CN1595170A - 基于双频激光器的自混合干涉多普勒测速仪 - Google Patents

Abstract

一种基于自混合干涉效应的多普勒测速仪，属于激光测量领域。该测速仪由光源，测量部分和信号处理3个部分组成。其系统光源使用的是双频激光器，并且自混合干涉系统的测量部分即系统外腔放置了一块四分之一波片，该波片快轴方向与两偏振光的偏振方向分别夹45°角，这样光束在外腔行进一个来回，其偏振方向将变为原先的垂直方向。对于本套自混合干涉测速仪，当没有多普勒频移时，激光器的功率谱上将只有一条谱线，而当多普勒频移存在时，功率谱上的原先谱线将变为两条，两条谱线对应拍频信号的差值的正负代表速度的方向，两谱线间的距离可以换算成速度的大小。本发明所设计的自混合干涉测速仪是一种结构紧凑简单，性价比高，并且易于实现速度方向识别的测速装置。

Description

基于双频激光器的自混合干涉多普勒测速仪

技术领域

基于双频激光器的自混合干涉多普勒测速仪属于激光测速技术领域。

背景技术

激光多普勒测速技术应用广泛，基于干涉效应的多普勒测速仪主要有传统的Michelson干涉多普勒测速仪和自混合干涉多普勒测速仪。传统的Michelson干涉多普勒测速仪光路较为复杂，并且对系统的准直性要求较高。自混合干涉多普勒测速仪则是80年代以来兴起的新的测速方法。该种测速装置光路系统只有一只激光器和一面反射镜。激光器输出的光被多普勒频移以后与腔内光形成拍频，对该拍频信号进行分析可获得速度信息。该自混合干涉测速仪系统紧凑，体积小，不依赖于光源的相干长度，且对系统的准直性要求不高，应用前景较为广阔。自混合干涉多普勒测速仪首次提出于1968年。Rudd用一只HeNe激光器做光源和传感器，对目标靶的速度进行测量，首次将自混合测速计的原型展现给世人，但其测速装置不能实现速度方向的判定。随着人们对半导体激光器自混合干涉现象的研究的进步，人们发现半导体激光器在一定的光回馈水平下，自混合干涉测速仪的拍频信号为倾斜的类锯齿波形状。该倾斜的类锯齿波的倾斜方向可以用于方向的识别。但由于该锯齿波的获得，局限于一定的光回馈水平，这样其应用范围也受到了局限。Ostuka对固体微片激光器中的自混合干涉现象进行了大量的研究，并提出用移频回馈的方法对拍频信号的功率谱线进行分析。在没有多普勒频移的条件下，其自混合干涉系统的功率谱线上只有一个谱线。而当多普勒频移存在时，该谱线左侧或右侧将出现另一条谱线。这条新出现的谱线相对于原谱线的左右位置代表着速度的方向，而这两条谱线间的距离则可以换算成速度的大小。该套装置的移频器使用的是昂贵的声光调制器件，这使得其系统的性价比不高。

发明内容

本发明目的在于提供一种双频激光器的自混合干涉多普勒测速仪。

本发明特征在于，它含有：

光源部分，它是一个双频激光器，该双频激光器包括：

激光增益管，内部充有HeNe混合气体；

尾光输出镜，反射率为99.8％，位于激光增益管轴向一侧；

增透窗片，位于激光增益管轴向另一侧；

机械式应力施加装置，它沿垂直于激光增益管轴的方向对增透窗片施加一个应力；

主光束输出镜，反射率为98％，位于增透窗片另一侧，输出两正交偏振光，频率分别为f₁和f₂；

横向磁场发生器，它向激光增益管施加平行或垂直于上述应力方向的横向磁场；

测量部分，即外腔，它包括：

四分之一波片，其快轴方向与上述两正交偏振光的偏振方向的夹角都是45度角；

外腔反射镜即待测物体，位于四分之一波片另一侧；当外腔反射镜沿着激光器输出光的方向运动时，入射到它上面的两频率分别为f₁和f₂的正交偏振光将产生多普勒频移，频移后的光经过四分之一波片后所得到的两频率f₁′和f₂′分别为：

