CN1668939A - 使用激光输出的频率调制来测量速度的系统和方法 - Google Patents

使用激光输出的频率调制来测量速度的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一个测量速度的系统。在本发明的一个方面，所述系统包括一个激光发射设备(230)，一个光学部件(240)，一个合并器(230)，和一个信号处理器(270)。所述激光发射设备(230)生成一个频率调制的激光信号。所述光学部件(240)分离所述被频率调制的信号为多个激光信号，并引导所述被分离的信号到一个目标(250)，并且接收从所述目标(250)反射来的至少一个信号。所述合并器(230)接收通过一个信号路径传送的分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的至少一个被反射的信号，并耦合所述被接收的信号。所述信号处理器(270)从所述耦合的信号中提取速度信息。

Description

使用激光输出的频率调制来测量速度的系统和方法
发明领域
本发明涉及一个速度测量系统，特别地，涉及通过执行一个激光输出的频率调制来测量一个目标的速度的方向和大小的系统和方法。
背景技术
已经开发出许多系统和设备，使用各种方法来测量一个物体的距离和速度。
作为这些系统的一个例子，美国专利No.6,133,993公开了“一种长度和速度测量设备”。所述设备公开了使用幅度调制(AM)和载波的多普勒频移来测量速度。
另一个例子，美国专利No.6,317,073公开了“用于测量一个目标的距离和相对速度的FW-CW雷达系统”。该系统使用雷达波来测量车辆的速度和距离。
除了上述的专利之外，很多其他的美国专利，如No.6,311,121，6,141,086，5,164,784和3,915,572等，讨论了用来测量一个目标速度的方法。
发明内容
本发明的一个方面提供一个测量速度的系统。所述系统包括一个电源，一个激光发射设备，一个频率调制部分，一个光学部件，一个合并部分，一个检测器和一个信号处理器。所述电源提供一个电流，并且所述激光发射设备被所述电流供电，并构造成发射一个激光信号。所述频率调制部分频率调制所述激光信号。所述光学部件分离所述被频率调制的信号为多个激光信号，并引导所述被分离的信号到一个目标，并且接收从所述目标反射来的至少一个信号。所述合并部分合并通过一个信号路径传送的分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的被反射的信号中的至少一个。所述检测器检测所述被合并的信号。所述信号处理器从所述被检测的信号中提取速度信息。
在本发明的这个方面，所述激光发射设备和所述检测器被一起构造在一个激光器部件中。所述频率调制部分位于所述激光器部件的内部。所述合并部分接收分离信号中的一个和至少一个被反射的信号，以及耦合被接收的信号来提供所述被合并的信号。所述激光发射设备包括一个激光二极管。所述信号处理器从所述速度信息中提取朝向所述目标的距离信息。所述系统进一步包括一个正交混频器，被构造来处理所述被检测的信号，该信号适用于所述信号处理器，其中所述信号处理器是一个传统的多普勒信号处理器。被提取的速度信息包括所述目标的速度的大小和方向。
本发明的另一方面提供一个测量速度的方法。所述方法包括发射一个激光信号，频率调制所述激光信号，并分离所述被频率调制的信号成为多个激光信号。该方法还包括指引所述被分离的信号到一个目标，接收从所述目标被反射的至少一个信号，并合并通过一个信号路径传送的分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的被反射的信号中的至少一个。该方法进一步包括，检测所述被合并的信号，并从所述被检测的信号中提取速度信息。
在本发明的这个方面中，所述合并包括采样被分离的信号中的一个和至少一个被反射的信号，并耦合所述采样的信号。所述耦合包括相加所述采样信号并平方得到的和。所述方法进一步包括生成一个电压信号，该信号与所述耦合的信号成正比。所述提取包括处理所述电压信号以得到一个包括符号的多普勒频率。所述方法还包括从所述速度信息中计算朝向所述目标的距离信息。
本发明的另一个方面提供一个测量速度的系统。该系统包括一个激光发射设备，一个频率调制部分，一个光学部件，一个检测器和一个信号处理器。所述激光发射设备发射一个激光信号。所述频率调制部分对所述被发射的激光信号执行频率调制。所述光学部件分离所述被频率调制的信号成为多个激光信号，并指引所述分离的信号到一个目标，并从所述目标接收至少一个被反射的信号。所述检测器检测一个被合并的信号，该信号是合并通过一个信号路径传输的被分离的信号中的一个和通过另一条信号路径传输的至少一个被反射的信号。所述信号处理器从所述被检测的信号中提取速度信息。
在本发明的这个方面中，所述激光发射设备和所述检测器被一起构造在一个激光器部件中。所述检测器包括一个检测二极管。所述系统进一步包括一个正弦波发生器，被构造来生成一个正弦波，其中所述频率调制部分被构造来以正弦波频率调制所述激光信号。
本发明的另一个方面提供一个用于测量速度的系统。所述系统包括一个激光发射设备，一个光学部件，一个合并器和一个信号处理器。所述激光发射设备生成一个频率调制的激光信号。所述光学部件分离所述被频率调制的信号成为多个激光信号，并指引所述被分离的信号到一个目标，并从所述目标接收至少一个被反射的信号。所述合并器接收通过一个信号路径传送的分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的被反射的信号中的至少一个，并耦合接收到的信号。所述信号处理器从所述被耦合的信号中提取速度信息。
在本发明的这个方面中，所述激光发射设备和所述合并器被一起构造在一个激光器部件中。所述合并器包括一个检测器。
本发明的另一方面提供一种测量速度的方法。所述方法包括生成一个频率调制的激光信号，分离所述被频率调制的信号成为多个激光信号，指引所述被分离的信号到一个目标并从所述目标接收至少一个被反射的信号。所述方法还包括，合并通过一个信号路径传送的分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的被反射的信号中的至少一个，并从所述被合并的信号中提取速度信息。
在本发明的这个方面中，所述合并包括接收所述被分离的信号中的一个和至少一个被反射的信号，并耦合所接收的信号。该方法进一步包括检测所述被合并的信号，其中所述提取是来自于所述被检测的信号。所述方法进一步包括从所述速度信息中提取朝向所述目标的距离信息。
本发明的另一个方面提供一个测量速度的系统。所述系统包括一个激光器设备，一个检测器和一个信号处理器。所述激光器设备生成一个频率调制的激光信号，其中所述频率调制信号被引导到一个目标并从所述目标反射。所述检测器检测一个合并的信号，该信号是合并通过一个信号路径传输的所述频率调制的激光信号和通过另一个信号路径传输的至少一个被发射的信号。所述信号处理器从所述被检测的信号中提取速度信息。
在本发明的这个方面中，所述激光器设备和所述检测器被一起构造在一个激光器部件中。所述系统进一步包括一个合并器，被构造来接收所述被频率调制的激光信号和至少一个被反射的信号并耦合所接收的信号以提供所述被合并的信号。所述检测器生成一个电压信号，其与所述耦合的信号成正比。所述检测器包括一个检测二极管。该系统进一步包括一个光学部件，被构造来分离所述被频率调制的信号成为多个激光信号，并引导被分离的信号到所述目标，从所述目标接收至少一个被反射的信号。所述光学部件包括一个功率分配器，被构造来分离所述被频率调制的激光信号成为第一和第二分离信号，它们互相具有不同的信号路径，以及一个瞄准仪被构造来瞄准和引导第一分离信号到所述目标，并瞄准和引导一个被反射的激光信号到达所述检测器，其中所述检测器被构造来检测被反射的激光信号和第二分离信号的一个合并的信号。该系统进一步包括循环器，被构造来接收第一分离激光信号和朝向所述瞄准仪为第一分离激光信号指定路线，并接收被反射的信号和为其朝向所述检测器指定路线。所述瞄准仪包括一个第一个瞄准仪，被构造来瞄准和指引第一分离信号到达所述目标，和一个第二瞄准仪，被构造来瞄准和指引一个被反射的激光信号到达所述检测器。所述系统进一步包括一个开关，被构造来在所述功率分配器和第一以及第二瞄准仪之间转换所述第一分离激光信号。
