于所述第二分光结构将原路返回的两路散射光合为一路，再基于第三分光结构将合为一路后的散射光分束为两路并分别照射在第一探测器与第二探测器的光敏面上；
基于声光移频器调制所述参考光，再基于第三分光结构将所述参考光分束为两路并分别照射在所述第一探测器与所述第二探测器的光敏面上，使所述第一探测器与所述第二探测器的光敏面均产生拍频信号；
将所述第一探测器与所述第二探测器分别连接差分放大器的正负输入端，得到高信噪比的信号，经过信号处理解算，实现运动物体速度大小和方向同时测量。
2.根据权利要求1所述的双环路的激光多普勒测速方法，其特征在于，所述第一探测器与所述第二探测器对称设置在所述第三分光结构的两侧，且所述第一探测器与所述第二探测器接收到的拍频信号相位相差π。
3.根据权利要求1所述的双环路的激光多普勒测速方法，其特征在于，基于声光移频器调制所述参考光时，所述参考光以布拉格角入射到声光移频器表面。
4.根据权利要求1或2或3所述的双环路的激光多普勒测速方法，其特征在于，基于声光移频器调制所述参考光后，将所述参考光穿过光阑后再照射在所述第三分光结构上，以用于选择所需要的一级衍射光。
5.根据权利要求1或2或3所述的双环路的激光多普勒测速方法，其特征在于，所述第一分光结构的分光比为95:5-70:30。
6.一种双环路的激光多普勒测速系统，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述的方法实现运动物体速度大小和方向同时测量；
所述激光多普勒测速系统包括：
激光器，用于产生入射激光；
第一分光结构，位于所述入射激光的光路上，用于将所述入射激光分束为信号光和参考光；
第二分光结构，位于所述信号光的光路上，用于将所述信号光分束为透射光与反射光，并同于将原路返回的两路散射光合为一路，其中，所述透射光即为所述第一信号光；
反射结构，位于所述反射光的光路上，用于将所述反射光反射至与所述透射光出射方向平行，其中，所述反射光即为所述第二信号光；
声光移频器，位于所述参考光的光路上，用于调制参考光；
第三分光结构，位于所述声光移频器的输出光路上，且位于合为一路后的散射光光路上，用于分别将参考光、合为一路后的散射光分束为两路并分别照射在第一探测器与第二探测器的光敏面上；
第一探测器，位于所述第三分光结构的透射方向上，用于接收一路参考光与散射光，并产生拍频信号；
第二探测器，位于所述第三分光结构的反射方向上，用于接收另一路参考光与散射光，并产生拍频信号；
差分放大器，具有正输入端与负输入端，正输入端连接所述第一探测器，负输入端连接所述第二探测器，用于得到高信噪比的信号，并经过信号处理解算的被测运动物体的速度大小和方向。
7.根据权利要求6所述的双环路的激光多普勒测速系统，其特征在于，还包括光阑，所述光阑位于所述声光移频器与所述第三分光结构之间。
8.根据权利要求6所述的双环路的激光多普勒测速系统，其特征在于，所述反射结构包括第一平面全反射镜、第二平面全反射镜与第三平面全反射镜；
所述第一平面全反射镜、所述第二平面全反射镜、所述第三平面全反射镜与所述第二分光结构成矩形分布。
9.根据权利要求6所述的双环路的激光多普勒测速系统，其特征在于，还包括第四平面全反射镜，所述第四平面全反射镜位于所述第一分光结构与所述声光移频器之间。
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