f₁′＝f₁+f_d，  f₂′＝f₂+f_D，

$f_D=\frac{2V}{\mathrm{\λ}},$ λ为激光器输出的光波长，V为外腔反射镜的移动速度，而且f₁′平行于f₂，f₂′平行于f₁；

信号处理部分，包括：

Wollaston棱镜，它位于尾光输出镜的另一侧；当产生多普勒频移时，尾光输出镜就向它输出下列两个拍频信号：

频率为f₁′的光束反馈回激光谐振腔后与腔内频率为f₂的光束形成的拍频f_B1：

f_B1＝f₂-f₁′＝Δf-f_D，其中Δf＝f₂-f₁为激光器频差，下同；

频率为f₂′的光束反馈回激光谐振腔后与腔内频率为f₁的光束形成的拍频f_B2：

f_B2＝f₂′-f₁＝Δf+f_D；

光电探测器，共两个，位于Wollaston棱镜另一侧，在产生多普勒频移时，该光电探测器的输入信号分别是经Wollaston棱镜分开的两拍频信号f_B1和f_B2；

计数器，共两个，它们的输入信号分别是上述两个光电探测器的输出信号f_B1和f_B2；

运算器，它的输入信号是上述两个计数器的输出信号，它的输出信号是：

$V=\frac{f_{B2}-f_{B1}}{4}\mathrm{\λ},$

V的方向由f_B2-f_B1值的正负决定，在f₁＜f₂的前提下，f_B2-f_B1的值为正，说明物体向靠近激光器的方向移动，f_B2-f_B1的值为负，说明物体向远离激光器的方向移动；

数字显示器，它的输入端与上述运算器的输出端相连，它显示V的方向和大小。

本发明提供了一种结构紧凑简单，性价比高，并且易于实现速度方向识别的测速装置，见图2。

附图说明

图1，本发明所述自混合干涉多普勒测速仪实施实例之一。

图2，本发明所述自混合干涉多普勒测速仪实施实例之二。

图3，当没有光回馈时，把一偏振片放在尾光输出镜前所得到的激光器输出功率谱线图。

图4，当外腔反射镜静止同时外腔中放置一块四分之一波片时所得到的激光器输出功率谱线图。

图5，当外腔反射镜沿激光器输出光束方向运动的某一时刻所得到的激光器输出功率谱线图。

具体实施方式

本发明的实验装置如图1所示，1为HeNe激光器的尾光输出镜，其反射率一般为99.8％，2为激光器的增益管，内部充有HeNe的混合气体，3为激光器的增透窗片，4为激光器的主光束输出镜，反射率一般为98％。1，2，3和4共同组成了一只HeNe激光器的主体。由于本发明所使用的光源为双频激光器，故通过机械式应力施加装置5对现有激光器窗片施加一应力，以产生双折射效应。该机械式应力施加装置为一个镶有一个螺钉的加力环，调节螺钉的松紧可以调节应力的大小。同时在激光增益管两侧放置横向磁场发生器6，它由两块永久磁铁共同组成。横向磁场发生器产生的横向磁场方向平行或垂直于上述应力的方向，磁场的加入可以大大减小双频激光器中两频率的模竞争，这样可以实现小频差的输出。1-6六个部件组成了一只双折射-塞曼双频激光器，该激光器将输出两线性垂直偏振光。本实验装置所用的双频激光器两线性垂直偏振光的频差为6.7MHz。7为四分之一波片，其快轴方向与两偏振光的偏振方向分别夹45°角。8为外腔反射镜，在实际应用中，该反射镜为待测物体。反射镜8由驱动器9驱动以产生延光线方向的匀速运动。4，7，8三个元件组成了自混合干涉系统的外腔，双频激光器输出的任何一偏振光在外腔往返一个来回其偏振方向将改变为自身的垂直方向。激光器的尾光由探测器10进行探测，所得信号经放大器11放大后由示波器(TDS1012)对该功率信号进行FFT变换以进行功率谱分析。整个系统可以分为三部分：13为光源部分，14为测量部分即自混合干涉系统的外腔，15为信号处理部分。