本发明的另一方面提供一个测量速度的方法。该方法包括生成一个被频率调制的激光信号，其中所述被频率调制的激光信号被指引到一个目标并从所述目标反射。该方法还包括合并通过一个信号路径传输的所述被频率调制的激光信号和通过另一个信号路径传输的至少一个被反射的信号，并从所述被合并的信号中提取速度信息。
在本发明的这个方面中，所述合并包括采样所述被频率调制的激光信号和至少一个被反射的信号，并耦合所述被采样的信号来提供所述被合并的信号。所述耦合包括相加所述被采样的信号并平方所得到的和。该方法还包括生成一个电压信号，其与所述耦合的信号成正比例，其中所述提取是从生成的电压信号中。该方法还包括检测所述被合并的信号。
本发明的另一个方面提供一种测量速度的方法。该方法包括频率调制一个激光信号，所述频率调制的信号被分成多个激光信号并被指引到达一个目标，并从所述目标反射。该方法还包括接收通过一个信号路径传输的分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的至少一个被发射的信号，耦合所接收到的信号并从所述耦合信号中提取速度信息。
在本发明的这个方面中，所述耦合包括相加所述接收到的信号并平方所得到的和。该方法还包括生成一个电压信号，其与所述耦合的信号成正比例，其中所述提取是从生成的电压信号中。该方法还包括过滤一个振幅调制分量，其是偶然生成的。
本发明的另一个方面提供一个测量速度的系统。该系统包括一个激光发射设备，一个频率调制部分，一个功率分配器，一个合并器和一个信号处理器。所述激光发射设备发射一个激光信号。所述频率调制部分对所述激光信号执行频率调制，其中所述被频率调制的激光信号被引导向一个运动的目标。所述功率分配器分离所述被频率调制的激光信号成为第一个和第二激光信号，其中所述激光信号中的一个相对于另一个被延迟。所述合并器从所述目标接收以及合并反射的信号，来提供一个合并的信号。所述信号处理器从所述合并信号中提取速度信息。在本发明的这个方面中，所述系统进一步包括一个检测器，被构造来检测被合并的信号。
本发明的另一个方面提供一个测量速度的方法。该方法包括频率调制一个激光信号，所述被频率调制的信号被分离成多个激光信号并引导所述分离的激光信号到一个目标。该方法还包括合并所述分离激光信号中的一个和来自于所述目标的一个反射的信号，并从所述被合并的信号中提取速度信息。所述合并包括接收分离激光信号中的一个和所述被发射的信号，并耦合所接收到的信号来提供所述被合并的信号。在本发明的这个方面中，该方法进一步包括检测被合并的信号。
本发明的另一个方面提供一个测量速度的系统。该系统包括一个激光器部件和一个信号处理器。所述激光器部件生成一个被频率调制的激光信号，所述被频率调制的信号被分离成多个激光信号并被引导到一个目标，并从所述目标反射，其中所述激光器部件接收通过一个信号路径传输的被分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的至少一个被反射的信号，并且合并所述被接收的信号。所述信号处理器从所述被合并的信号中提取速度信息。
在本发明的这个方面中，所述激光器部件包括一个激光发射设备，被构造来发射一个激光信号，一个频率调制部分，被构造对所述被发射的激光信号执行频率调制，以及一个合并器，被构造来接收和合并所述的被分离的信号中的一个和所述的至少一个被反射的信号。或者，所述激光器部件包括一个激光发射设备，被构造来发射一个激光信号，一个频率调制部分，被构造对所述被发射的激光信号执行频率调制，以及一个检测器，被构造来接收所述的被分离的信号中的一个和所述的至少一个被反射的信号，并耦合所接收的信号以提供所述被合并的信号。
本发明的另一个方面提供一个测量速度的系统。该系统包括用于生成一个频率调制的激光信号的装置，所述被频率调制的信号被分离成多个激光信号并被引导到一个目标，并从所述目标反射，还包括装置，其用于接收通过一个信号路径传输的被分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的至少一个被反射的信号，包括用于耦合所接收的信号的装置，和用于从所述被耦合的信号中提取速度信息的装置。
本发明的另一个方面提供一个测量速度的方法。该方法包括生成一个被频率调制的激光信号，所述被频率调制的信号被引导到一个目标，并根据所述被频率调制的激光信号和一个从所述目标被反射的信号的合并来测量所述目标的速度。
在本发明的这个方面中，测量所述速度包括测量下述目标中其中一个的速度：一个运动的车辆，一根被冲模挤压的电缆，一个通过滚筒被辗的金属片，一根在两个线轴之间旋转的电缆，液体的表面，一个振动的物体，一个旋转的机器，或相对于车辆运动的地面。该方法进一步包括从被测量的速度中获得朝向所述目标的距离。所述测量速度包括测量两个飞行器的结束的速度或测量一个飞行器或一个导弹的地面速度。所述测量包括感应所述目标在声频从50Hz到1kHz的每秒几微米的数量级的地面速度。该方法进一步包括使用被反射激光信号的干涉测量的或外差的感应。
本发明的另一个方面提供一个测量速度和距离的方法。该方法包括生成一个被频率调制的激光信号，所述被频率调制的信号被引导到一个目标，根据所述被频率调制的激光信号和一个从所述目标被反射的信号的合并来测量所述目标的速度，并通过被测量的速度获得到所述目标的距离。在本发明的这个方面，所述测量包括测量一个地面车辆的运动的速度和方向，其辅助一个开火控制或导航系统，或允许航位推测法。
附图的简要说明
图1显示了一个多普勒雷达系统的框图。
图2显示了根据本发明的一个实施例的所述速度测量系统的框图。
图3显示了根据本发明的另一个实施例的所述速度测量系统的框图。
图4显示了根据本发明的另一个实施例的所述速度测量系统的框图。
图5显示了根据本发明的另一个实施例的所述速度测量系统的框图。
图6显示了在本发明的一个应用中用于测量一个速度的结构，一根电缆以该速度被挤压通过一个冲模。
图7显示了在本发明的另一个应用中使用一个单一的光束来测量使用滚筒的材料的数量或速度，该材料可以是金属。
图8显示了在本发明的另一个应用中使用一个光束来测量一根电缆的速度和/或数量，该电缆在两个线轴之间传送。
图9显示了在本发明的另一个应用中使用一个光束来测量在一个通道中的液体的流动。
图10显示了在本发明的另一个应用中的被安装到一个车辆上的激光多普勒系统。
图11显示了在本发明的另一个应用中的三个激光器的排列以及它们在三个不同方向上的光学指向以得到速度的三个分量。
图12显示了在本发明的另一个应用中的三个激光器的另外一种排列以及它们在三个不同方向上的光学指向以得到速度的三个分量。
图13显示了在本发明的另一个应用中的二个激光器的排列以及它们在二个不同方向上的光学指向以得到速度的二个分量。
图14显示了在本发明的另一个应用中的四光束系统，该系统是超定的，并允许估计一个误差速度。
优选实施例的说明
有很多多普勒速度表使用多普勒效应来测量一个目标的速度。其中，一些多普勒速度表使用一个激光器，方便起见，这些速度表在下文中被称作“激光多普勒速度表”。激光多普勒速度表可以被分类成1型系统或2型系统。
所述1型系统测量沿所述光束朝向(或离开)所述系统运动的目标的速度。所述激光输出被分成两个光束。一个光束瞄准所述目标并被其反射。被所述目标反射的能量被聚集，并添加到所述的另一束参考光束。所述全部的光束被施加到所述检测器上。没有运动在所述检测器上产生一个零频率输出。在两个方向上相同的运动产生所述检测器上的相同的输出。所述的多普勒频率就通过某种信号处理器处理所述检测器的输出而被确定。所述1型系统包括种类A-G。一些种类涉及用于确定所述运动的方向的方法。
所述1型A种类系统不确定运动的方向。
所述1型B种类系统被构造成一个布拉格单元和所述两个光束中的一个串联，通常是所述参考光束。所述布拉格单元被用来通过一个公知的正好的量来抵消所述光束中的频率。所述结果是，所述检测器输出的“零多普勒”频率是由所述布拉格单元生成的频率抵消。朝向系统的一个目标速度进一步单向地抵消这个频率，并且在另一个方向上的运动抵消在另一个方向上的频率。这个系统可以判断运动的方向。
