CN1267730C - 原子法拉第效应鉴频和稳频的激光多普勒测速仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子法拉第效应鉴频和稳频的激光多普勒测速仪。该测速仪由原子光反馈稳频半导体激光器、散射回波光接收检测器和信号处理器组成，特征是半导体激光器的稳频和散射回波光的鉴频均采用原子法拉第效应器件，使两者的频率都建立在同样准确和稳定的原子谱线跃迁基准上。同时，采用了比例检测的方法来测量散射回波光的多普勒频移，消除了散射回波光强度变化所带来的误差。因此，本发明性能稳定，测量精度高，基本不受震动、温度、气压等外界条件的影响，且测量精度和测量范围可调。本发明制造容易，使用方便，既能测量有形物体的速度，又能测量无形物体的速度。

Description

原子法拉第效应鉴频和稳频的激光多普勒测速仪

技术领域：

本发明涉及激光测速仪，特别涉及一种原子法拉第效应鉴频和稳频的激光多普勒测速仪，可用于检测有形物体的速度及无形物体(如风)的速度。

背景技术：

激光多普勒测速仪的原理是：用一束激光照射被测物体，测量从运动物体散射回波光的多普勒频移，再由此频移来求出被测物体的运动速度。设激光的频率为f₀，运动物体回波的多普勒频移为Δf，则物体的运动速度为： $\mathrm{\υ}=\frac{c}{2f_0}\mathrm{\Δf},$ 其中，c为光速。通常，散射回波光的多普勒频移Δf与所用激光束的频率f₀相比是很小的，也就是说，准确地测量比激光频率小得多的回波光的多普勒频移，是对激光多普勒测速仪的基本要求。

激光多普勒测速仪通常采用光学鉴频的方法来测量散射回波光的多普勒频移。由于光学鉴频只涉及到散射回波光与发射激光在鉴频器上的相对频率比较，对散射回波光的强度和相位畸变均无特殊要求，从而使测速仪在技术上较为简单，并且既能测量有形物体的速度，也能测量无形物体的速度。现有的激光多普勒测速仪由原子稳频半导体激光发射器、散射回波光接收检测器和信号处理器三部分构成，由于采用F-P标准具作为鉴频器，其透射频率会随温度、气压、振动等外界条件的变化而改变。同时，它的发射激光器采用稳定其工作温度和电流的被动式稳频技术来稳定其输出频率，由于这种稳频技术的限制，其输出频率也会随各种外界条件的变化而改变。这样，会造成鉴频频率和激光频率之间无规则相对频率漂移。此外，这种激光多普勒测速仪采用强度检测来测量散射回波的多普勒频移，从而影响激光多普勒测速仪的测量精度。

发明内容：

本发明的目的是：提供一种原子法拉第效应鉴频和稳频的激光多普勒测速仪，该测速仪的鉴频器和发射激光器的频率基准源均采用原子法拉第效应器件，并采用了比例检测的方法来检测散射回波光，使得本发明性能稳定，测量精度高，其工作性能基本不受震动、温度、气压等外界条件的影响，且制造容易，使用方便，既能测量有形物体的速度，又能测量无形物体的速度。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

原子法拉第效应鉴频和稳频的激光多普勒测速仪由原子光反馈稳频半导体激光器、包含原子鉴频器的回波光接收检测器和信号处理器组成。

原子光反馈稳频半导体激光器由半导体激光器组件、准直组件、频率基准源和输出耦合器组成，其中频率基准源采用原子法拉第效应稳频器件。

回波光接收检测器由接收望远镜、分束片、鉴频器和两只光电探测器组成，其中鉴频器采用原子法拉第效应鉴频器件。

信号处理器由比例检测器和速度处理器组成。比例检测器对来自两只光电探测器的信号进行比例检测；速度处理器则从比例检测后的信号计算出被测物体的运动速度。

在本方案中，通过采用法拉第效应稳频器件和法拉第效应鉴频器件使激光频率和鉴频频率非常稳定，同时，还通过分别调节两个法拉第效应器件的温度和磁场的办法将激光频率稳定在鉴频器线性工作区的中段，实现两者的最佳配合。而后一技术的使用又带来了本测速仪的又一特点，即：可通过调节两个原子法拉第效应器件的磁场和温度，来改变测速精度和测速范围，以满足不同的应用要求。

在本方案中采用了比例检测的方法，即：通过测量散射回波光本身的强度与其透过原子法拉第效应鉴频器后的强度之比，来测量散射回波光的多普勒频移，可消除散射回波光强度变化(包括发射激光强度的变化和被测物体光散射特性的变化)对多普勒频移测量的影响，提高了测速仪的测量精度。