本发明原理如下。在图1中，双频激光器输出两正交偏振的频率f₁和f₂，假定f₁＜f₂。两频率入射到移动着的外部反射镜8上。假定反射镜8以速度V在光束方向上运动，则两频率入射到反射镜8上将产生多普勒频移，频移后的两光束频率f₁′和f₂′可分别表达为：

            f₁′＝f₁+f_D                       (1)

            f₂′＝f₂+f_D                       (2)

其中

$f_D=\frac{2V}{\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

f_D为多普勒频移量，λ为激光器输出的光波长。激光器输出的频率f₁和f₂在外腔往返一周后变为f₁′和f₂′。四分之一波片的快轴方向分别与两频率的偏振方向夹45°角，由于任一频率在外腔行进一个来回将两次经过四分之一波片，其偏振方向将变为与初始偏振方向垂直，故f₁′和f₂平行，f₂′和f₁平行。f₁′反馈回激光腔内后与腔内频率f₂形成拍频，该拍频值f_B1的大小为：

            f_B1＝f₂-f₁′＝Δf-f_D              (4)

其中Δf＝f₂-f₁为激光器的频差。f₂′反馈回激光腔内后与腔内频率f₁形成拍频。其拍频值f_B2的大小为：

            f_B2＝f₂′-f₁＝Δf+f_D              (5)

f_B1和f_B2可由探测器10探测获得，表现在示波器上则为频率为f_B2和f_B1的两条谱线。由(4)，(5)两式消去Δf可得

$f_D=\frac{f_{B2}-f_{B1}}{2}---\left(6\right)$

从(6)式可知功率谱上两谱线距离的一半为多普勒频移量。将(6)式代入(3)式可得物体移动速度为：

$V=f_D\frac{\mathrm{\λ}}{2}=\frac{f_{B2}-f_{B1}}{4}\mathrm{\λ}---\left(7\right)$

速度的方向可由f_B2-f_B1值的正负决定，也就是功率谱两谱线的相对的左右位置决定。在f₁＜f₂时，如果功率谱上f_B1位于f_B2的左侧，则f_B2-f_B1的值为正，说明物体向靠近激光器的方向移动；反之，说明物体向远离激光器的方向移动。因此物体的速度的大小和方向都可以通过分析本发明中激光器的功率谱而获得。本发明的整套系统没有用到昂贵的光学元件，而且系统简单紧凑，信号易分析和提取，并能容易的实现判向，应用前景广阔。

当外腔反射镜静止时，物体移动速度为零，此时多普勒频移量也为零。由(4)，(5)两式可知f_B2和f_B1均等于双频激光器的频差Δf，这样使得激光器的功率谱上将只有一条谱线，且谱线的位置与频差的值的位置相同，实验结果可参看图3和图4。在没有光回馈的条件下，放置一偏振片于激光器尾部探测器前，偏振片的起偏方向与两频率偏振方向分别夹45°角，此时所获得的激光器的功率谱线如图3所示。图3，图4以及图5的横轴都代表频率，纵轴代表功率谱线的高度，Pos所指的6.25MHz为图中下箭头处的频率，图中横轴上每大格代表250KHz。图3中谱线的峰值是激光器输出的两频率的光束的拍频。图4则是在光回馈存在的条件下，外腔如图1所示放置了一块四分之一波片的条件下所获得的功率谱线，该功率谱线是外腔光束与内腔光束拍频的结果。图4的获得无需在探测器前布置偏振片。比较图3和图4，两谱线峰值位置吻合，说明前面的理论分析与实验结果完全一致。

当我们以一定的速度驱动回馈镜运动时，由前面的理论分析可知，激光器输出的功率谱线将会由原先回馈镜静止时的单条谱线变为两条谱线，实验结果可以参考图5。在图5中，原先单条谱线位置附近出现了两条功率谱线，这是与前面的理论分析相符合的。速度值的大小可通过测量两谱线间的距离所代表的频差值，通过(7)式换算而得，其所测速度方向则由两谱线的相对位置而定。