在1型C种类系统中，所述激光的频率被扫频升高(sweep up)(线性调频的)，然后被扫频降低(sweep down)。所述扫频作为两个独立的步骤进行。因为直接从所述激光器到所述检测器的路径长度与从所述激光器经过所述目标到所述检测器的路径长度不同(更短)，所述频率在所述检测器输出的每一次扫频中将成比例于所述扫频速率和附加所述多普勒频率的路径长度差异的乘积。通过合成每一次扫频中的在所述检测器的输出的频率的测量，所述多普勒频率，包括方向信息，可以被确定。例如，如果所述扫频速度相等但是符号相反，所述多普勒频率是每一次扫频的所述频率输出之和的一半。两个路径长度的差异也可以通过相加所述两次测量来得到。因此，这个系统可以确定所述目标的范围和目标朝向或离开所述系统的速度。这个系统的问题在于所述扫频速度要被精确地进行控制。如果没有精确地控制，多普勒频移就会产生错误。利用激光器很难做到。
所述1型D种类系统使用2“边缘滤波器”来分离正的和负的多普勒频率。从所述目标被反射的光束和所述参考光束被分别分离成两个光束，其中一个光束来自于所述目标穿过一个滤波器，该滤波器的通频带的较低边缘在零多普勒频率。正的多普勒频率通过这个滤波器，负的多普勒频率被拒绝。在通过所述滤波器之后，所述光束被添加到所述参考光束的其中一个，并且施加到所述检测器。所述检测器用于所述正的多普勒。来自于所述目标的另一个光束通过一个滤波器，该滤波器的通频带的上边缘是在零多普勒频率。这个滤波器拒绝正的多普勒频率，通过负的多普勒频率。在通过所述滤波器之后，它被添加到所述参考光束，并施加到所述检测器。这个检测器被用作负的多普勒。这样，运动的方向被确定。这个系统有个问题在于，它很难精确地设定所述滤波器的边缘在零多普勒频率，并很难确保没有漂移问题。并且，所述滤波器的所述通频带的任何增益斜率可能导致在多普勒频率测量中的误差。
所述1型E种类系统类似于所述1型A种类系统，但是在这个系统中，实际上有两个检测器。在所述参考光束和来自于所述目标的光束被添加之前，它们中的每一个被分离成两个光束。每一个光束被添加，并施加到一个检测器。涉及的到所述检测器的两条路径的长度在两种情况下不同90度。所述的两个检测器输出形成一个正交对，其允许确定运动的方向和大小。这个方法在雷达和声纳中常见，但是对于激光系统，很难生成和保持所述路径长度的差异，因为它们太小了。
所述1型F种类系统经一个设备通过所述被反射的能量，其允许所述被反射的能量的频率被光学地测量。所述被接收的能量通过某种滤波器，其转化频率到振幅，作为频率的模拟被测量。
所述1型G种类系统使用激光器，既作为光源又作为检测器/混频器。来自于所述目标的被反射的光再次进入到所述激光器。所述激光器混合激光器中的光和所述被反射的光来生成所述差分频率。这通常与半导体激光器一起执行，因为它们实际上具有一个检测二极管来测量所述激光输出功率，可以被用来作为一个混频器/检测器(参阅“使用激光器作为混频器-振荡器的激光多普勒速度表”，Rudd，J.Phys.E 1，1968，723-726或者“使用半导体激光二极管的自混合效应的激光多普勒速度表”Shinohara等人，Applied Optics 25，May1，1986，1417-1419)，但是也可以使用其他的激光器类型。如果从所述目标反射入激光器的光足够强，它将改变所述激光器的操作，并扭曲从所述混频器生成的所述波形的形状。所述新的波形形状是锯齿形的，并且所述运动的方向能够从所述锯齿形状中确定。用于方向感应的这个配置要求所述被反射的信号强，在多数系统应用中不能找到。
所述2型系统测量越过所述光束的速度(而不是沿着它的)，并具有所述激光输出被分成两个光束的特征。两个光束都被瞄准使其几乎平行并在同一点相交在所述目标。这在所述目标上生成一个干涉图样。来自所述目标的所述被反射的能量被聚集并施加到一个检测器。所述多普勒频率就通过某种信号处理器处理所述检测器输出而被确定。所述2型系统包括A-C类型。
在所述2型A种类系统中，所述激光输出被分成两个光束(相同的功率)。两束光都在同一点达到所述目标，但是是从稍微不同的方向上，这在所述目标上产生一个干涉图样。来自于所述目标的一些被反射的能量被聚集并施加到一个检测器上。当所述目标的运动越过所述干涉图样时，到达所述检测器的能量波动。根据所述检测器输出的频率，可以确定所述目标的运动。这个系统不能判断所述运动的方向。
在所述2型B种类系统中，添加了一个布拉格单元，其与所述2型A种类系统的两条分路中的一条串联。结果是所述目标上的干涉图样扫频过所述目标，即使当所述目标是固定的。这在所述检测器的输出中产生了一个抵消，类似于在所述1型B种类系统中的。所述结果是在所述检测器的输出的所述“零多普勒”频率是由所述布拉格单元生成的频率抵消。穿过所述干涉图样的目标速度进一步单向地抵消这个频率，而在另一方向上的运动抵消在另一方向上频率。这样，这个系统可以判断运动的方向。
所述2型C种类系统类似于所述所述2型A种类系统。添加一个延迟到所述两条分路中的一条，所述激光频率被扫频升高，然后被扫频降低。所述扫频如两个独立的步骤一样进行。由于所述延迟和所述频率扫频，落在所述目标上的两条分路的频率不相同，并且在所述目标上的所述干涉图样在一次扫频中单向滑动，在另一次扫频中，向另一向滑动。可以使用一个类似于所述1型C种类系统的方法来确定运动的所述方向。这个系统的问题是所述扫频频率必须被精确地控制。激光器很难做到。如果不这样，就会产生一个多普勒频移的误差。
然而，上述的系统具有一个复杂的速度表或需要昂贵的或要求较大功率的组件。
还有一种测量一个目标速度的传统的多普勒雷达系统。这个系统具有单独的天线，用于发射和接收部分。所述被接收的信号被使用正交混频器与所述发射信号的一个采样进行混合。所述混合操作的结果是要提供一对信号(一个称作“真实的”，另一个称作“虚拟的”)，它们组合起来可以被用来确定所述多普勒频移(速度)和方向。如果所述真实的和虚拟的信号存在一个多普勒频移并且被反向绘图，随着时间的过去，它们的轨迹将是一个圆周。所述轨迹的方向(顺时针或逆时针)给出多普勒频移(速度)方向，并且每秒画下的圆周的数目给出所述多普勒频移(速度)大小。这个类似于1型E种类系统。
还有一种多普勒雷达系统，其构造和所述传统的系统有很大不同。大部分激光器系统以及这个多普勒雷达系统只具有一个单一的混频器，这意味着在所述传统雷达系统中使用的上述技术不能起作用。
图1显示了所述多普勒雷达系统的一个简化的框图。有一个振荡器110，工作在，例如，13.3GHz，其用来生成所述发射功率，和振荡器本身的频率(正交混频器150的参考频率)。所述振荡器110具有一个频率控制，其用来在例如相差450KHz的两个频率之间，频率调制所述振荡器频率。所述频移的目的是使在一个镜像抑制混频器140输出的所述零多普勒频率到一个非零值(在这种情况下450KHz)，使得所述多普勒频率的符号可以被容易地确定。使用一个天线160既用于发射又用于接收，两个功能之间分时。所述发射和接收开关120和130被用来控制所述天线160用来做的这些功能。所述振荡器110的频率被所述发射/接收开关120和130同时地转换。一个是用于发射的频率，另一个是用于接收的频率。思路是同一个振荡器110既用于所述发射功率，在接收时，以一个不同于发射频率的频率，又用于所述振荡器自身的功率。这使得所述镜像抑制混频器140输出的零多普勒频率处于所述两个振荡器频率之间的差分。
所述镜像抑制混频器140的输出被放大、带通滤波(未示出)，并施加到所述正交混频器150上。这个混频器150的所述输出可以被用于一个标准的系统中来确定所述多普勒频率以及它的符号。
然而，由所述振荡器110生成的两个不同的频率之间的差异不能被精确地控制。这意味着不能确切地知道在所述镜像抑制混频器140的输出的零多普勒频率，产生一个不可接受的误差。一些赫兹误差将比较严重。表面上看，这个系统不可能工作，但是它可以。
在对这些系统进行精确的分析之后，逐渐清楚所述零多普勒频率由被用来控制所述发射/接收的频率和频率控制确定。只有那些是转换速率的谐波频率能够存在。所述振荡器频移只能控制在所述转换速率的谐波之间的功率分配。如果所述激光器频移从所述理想的工作频移发生漂移，它不会产生测量误差，只是改变了信号功率以及所述目标可能距离所述系统的最大距离。