本测速仪的工作过程是：半导体激光器所发出的发散光束经准直组件后变成平行光，再经原子法拉第效应稳频器件通过外腔光反馈方法将其输出频率稳定在一个特定值上。稳频激光器输出的激光束照射运动物体时，所产生的散射回波光经望远镜接收。为有效接收散射回波光，激光器的发射光束与接收望远镜的光轴必须相互平行，且尽量靠近(必要时也可同轴安置)。接收到的散射回波光经分束片分为两路，其中一路直接送到一只光电探测器，得到与散射回波光强相关的信号；另一路则经过原子法拉第效应鉴频器件后，再送到另一只光电探测器，得到既与散射回波光强度相关又与多普勒频移相关的信号。此两信号经比例检测器检测，得到散射回波光的多普勒频移，再由速度处理器求得运动物体的速度。

本发明的优点和效果：本测速仪分别采用原子法拉第效应器件来对发射激光器进行稳频和对散射回波光进行鉴频，使测速仪的激光频率和鉴频频率都建立在原子跃迁基准上。而原子跃迁频率是非常准确、稳定的，几乎不随外界条件，如振动、温度、气压等而变化，这就大大提高了测速仪的稳定性和准确度。而且该测速仪还采用比例检测的方法来测量散射回波光的多普勒频移，消除了散射回波光强度变化所引起的测量误差，进一步提高了测速仪的测量精度。

该测速仪的另一优点是，通过调节两个原子法拉第效应器件的磁场和温度，可以在一定范围内改变激光器的输出频率和鉴频器的鉴频频率及线性透射范围，从而改变测速仪的测量范围和测量精度，以适应不同的应用需求。

附图说明：

图1为原子法拉第效应鉴频和稳频的激光多普勒测速仪的结构示意图。

其中：1原子光反馈稳频半导体激光器、2回波光接收检测器、3信号处理器、4半导体激光器组件、5准直组件、6原子法拉第效应稳频器件、7输出耦合器、8分束片、9原子法拉第效应鉴频器件、10望远镜、11和12为光电探测器、13比例检测器、14速度处理器、15运动物体。

图2原子法拉第效应鉴频器件和稳频器件的结构示意图。

其中：6原子法拉第效应稳频器件、9原子法拉第效应鉴频器件、16电磁线圈、17原子泡、18恒温装置、19和20偏振片。

图3为原子法拉第效应鉴频和稳频的激光多普勒测速仪的鉴频原理图。

其中：O(或O’)为由原子法拉第效应稳频器件6所稳定的发射激光器的频率，A-B(或A’-B’)为原子法拉第效应鉴频器件9的鉴频工作频段。

具体实施方式：

本发明由原子光反馈稳频半导体激光器1、回波光接收检测器2和信号处理器3三部分组成。

原子光反馈稳频半导体激光器1由半导体激光器组件4、准直组件5、原子法拉第效应器件6和输出耦合器7组成。半导体激光器组件4的频率经光反馈方式稳定在原子法拉第效应稳频器件6的一个透射峰上，调节原子法拉第效应稳频器件6的磁场和温度，可在一定范围内调节稳频激光器的输出频率。

散射回波光接收检测器2由接收望远镜10、分束片8、原子法拉第效应鉴频器件9、光电探测器11和12组成。由接收望远镜10接收的散射回波光被分束片8分为两路：一路直接由光电探测器11探测；另一路经原子法拉第效应鉴频器件9后，由另一光电探测器12探测。其中，光电探测器11输出的信号只与散射回波光的强度有关，而光电探测器12输出的信号则既与散射回波光的强度有关又与多普勒频移有关。

原子法拉第效应稳频器件6和原子法拉第效应鉴频器件9均由电磁线圈16、原子泡17、恒温装置18、偏振片19和20所组成。两者的结构相同，但要分别调节两个法拉第效应器件的温度和磁场的将激光频率稳定在鉴频器线性工作区的中段，实现两者的最佳配合。

发射激光器和接收望远镜相互平行且尽量靠近，最好同轴安装。

信号处理器3由比例检测器13和速度处理器14组成，光电探测器11和12的输出信号由比例检测器13进行比例检测，得到不受散射回波光强度变化影响的多普勒频移，最后由速度处理器14计算出被测物体的运动速度。

Claims (1)

1.一种原子法拉第效应鉴频和稳频的激光多普勒测速仪，它由原子稳频半导体激光发射器(1)、回波光接收检测器(2)和信号处理器(3)组成，其特征在于，原子稳频半导体激光发射器(1)采用原子法拉第效应稳频器件(6)作为稳频基准源，并采用一个原子法拉第效应鉴频器件(9)作为回波光接收检测器(2)的鉴频器件，来鉴别散射回波光的多普勒频移，信号处理器(3)采用比例检测器以消除散射光强度的影响。

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