本发明所述的实例2的结构示意图如图2所示。1-9九个元件与图1中1-9九个元件相同，故此处不再重复介绍。10为Wollaston棱镜。当无光回馈时，调节Wollaston棱镜将两垂直偏振光分开，当光回馈存在时，Wollaston棱镜将两个原先偏振方向上的拍频信号分开。11，12为两个光电探测器用来探测拍频信号。13，14为两个计数器，用来对拍频信号进行计数。15为运算器，对两个计数器的技术结果进行运算。16为数显，用于显示运算器运算的结果。实验中实现速度方向识别可以通过观察示波器上两谱线相对位置而实现，但在实际应用中，使用该种方式并不方便，也不能实现自动化方向识别。故实例结构中通过Wollaston棱镜将两个不同频率的谱线分开，并分别用两个计数器对两个拍频信号分别计数，两计数器差值可由运算器运算获得，差值的正负代表了速度的方向，而差值的大小则代表了速度的大小。这样速度的大小和方向都可以从数显16中读取，无须人为干预。

本发明所设计的自混合干涉测速仪其系统光源使用的是双频激光器，并且自混合干涉系统的外腔置入一块四分之一波片，其快轴方向与两偏振光的偏振方向分别夹45°角，这样光束在外腔行进一个来回，其偏振方向将变为原先的垂直方向。对于本套自混合干涉测速仪，当没有多普勒频移时，激光器的功率谱上将只有一条谱线，而当多普勒频移存在时，功率谱上的原先谱线将变为两条，两条谱线对应拍频信号的差值的正负代表速度的方向，两谱线间的距离可以换算成速度的大小。本发明所设计的自混合干涉测速仪是一种结构紧凑简单，性价比高，并且易于实现速度方向识别的测速装置。

Claims (1)

1.基于双频激光器的自混合干涉多普勒测速仪包括光源，测量和信号处理三个部分，其特征在于，它含有：

光源部分，它是一个双频激光器，该双频激光器包括：

激光增益管，内部充有HeNe混合气体；

尾光输出镜，反射率为99.8％，位于激光增益管轴向一侧；

增透窗片，位于激光增益管轴向另一侧；

机械式应力施加装置，它沿垂直于激光增益管轴的方向对增透窗片施加一个应力；

主光束输出镜，反射率为98％，位于增透窗片另一侧，输出两正交偏振光，频率分别为f₁和f₂；

横向磁场发生器，它向激光增益管施加平行或垂直于上述应力方向的横向磁场；

测量部分，即外腔，它包括：

四分之一波片，其快轴方向与上述两正交偏振光的偏振方向的夹角都是45度角；

外腔反射镜即待测物体，位于四分之一波片另一侧；当外腔反射镜沿着激光器输出光的方向运动时，入射到它上面的两频率分别为f₁和f₂的正交偏振光将产生多普勒频移，频移后的光经过四分之一波片后所得到的两频率f₁′和f₂′分别为：

f₁′＝f₁+f_D，  f₂′＝f₂+f_D，

$f_D=\frac{2V}{\mathrm{\λ}},$ λ为激光器输出的光波长，V为外腔反射镜的移动速度，而且f₁′平行于f₂，f₂′平行于f₁；

信号处理部分，包括：

Wollaston棱镜，它位于尾光输出镜的另一侧；当产生多普勒频移时，尾光输出镜就向它输出下列两个拍频信号：

频率为f₁′的光束反馈回激光谐振腔后与腔内频率为f₂的光束形成的拍频f_B1：

f_B1＝f₂-f₁′＝Δf-f_D，其中Δf＝f₂-f₁为激光器频差，下同；

频率为f₂′的光束反馈回激光谐振腔后与腔内频率为f₁的光束形成的拍频f_B2：

f_B2＝f₂′-f₁＝Δf+f_D；

光电探测器，共两个，位于Wollaston棱镜另一侧，在产生多普勒频移时，该光电探测器的输入信号分别是经Wollaston棱镜分开的两拍频信号f_B1和f_B2；

计数器，共两个，它们的输入信号分别是上述两个光电探测器的输出信号f_B1和f_B2；

运算器，它的输入信号是上述两个计数器的输出信号，它的输出信号是：

$V=\frac{f_{B2}-f_{B1}}{4}\mathrm{\λ},$

V的方向由f_B2-f_B1值的正负决定，在f₁＜f₂的前提下，f_B2-f_B1的值为正，说明物体向靠近激光器的方向移动，f_B2-f_B1的值为负，说明物体向远离激光器的方向移动；

数字显示器，它的输入端与上述运算器的输出端相连，它显示V的方向和大小。

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