本发明的一个实施例是一个速度测量系统，其能够通过合成所述多普勒雷达系统和基于激光器的一个速度测量系统来感应运动的方向和大小。特别地，它涉及如何不通过附加布拉格单元或其他相似的设备来感应运动的方向。
本发明的一个实施例用于测量在所述设备和一个目标之间的相对运动。通过适当的执行，在设备和目标之间的间隔可以是几分之一米到几百或几千米。即使只显示出具有一个光束的系统，大部分应用可以具有至少2个，通常3个或4个，可能5个或6个光束。可以理解所述附加的光束被作为第一个光束执行，可能参与一部分或大部分的执行。
在一个实施例中，如图2所示，一个激光二极管230被用作能量源以及检测器，参阅“使用半导体激光二极管的自混合效应的多普勒速度表”Shinohara等人，Applied Optics 25，May 1，1986，1417-1419。很多激光二极管组件包括一个激光二极管和一个检测二极管，该检测二极管用来监控所述激光二极管的输出。该二极管还可以被用作被接收信号的激光能量检测器。一个恒定电流电源210提供电流来供给所述激光二极管230。通过所述二极管230的电压被接收的光能量改变。通常会避免这样，并且会使用绝缘体阻挡所述被反射的能量来阻止其发生。这里，利用了这个效应的一些优点。
在一个实施例中，所述激光二极管230包括垂直腔体表面发光激光器(VCSEL)，可从霍尼维尔得到。这个二极管在870nm工作，并且所述波长给出一个灵敏度标度因数为435纳米/秒/赫兹的多普勒频移。
所述激光二极管230被由所述恒定电流电源210提供的一个直流电源供给。在一个实施例中，所述激光二极管230功率大约为1毫瓦。这个功率将其置于“保护眼睛”功率级别，并限制这个速度表系统和所述目标之间的最大距离到几英寸，可能1英尺。
这个被提供的电流被一个小振幅正弦波(直流电源的百万分之几)调制，该正弦波在一个正弦波发生器220中生成。这个正弦波被所述二极管230用来幅度调制(AM)和频率调制(FM)所述激光器光信号。所述正弦波还改变在所述电输入到所述二极管230的电压。在这种情况下，所述幅度调制和电压改变是损害性的，期望进行频率调制。然而，在大多数其他的通信系统中，所述幅度调制是理想的，并且调制会更大。这样，本发明的一个实施例忽略了所述二极管230的幅度调制和电压改变。改变所述二极管230的电流改变了所述二极管230中的电荷密度，这改变了光的速度和发射激光的频率。
在其他创造性的实施例中，可以提供一个单独的频率调制部分，位于所述激光二极管230的内部或外部。
所述激光光输出被一个光学组件240聚焦在一个目标250上，其反射光。一些被反射的能量被所述光学组件240聚集，并聚焦回到所述激光二极管230。这个光进入到所述激光二极管230，并影响它的操作，这改变了在所述激光二极管230的电输入的电压。如果可以得到一个监控二极管，并用于检测，来自于所述激光二极管230和所述目标250的光都要在所述检测器上的同一点着陆，并来自于同一个方向。所述被检测的“输出”就在一个典型的多普勒信号处理器270中被处理来确定所述目标250的速度。所述被处理的信号通过一个输出/显示280被输出或显示。附图说明260代表所述目标250的速度的方向。
对于用来调制所述二极管230的少量正弦曲线电流，可以假设由所述电流产生在所述二极管电输入的电压和所述幅度调制也是正弦曲线。假设所述正弦波的频率是F。因为调制信号非常小，所述幅度调制和电压改变也是频率为F的信号。这意味着在所述幅度调制和电压改变中没有生成其谐波，2F，3F，4F等。这对于调频可不一定，调频会产生很多谐波。具有正弦曲线调制，所述调频谐波由贝塞耳函数确定。
数学上，有下面的等式。所述被频率调制的激光二极管230的输出可以表示成
     X(t)＝Cos(ωct+φ(t))            等式1
所述被发射的信号在向所述目标250行进时被延迟了tD，发送回来，与所述未被延迟的发射信号混合。所述结果是
R(t)＝X(t)X(t-tD)＝Cos(ωct+φ(t))Cos((ωc+ωD)(t-tD)+φ(t-tD))
                                                 等式2
其中R(t)所述混合操作的结果，ωc是载波频率，ωD是多普勒频移以及是φ(t)相位调制。
R(t)＝Cos(ωDt+φ(t-tD)-φ(t))                   等式3
在高频项被忽略不计并忽略ωDtD之后，这是一个随机相移。
假设φ(t)＝βCos(ωmt)，就有
R(t)＝Cos(ωDt)Cos(β1Sin(ωm(t-tD/2)))
-Sin(ωDt)Sin(β1Sin(ωm(t-tD/2)))               等式4
以及(参阅关于无线电工程的调制理论或参考数据的任何书籍：无线电，电子学，计算机和通信，Indianapolis，IN，Howard W.Sams &Co.，1985，p.46-39)
R ( t ) = Cos ( ω D t ) ( J 0 ( β 1 ) + 2 Σ n = 1 ∞ J 2 n ( β 1 ) Cos ( 2 n ω m ( t - t D / 2 ) ) )
( ω D t ) ( Σ n = 1 ∞ J 2 n - 1 ( β 1 ) Sin ( ( 2 n - 1 ) ω m ( t - t D / 2 ) ) ) 等式5
注意所述Cos(ωDt)项与偶序列谐波和贝赛耳序列相关联，所述Sin(ωDt)项与奇序列谐波和贝赛耳序列相关联。方便起见，假设所述零序列(谐波)被忽略，因为它会与在所述二极管上的直流偏压相混淆。还假设所述第一序列(谐波)被忽略，因为它会与所述调制信号混淆。
使用所述第二和第三序列给出：
R(t)＝2J2(β1)Cos(ωDt)Cos(2ωm(t- tD/2))
-2J3(β1)Sin(ωDt)Sin(3ωm(t- tD/2))               等式6
现在提供两个自身的振荡器Cos(2ωm(t-tD/2))以及Sin(3ωm(t-tD/2))，它们分别地与R(t)混合(并且所述高频项被忽略)
Re(t)＝Cos(2ωm(t-tD))R(t)＝2J2(β1)Cos(ωDt)Cos(2ωm(t-tD/2))2    等式7
＝J2(β1)Cos(ωDt)
Im(t)＝Sin(3ωm(t-tD))R(t)＝2J3(β1)Sin(ωDt)Sin(3ωm(t-tD/2))2    等式8
＝J3(β1)Sin(ωDt)
等式7和等式8分别代表一个复合对，需要做所述多普勒处理。这里所述多普勒处理可以使用很多种方法进行。通常，Re(t)和Im(t)被合并到一个复合通道Re(t)+jIm(t) ( j = - 1 ) 并被处理。
本发明的一个实施例计算所述复合自相关， 在某个合适的滞后τL的函数，以及从
Figure A0381630100363
计算所述多普勒频率。参阅Miller等人的“一个光谱矩估计的协方差方法”，IEEETransaction on Information Theory，Sep.1972，pp.588-596。
在一个实施例中，所述多普勒信号处理器270包括一个传统的多普勒信号处理器。在这个实施例中，所述系统包括在所述激光二极管230和所述多普勒信号处理器270之间的一个正交混频器(如图1所示)。所述正交混频器处理一个被发射的(频率调制)信号以及从所述激光二极管230接收的一个被反射的(检测的)信号，并提供适合于在所述传统的多普勒信号处理器中使用的一个信号，如下文所述。
如果所述频率调制正弦波是Cos(ωmt)，为了得到真实的部分，所述正交混频器就将所述检测的信号与Cos[2ωm(t-tD)]耦合(参见等式7)，为了得到虚拟的部分，它将所述检测的信号与Sin[3ωm(t-tD)]耦合(参见等式8)。tD是在所述激光二极管230的频率调制部分和所述目标250之间的往返延迟时间。在一个实施例中，所述时间tD足够小并可以被忽略。
在一个实施例中，tD能够被用来确定朝向所述目标250的距离。通过调整Sin[2ωm(t-tD)]和Cos[3ωm(t-tD)]的tD(注意所述正弦和余弦已经被相互交换)直到最后得到的信号为零，可以得到所述范围的估计。在一个例子中，所述范围是tD×c/2，其中c是光速。
或者，如图2所示，所述多普勒信号处理器270可以不需要一个正交混频器，可以直接从一个发射的(频率调制)信号和从所述激光二极管230接收的检测的信号得到速度信息。
本发明可以包含在以上讨论的各种系统中，这些系统如下测量速度的大小和方向。
例1代表在一个非常短的范围内使用1型系统的速度解释。在例1中，假设使用具有635nm波长的激光器使得可以很容易地看清所述光束是否在所述目标上。
在例1中，因为最大速度是50m/s，最大多普勒频率是3.15MHz/(m/s)×50(m/s)＝157MHz。为了避免所述调频谐波的其中一个和所述多普勒混淆，最小调制频率，上面的F，被设为两倍，315MHz。Beta是所述调频的频率偏差和调制频率的比率。一个正弦曲线调频处理的所述第二和第三谐波在Beta大约为3.77时相等(Betal)。Beta和Betal之间有一个关系，β1＝2βSin(ωmtD/2)＝2βSin(ωmdD/c)，其中dD是所述目标距离。知道Betal是3.77以及等式中的其他因素，Beta＝3.07。这样，如果所述最小调制频率是315MHz，所述偏差就一定是3.07×315MHz＝968.5MHz。这对应于所述激光频率的2ppm(百万分之几)。
                 例1
635nm激光器的多普勒数据
激光器-目标范围，米     0.1
波长，纳米＝     635
最大速度，m/s     50
结果
多普勒标度因数，MHz/m/s     3.15
最小调制频率，MHz     315.0
Beta     3.07
偏差，MHz     968.5
偏差，ppm     2.0
Betal     3.77
所述多普勒标度因数(SF)可以从所述激光器波长中确定，SF＝2/λ。假设所述速度测量范围是最大速度的两倍，多普勒频率的范围是是2(SF)Vmax＝4Vmax/λ。所述调制频率，Fm，ωm＝2πFm，至少是这个量。
例1提供了一个机会来指出不需要可调激光器。可调是指一个激光器的频率可以被调整到超出一个相当大的频率(波长)的范围。这里只需要百万分之二。这可以通过一个激光二极管的工作电流或驱动被电流激励的其他激光器的电流小的调制来容易的实现，如，氦氖。例如，霍尼维尔定义它的VCSEL激光器具有调幅灵敏度为dl/dI～0.09nm/mA的波长，这相当于100ppm/mA，虽然霍尼维尔不称他们的产品为“可调的”。通过改变所述驱动电流来改变所述激光器频率是通信系统中的一个典型的问题，因为当所述驱动被改变以开启或关闭所述激光器，所述频率也扫频，产生一个“线性调频”效应。
例2代表了1型系统在长范围内的速度解释。在例2中，使用一个CO2激光器。
                 例2
10600nm(CO2)激光器的多普勒数据
激光器-目标范围，m     1000
波长，nm＝     10600
最大速度，m/s     50
结果
多普勒标度因数，MHz/m/s     0.19
最小调制频率，MHz     18.9
Beta     3.03
偏差，MHz     57.1
偏差，ppm     2.0
Betal     3.77
所述CO2激光器可以用非常高的功率制造，并且它具有一个更长的波长，一个更低的标度因数，这会很简便，因为对于一个给定的最大速度，它允许更低的调制频率。
在本发明的一个实施例中，肉眼看不到所述激光，但是对于电荷耦合器(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)视频照相机可见，包括可携式摄像机。这样，就有可能检验所述真实的目标就是指定目标，不像基于雷达的系统。
本发明的一个实施例还用于所述2型系统中。所述2型系统要求所述激光输出被分成两束光，它们在所述目标上被重新合并，并且使用一个检测器来监控来自于所述目标的反射。可以使用这些原理通过在所述两条分路中放置不相等的延迟来构造它们。这样做的一个方法是发射所述激光输出到光纤中。所述功率可以使用一个功率分配器被分成两条路径。所述的两条路径就具有不同的长度并照亮目标。在上述等式中，所述差分路径长度是tD。
本发明的另一个实施例使用一个单独的检测器350，如图3所示，而不是使用所述激光器既作为源又作为检测器。所述电源，调制器和多普勒信号处理器在图3中没有示出。来自于所述激光二极管300的激光输出被功率分配器310分成两条路径：一条通过一个循环器320和一个瞄准仪330，被所述目标反射(未示出)，通过所述瞄准仪330和循环器320回来到所述功率合并器340，到所述检测器350。另一条路径离开所述功率分配器310，在所述功率合并器340与所述第一条路径合并，并与所述第一条路径一起到达所述检测器350。所述循环器320用来给来自所述目标的反射确定路线，该反射离开所述激光二极管300，朝向所述检测器350。这个实施使得它使用光纤光组件。如上所述的相同的信号处理配置可以被用来提取所述多普勒速度信息。本发明的一个实施例可以在所述激光二极管300和所述功率分配器310之间插入一个绝缘体，来阻止能量被反射回到所述激光二极管300中。
在一个实施例中，一个单独的频率调制部分可以位于所述激光二极管300的内部或外部。在一个实施例中，两个(被频率调制的)激光信号中的一个和一个来自于所述目标250的被反射的信号，它们互相具有不同的信号路径，可以被采样并提供到所述检测器350。在另一个实施例中，所述检测器350能够接收和合并所述被发射的激光信号中的一个和一个被反射的信号。在另一个实施例中，一个单独的合并部分，其可以位于所述检测器350的内部或外部，可以执行合并功能，如耦合被采样信号。
本发明的另一个实施例使用单独的发射和接收瞄准仪330和360，如图4所示。这个实施为发射和接收使用完全独立的路径，只有自身的振荡器功率流连接二者。所述电源，调制器和多普勒信号处理器在图4中未示出。来自于所述激光二极管300的激光输出被所述功率分配器310分成两条路径。这一次，所述激光输出的第一条路径被送入所述发射瞄准仪330，被所述目标反射(未示出)，通过所述接收瞄准仪360和所述功率合并器340回来，到达所述检测器350。另一条路径离开所述功率分配器310，在所述功率合并器340处与所述第一条路径合并，并与所述第一路径一起到所述检测器350。如上所述的相同的信号处理配置可以被用来提取所述多普勒速度信息。
本发明的另一个实施例使用一个发射/接收开关370，如图5所示。可能有很多理想的时候来开启和关闭所述发射机。一种理想的情况是在有雾或下雨的时候。如果传输是连续的，来自于所述系统附近的雾或雨的反射可能会打击所述接收机，阻止所述系统对更多远距离的目标作出反应。对于这种情况，理想的是矩形波调制，而不是正弦波。在这个实施例中，所述转换和调制可以一起执行，所以所述激光器频率在接收期间是一个值，在发射期间是另一个值。注意到，所述激光二极管300不能被中途断绝，因为它将会失掉它的相关性。
理想地，以上的系统可以使用一个或两个瞄准仪，依赖于在不同情况下的选择。
如果所述回波的延迟是所述发射-接收周期时间的一半，将没有接收到的回波。所述回波在所述发射时间返回。这被称作一个测距码(range hole)。可以通过使用一个伪随机的序列来确定所述发射接收状态来大量减少所述测距码。
如果它的延迟与所述发射-接收时间相比很小，到信号处理器的被接收的信号几乎独立于信号宽度。这是因为在它出现的很短的时间内的所述瞬间接收信号电压与信号宽度成反比例。但是所述脉冲的宽度与信号宽度成正比例。结合这些给出sin(x)/x，其中x＝Trπ/T，Tr是所述接收持续时间并正比于所述目标范围，T是所述发射-接收周期时间。这一直保持到Tr＝T/2，当一些接收到的回波开始落入下一个测距码。
本发明可以被用来感应速度或挤压通过一个冲模的材料的数量，金属片通过滚筒的数量，缠绕上(或下)一个线轴的电缆的数量，汽车、火车或球的速度，一种液体的表面的速度，如水，或熔化的金属，包括铝。即，速度测量系统的很多应用通过速度测量的积分实际测量长度。例如，所述激光多普勒速度表系统被用来测量在其下运动的一个电缆(或光纤或木材或绳索)的速度。通过所述速度测量的积分，可以确定所述电缆(或光纤或木材，绳索)的长度。用户的主要的关注可能是所述长度，而不是初步速度的测量。如果所述激光多普勒速度表被系到一个拖车(机动轨道车，拖拉机)上，它可以测量所述拖车的速度。通过积分，可以确定走过的路径的距离。如果加上机头方向和初始的位置，可以确定现在的位置。这被称为航位推测法。
还需要注意的是，速度或速率可以被积分成为距离，使得即使初步测量是速度或速率，距离或数量随着可以得到。以下详细地介绍了多个应用。
               不同应用的激光束的构造
如所有基于多普勒的系统一样，要测量速度的三个分量(u，v，w)需要指向不同方向的至少三束光。所述速度分量u，v和w分别在方向x，y和z上。为了简便，V，X和F用来代表包含速度的分量，位置或方位改变和多普勒频率的估计的矢量，并且，Vi，Xi和Fi用来代表速度，位置或方位改变和多普勒频率的第i个分量。
所述多普勒频率从速度计算出，F(t)＝2λAV(t)，其中A是一个N×M矩阵，由多普勒光束方向的方向余弦构成，N是光束的个数，M是速度分量的个数，是1，2或3。为了从测量到的频率得到速度，使用下列公式V(t)＝A-1F(t)/2λ，假设N＝M，其中A-1是A的逆。
在单个光束只有速度的一个分量的特殊例子中，所述速度可以从V(t)＝F(t)λ/2Cos(θ)计算出，其中θ是在所述光束方向和所述运动方向之间的角度。
如果已知速度，位置或方位改变可以通过积分速度计算出来。这个典型的例子是航位推测法。航位推测法是在现代航行辅助措施问世之前飞机飞行员进行航行的方法。想法是，如果飞行员知道在飞行开始时她在哪以及她的速度和方向，她就能知道她现在在哪。数学地，为了得到距离，包括从速度分量得到方向，需要的计算是积分。
一次测量到的速度分量可以被积分来得到运动的距离，因为速度乘以时间等于距离。这样，如果所述光束的目标或所述多普勒系统(或它的装配)被移动了，所移动的距离可以通过相对于时间积分所测量到的速度来得到。
为了更清楚的说明，所述积分等式是： X ( t ) = ∫ 0 t V ( t ) dt + X initial , 其中Xinitial是初始位置或数量，通常为零。
有很多单一光束系统的应用。这些可以用来测量产生的数量或速率。图6显示了用来测量速率的一个构造，电缆640以该速度被挤压通过一个冲模620。做这个的一个普通的方法是，使电缆在一个滑轮上前进，计算滑轮的旋转。如果不要求精确度，这个方法很好。当电缆在一个滑轮上通过时，它总是会滑脱一段未知的量，会低估通过滑轮的电缆的量。而且，电缆的保护套要足够凉，该保护套要足够硬，当它与滑轮接触时不会受损。
假设，除了角度θ，从一个激光器660中发射出的光束通过一个透镜680被定向在运动的方向上。所述速度由V(t)＝F(t)λ/2Cos(θ)计算出。如果这个假设不正确，可以用Cos(φ)来除以进一步纠正误差，其中φ是与所述电缆运动不重合的光束的数量。
在这种情况下当所述材料640被挤压时，测量的速度对于一个结束的速度为正。这个等式和不重合的纠正用于这里给出的所有其他的单一光束的例子。在不太可能发生的情况下，所述电缆640向后运动到所述冲模620中，将会测量到一个负速度，指示所述电缆640正在向后移动。当所述速度被积分，将得到挤压的电缆640的数量。注意，理想的情况是放置传感器在所述电缆640的直的部分中。如果所述电缆640是弯曲的，例如，它通过一个滑轮(另一种滑轮误差)，在弯曲的外侧的电缆640将变得长一些，长度会测得过高，而在弯曲内侧的电缆640会被测得短一些。
图7显示了使用一个单一光束，当材料(例如，金属片)在一个滚筒辗粉机中离开滚筒720时，来测量材料的数量或速率。图7是一个类似的应用，涉及测量材料离开滚筒的速率和/或数量。速度也是通过V(t)＝F(t)λ/2Cos(θ)计算出。注意所述激光器660不接触所述材料。注意到只有激光能量接触要被测量的物体。在以下情况下这很理想：如果所述材料700非常软，接触到滚筒会受损，或材料非常热容易损害与材料700接触的传感器。在旋转应用中，可能在滚筒720的另外一端的材料旋转不同的数量。所述激光多普勒方法允许沿着滚筒720安装多个传感器，来确保沿着所述滚筒720的整个长度通过相同数量的材料。
图8显示了使用一个光束来测量在两个线轴760和780之间传输的电缆的速度和/或数量。这里显示的只是指出存在的选择，以及对于正常操作符号将为负的结果，因为所述电缆740以相对于前面例子的光束相反的方向运动。当然，可以设计使所述系统允许所述符号在设立期间被反转。而且，所述电缆740在测量点应该是直的以避免误差。
在图8中，通常使所述电缆740滚过一个滑轮并计数滑轮的旋转来进行测量，这受到滑脱误差的影响。这个例子显示，当它从供应线轴780到接收线轴760时，所述光束指向与电缆运动相反的方向。这种可能的运动和距离(长度)的符号将与图6和7中所示的其他例子的符号相反。有可能在安装期间设置正运动的方向。
图9显示了用来在一个通道中测量一种液体800流动的光束。所述液体800可以是一种熔化的金属，水或任何其他液体。假设所述激光多普勒系统与所述通道排成一列并且所述通道是直的。在这种情况下，使用激光多普勒系统有一个优点，就是不需要传感器接触液体800。液体800可能非常热或具有腐蚀性，会破坏一个接触传感器或阻止其工作。
图10显示了安装在一辆汽车(铁路，摩托车，军用坦克，等)上的一个激光多普勒系统。在这种情况下，所述激光多普勒系统被安装在车辆上。通常构造一个速度计或里程表的方法是估计车轮旋转速度或计数车轮旋转。这个方法具有一个附加的误差因素，因为车轮820可能在地上，路基或轨道840上滑脱。
注意到，所述测量的符号是正负变化的。正的速度是在所述多普勒系统和它的目标之间的距离变得更小(靠近的速度)。在另一种情况下，所述多普勒系统是静止的，目标在移动；在这种情况下，它是另一种方式，这样，所述符号变化。
为了测量速度的所有三个分量需要三个激光束。用来测量这三个分量的激光多普勒光束的无穷多个可能的构造中的两个在图11和13中显示出。在图中不是很清楚，但是所述光束被向下倾斜(如图6和10中的θ)，朝向并聚焦在要被估计速度的表面或薄片上。或者，所述表面可以静止，需要得到所述多普勒系统的速度或它安装在其上的的系统的速度。
图11显示了三个激光器860-900的排列以及它们的光学部件指向在三个不同的方向上来获得速度的三个分量。这是俯视图。所述光束被向下倾斜朝向要被测量速度的表面。如果想要使激光器和它们的光学部件互相接近，这个结构很方便。这个结构有可能共用相同的镜头。这个结构要求所述目标在所有三个目标位置具有相同的速度，通常情况是这样。
图12显示了三个激光器910-930的另一种排列以及它们的光学部件指向在三个不同的方向上来获得速度的三个分量。这是俯视图。所述光束被向下倾斜朝向要被测量速度的表面。如果目标小或所述表面速度在不同的位置不同，这个结构很理想，因为所有光束聚焦在相同的点附近，如果目标是液体，通常是这种情况。
图13显示了两个激光器940，950的排列以及它们的光学部件指向在两个不同的方向上来获得速度的两个分量。假设第三个分量已知，通常为零。这是俯视图。所述光束被向下倾斜朝向要被测量速度的表面。
图14显示了四个光束960-990。这个四(或更多)光束系统是超定的并允许估计一个误差速度。这个四光束系统被称为Janus结构。
使用四个或更多光束的系统允许估计一个误差速度，因为它们是超定的。“超定的”意思是光束多于要测量的速度分量。使用三束光来估计两个分量是“超定的”另一个例子。这允许(在真实世界中)不存在的应该是零的速度分量的计算，如果它们不是，指示了测量错误，并且可以用来判断全部的速度估计。
总而言之，本发明的合理应用包括但不局限于下列：
测量地面车辆(坦克)的运动(两个轴，使用三光束)的速度和方向，这辅助开火控制或导航系统或允许航位推测法，
测量两个飞行器的结束速度或测量一个飞行器或一个导弹的地面速度，
加速枪炮，
旋转机械的速度，
开放的通道液体流动，
从直流电流到很多MHz频率的非接触振动测量，以及
积分激光多普勒速度计(LDV)的输出给出距离测量。这能够用来测量在焦点上运动的目标(电缆，光纤，绳索)的长度。
本发明的一个实施例能够感应大约为每秒几微米数量级(具有小的位移，一般为几毫微米)的地面速度，从大约50Hz到大约1kHz的声频。
本发明的另一个实施例能够使用被反射光的干涉测量的(或外差的)感应来指示和操作在所述传感器头内部的所述激光束。
所述激光多普勒速度表的另一个应用是作为激光多普勒振动计。通过指向所述激光多普勒振动计在一个振动目标上，所述速度表可以被用作一个振动计。当所述速度表被指向所述振动目标，所述被测量的速度是所述目标的振动的速度。如果所述速度的测量(所述速度的取样速度)非常大，是最高振动频率的两倍，得到所述目标的振动速度的一个时间序列。
通常地，由一个振动计产生的理想的振动信息是所述振动的位移，不是所述振动的速度。相对于时间积分速度时间序列可以得到所述位移。如果希望得到所述振动的频率频谱，如通常情况下，能够计算所述速度时间序列的傅里叶变换。如果需要所述位移的傅里叶变换，可以通过用它的频率值去除所述速度频率频谱的每一个值来得到。
如果想要一个非接触振动计，这是有用的。如果非接触是重要的，这也会有用；例如，所述目标非常柔软，非常热，是一种液体，或非常不平而不能接触到。应用的另一种类型是，因为它不接触所述目标，它可以被用来扫描或扫频过所述表面目标来寻找某物。
所述激光多普勒速度表的另一种应用是作为麦克。通过使用所述速度表作为振动计并指向它到一个隔膜，该隔膜设计成被声波振动，所述激光多普勒速度表的输出是所述声音压力撞击所述隔膜的时间序列，这就是一个麦克。如果一房间的墙被所述墙的另一面的声波振动，这能够用来听在所述墙的另一面的声音。
上面的描述已经指出了本发明的新颖特征，如应用于各种实施例的，本领域技术人员可以理解在不背离本发明范围的情况下，可以以阐明的设备或过程的形式和细节做各种省略，代替以及改变。因此，本发明的范围被附加的权利要求定义，而不是前面的描述。在权利要求的等价的意义和范围内的变化包含在它们的范围中。

Claims (61)

1.一个测量速度的系统，包括：
一个电源，被配置来提供一个电流；
一个激光发射设备，被所述电流供电，并被配置来发射一个激光信号；
一个频率调制部分，被配置来频率调制所述激光信号；
一个光学部件，被配置来分离所述被频率调制的信号为多个激光信号，并引导所述被分离的信号到一个目标，并且接收从所述目标反射来的至少一个信号；
一个合并部分，被配置来合并通过一个信号路径传输的所述被分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的至少一个被反射的信号；
一个检测器，被配置来检测所述被合并的信号；以及
一个信号处理器，被配置来从所述被检测的信号中提取速度信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光发射设备和所述检测器被一起构造在一个激光器部件中。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述频率调制部分位于所述激光器部件的内部。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述合并部分被配置来接收被分离信号中的所述的一个和所述的至少一个被反射的信号，以及耦合被接收的信号来提供所述被合并的信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光发射设备包括一个激光二极管。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述信号处理器被配置从所述速度信息中提取朝向所述目标的距离信息。
7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括一个正交混频器，被配置来处理所述被检测的信号，该信号适用于所述信号处理器，其中所述信号处理器是一个传统的多普勒信号处理器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述被提取的速度信息包括所述目标的速度的大小和方向。
9.一个测量速度的方法，包括：
发射一个激光信号；
频率调制所述激光信号；
分离所述被频率调制的信号成为多个激光信号；
指引所述被分离的信号到一个目标；
接收从所述目标被反射的至少一个信号；
合并通过一个信号路径传输的分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的至少一个被反射的信号；
检测所述被合并的信号；以及
从所述被检测的信号中提取速度信息。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述合并包括采样被分离的信号中的一个和至少一个被反射的信号，并耦合所述采样的信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述耦合包括相加所述采样信号并平方得到的和。
12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括生成一个电压信号，该信号与所述耦合的信号成正比。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述提取包括处理所述电压信号以得到一个包括符号的多普勒频率。
14.根据权利要求9所述的方法，进一步包括从所述速度信息中计算朝向所述目标的距离信息。
15.一个测量速度的系统，包括：
一个激光发射设备，被配置来发射一个激光信号；
一个频率调制部分，被配置对所述被发射的激光信号执行频率调制；
一个光学部件，被配置来分离所述被频率调制的信号成为多个激光信号，并指引所述被分离的信号到一个目标，并从所述目标接收至少一个被反射的信号；
一个检测器，被配置来检测一个被合并的信号，该信号是合并通过一个信号路径传输的被分离的信号中的一个和通过另一条信号路径传输的至少一个被反射的信号；以及
一个信号处理器，被配置从所述被检测的信号中提取速度信息。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述激光发射设备和所述检测器被一起构造在一个激光器部件中。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述检测器包括一个检测二极管。
18.根据权利要求15所述的系统，进一步包括一个正弦波发生器，被配置来生成一个正弦波，其中所述频率调制部分被配置来以正弦波频率调制所述激光信号。
19.一个测量速度的系统，包括：
一个激光发射设备，被配置来生成一个频率调制的激光信号；
一个光学部件，被配置来分离所述被频率调制的信号成为多个激光信号，并指引所述被分离的信号到一个目标，并接收至少一个从所述目标被反射的信号；
一个合并器，被配置来接收通过一个信号路径传输的分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的被反射的信号中的至少一个，并耦合接收到的信号；以及
一个信号处理器，被配置从所述被耦合的信号中提取速度信息。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述激光发射设备和所述合并器被一起构造在一个激光器部件中。
21.根据权利要求19所述的系统，其中所述合并器包括一个检测器。
22.一个测量速度的方法，包括：
生成一个频率调制的激光信号；
分离所述被频率调制的信号成为多个激光信号；
指引所述被分离的信号到一个目标；
接收至少一个从所述目标被反射的信号；
合并通过一个信号路径传输的分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的至少一个被反射的信号；以及
从所述被合并的信号中提取速度信息。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述合并包括接收所述被分离的信号中的一个和至少一个被反射的信号，并耦合所接收的信号。
24.根据权利要求22所述的方法，进一步包括检测所述被合并的信号，其中所述提取是来自于所述被检测的信号。
25.根据权利要求22所述的方法，进一步包括从所述速度信息中提取朝向所述目标的距离信息。
26.一个测量速度的系统，包括：
一个激光器设备，被配置来生成一个频率调制的激光信号，所述频率调制信号被引导到一个目标并从所述目标反射；
一个检测器，被配置来检测一个合并的信号，该信号是合并通过一个信号路径传输的所述频率调制的激光信号和通过另一个信号路径传输的至少一个被发射的信号；以及
一个信号处理器，被配置来从所述被检测的信号中提取速度信息。
27.根据权利要求26所述的系统，其中所述激光器设备和所述检测器被一起构造在一个激光器部件中。
28.根据权利要求26所述的系统，进一步包括一个合并器，被配置来接收所述被频率调制的激光信号和至少一个被反射的信号并耦合所接收的信号以提供所述被合并的信号。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述检测器进一步被配置以生成一个电压信号，其与所述耦合的信号成正比。
30.根据权利要求26所述的系统，其中所述检测器包括一个检测二极管。
31.根据权利要求26所述的系统，进一步包括一个光学部件，被配置来分离所述被频率调制的信号成为多个激光信号，并引导被分离的信号到所述目标，并接收至少一个被所述目标反射的信号。
32.根据权利要求31所述的系统，其中所述光学部件包括：
一个功率分配器，被配置来分离所述被频率调制的激光信号成为第一和第二分离信号，它们互相具有不同的信号路径；以及
一个瞄准仪，被配置来瞄准和引导第一分离信号到所述目标，并瞄准和引导一个被反射的激光信号到达所述检测器，
其中所述检测器被配置来检测被反射的激光信号和第二分离信号的一个合并的信号。
33.根据权利要求32所述的系统，进一步包括循环器，被配置来接收第一分离激光信号并朝向所述瞄准仪为第一分离激光信号指定路线，以及接收被反射的信号和为其朝向所述检测器指定路线。
34.根据权利要求32所述的系统，其中所述瞄准仪包括：
一个第一个瞄准仪，被配置来瞄准和指引第一分离信号到达所述目标；以及
一个第二瞄准仪，被配置来瞄准和指引一个被反射的激光信号到达所述检测器。
35.根据权利要求34所述的系统，进一步包括一个开关，被配置在所述功率分配器和第一以及第二瞄准仪之间转换所述第一分离激光信号。
36.一个测量速度的方法，包括：
生成一个被频率调制的激光信号，其中所述被频率调制的激光信号被指引到一个目标并从所述目标反射；
合并通过一个信号路径传输的所述被频率调制的激光信号和通过另一个信号路径传输的至少一个被反射的信号；以及
从所述被合并的信号中提取速度信息。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述合并包括采样所述被频率调制的激光信号和至少一个被反射的信号，并耦合所述被采样的信号来提供所述被合并的信号。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述耦合包括相加所述被采样的信号并平方所得到的和。
39.根据权利要求37所述的方法，进一步包括生成一个电压信号，其与所述耦合的信号成正比例，其中所述提取是从生成的电压信号中。
40.根据权利要求36所述的方法，进一步包括检测所述被合并的信号。
41.一个测量速度的方法，包括：
频率调制一个激光信号，所述频率调制的信号被分成多个激光信号并被指引到达一个目标，并从所述目标反射；
接收通过一个信号路径传输的分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的至少一个被发射的信号；
耦合所接收到的信号；以及
从所述耦合信号中提取速度信息。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述耦合包括相加所述接收到的信号并平方所得到的和。
43.根据权利要求41所述的方法，进一步包括生成一个电压信号，其与所述耦合的信号成正比例，其中所述提取是从生成的电压信号中。
44.根据权利要求41所述的方法，进一步包括过滤一个振幅调制分量，其是偶然生成的。
45.一个测量速度的系统，包括：
一个激光发射设备，被配置来发射一个激光信号；
一个频率调制部分，被配置来对所述激光信号执行频率调制，其中所述被频率调制的激光信号被引导向一个运动的目标；
一个功率分配器，被配置来分离所述被频率调制的激光信号成为第一个和第二激光信号，其中所述激光信号中的一个相对于另一个被延迟；
一个合并器，被配置来从所述目标接收以及合并反射的信号，来提供一个合并的信号；以及
一个信号处理器，被配置来从所述合并信号中提取速度信息。
46.根据权利要求45所述的系统，进一步包括一个检测器，被配置来检测被合并的信号。
47.一个测量速度的方法，包括：
频率调制一个激光信号，所述被频率调制的信号被分离成多个激光信号；
引导所述分离的激光信号到一个目标；
合并所述分离激光信号中的一个和来自于所述目标的一个反射的信号；以及
从所述被合并的信号中提取速度信息。
48.根据权利要求47所述的方法，其中所述合并包括接收分离激光信号中的一个和所述被发射的信号，并耦合所接收到的信号来提供所述被合并的信号。
49.根据权利要求47所述的方法，进一步包括检测被合并的信号。
50.一个测量速度的系统，包括：
一个激光器部件，被配置来生成一个被频率调制的激光信号，所述被频率调制的信号被分离成多个激光信号并被引导到一个目标，并从所述目标反射，其中所述激光器部件接收通过一个信号路径传输的被分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的至少一个被反射的信号，并且合并所述被接收的信号；以及
一个信号处理器，被配置从所述被合并的信号中提取速度信息。
51.根据权利要求50所述的系统，其中所述激光器部件包括：
一个激光发射设备，被配置来发射一个激光信号；
一个频率调制部分，被配置对所述被发射的激光信号执行频率调制；以及
一个合并器，被配置来接收和合并所述的被分离的信号中的一个和所述的至少一个被反射的信号。
52.根据权利要求50所述的系统，其中所述激光器部件包括：
一个激光发射设备，被配置来发射一个激光信号；
一个频率调制部分，被配置对所述被发射的激光信号执行频率调制；以及
一个检测器，被配置来接收所述的被分离的信号中的一个和所述的至少一个被反射的信号，并耦合所接收的信号以提供所述被合并的信号。
53.一个测量速度的系统，包括：
一个装置，用于生成一个频率调制的激光信号，所述被频率调制的信号被分离成多个激光信号并被引导到一个目标，并从所述目标反射；
一个装置，用于接收通过一个信号路径传输的被分离信号中的一个和通过另一个信号路径传输的至少一个被反射的信号；
一个装置，用于耦合所接收的信号；以及
一个装置，从所述被耦合的信号中提取速度信息。
54.一个测量速度的方法，包括：
生成一个被频率调制的激光信号，所述被频率调制的信号被引导到一个目标；以及
根据所述被频率调制的激光信号和一个从所述目标被反射的信号的合并来测量所述目标的速度。
55.根据权利要求54所述的方法，其中测量所述速度包括测量下述目标中其中一个的速度：一个运动的车辆，一根被冲模挤压的电缆，一个通过滚筒被辗的金属片，一根在两个线轴之间旋转的电缆，液体的表面，一个振动的物体，一个旋转的机器，或相对于车辆在运动的地面。
56.根据权利要求55所述的方法，进一步包括从被测量的速度中获得朝向所述目标的距离。
57.根据权利要求54所述的方法，其中所述测量包括感应所述目标的在声频从50Hz到1kHz每秒几微米的数量级的地面速度。
58.根据权利要求54所述的方法，进一步包括使用被反射激光信号的干涉测量的或外差的感应。
59.根据权利要求54所述的方法，其中所述测量速度包括测量两个飞行器的结束的速度或测量一个飞行器或一个导弹的地面速度。
60.一个测量速度和距离的方法，包括：
生成一个被频率调制的激光信号，所述被频率调制的信号被引导到一个目标；
根据所述被频率调制的激光信号和一个从所述目标被反射的信号的合并来测量所述目标的速度；以及
通过被测量的速度获得到所述目标的距离。
61.根据权利要求60所述的方法，其中所述测量包括测量一个地面车辆的运动的速度和方向，其辅助一个开火控制或导航系统，或允许航位推测法。
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