CN202854335U - 三维全光纤激光多普勒测速系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三维全光纤激光多普勒测速系统，包括：激光器、第一分束器、第二分束器、三个收发隔离器、三个合束器、三个激光镜头、单片机，上述全部光学器件都使用光纤相互连接;本实用新型不仅在达到原有测速能力的基础上大幅度减小了体积和重量、结构布局更合理、架设更为方便、发射-接收镜头数量减少一半、对冲击振动和高低温变化不明感、对环境洁净度要求低等诸多优点。

Description

三维全光纤激光多普勒测速系统

技术领域

本实用新型涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种三维全光纤激光多普勒测速系统。

背景技术

激光多普勒测速技术被公认为非接触测量的最佳方法，无论是固体、流体还是气体的速度都可测量，广泛的应用在航空航天、地面监控、水力学、流体力学、风洞诊断等诸多领域，在军事和民用领域都有着广阔的应用前景。

激光多普勒测速技术是激光测量、干涉技术、光电测量和光学计量的综合应用之一，是光电仪器的一个亮点。激光多普勒测速技术使用激光束照射被测目标，当被测目标运动时，在反射光波中产生多普勒效应，反射光频率随着目标运动而发生漂移，测量这些反射光中的多普勒频移，就可以在不接触被测目标的情况下测定目标的运动速度。

三维激光多普勒测速技术是指在一维激光多普勒测速技术的基础上，在飞行器上同时使用三个波束对地面测速，通过速度合成计算就可以精确得到飞行器的飞行速度和飞行方向。三维激光多普勒测速技术是一种新型的飞行器测速技术，和其他飞行器测速方法相比三维激光多普勒测速技术具有更高的测速精度和更短的响应时间，在飞行器自动导航领域有着非常好的发展前景。

从原理讲，三个波束分别使用光波多普勒效应原理测速，所得的速度值分别为V₁、V₂和V₃。三个波束在空间直角坐标系内与X轴的夹角分别为θ_x1、θ_x2和θ_x3；与Y轴的夹角分别为θ_y1、θ_y2和θ_y3；与Z轴的夹角分别为θ_z1、θ_z2和θ_z3。

根据速度投影关系用矩阵表达为

$\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\\ V_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_{x1}& {\cos \mathrm{\θ}}_{y1}& {\cos \mathrm{\θ}}_{z1}\\ {\cos \mathrm{\θ}}_{x2}& {\cos \mathrm{\θ}}_{y2}& {\cos \mathrm{\θ}}_{z2}\\ {\cos \mathrm{\θ}}_{x3}& \cos {\mathrm{\θ}}_{y3}& {\cos \mathrm{\θ}}_{z3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\\ V_z\end{array}\right]$

式中，V_x，V_y、V_z是飞行器速度V在X、Y、Z轴上的速度分量，具体数值使用逆矩阵即可求解

$\left[\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\\ V_z\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_{x1}& {\cos \mathrm{\θ}}_{y1}& {\cos \mathrm{\θ}}_{z1}\\ {\cos \mathrm{\θ}}_{x2}& {\cos \mathrm{\θ}}_{y2}& {\cos \mathrm{\θ}}_{z2}\\ {\cos \mathrm{\θ}}_{x3}& \cos {\mathrm{\θ}}_{y3}& {\cos \mathrm{\θ}}_{z3}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\\ V_3\end{array}\right]$

使用解算得到V_x，V_y、V_z可求出飞行器速度

$V=\sqrt{{V_x}^2+{V_y}^2+{V_z}^2}$

三维激光多普勒测速技术中三波束的光学布局和指向精度非常重要，特别是三波束公用一台激光器作为光源时，三波束的光学布局的合理性直接决定了系统的体积、测量精度和可靠性。

目前三维激光多普勒测速技术较为传统的技术方案中，激光传输系统主要使用反射镜和棱镜作为激光传输光学元件。使用反射镜的激光多普勒测速仪器中由于反射镜对机械稳定性能和环境稳定性要求非常苛刻，反射镜面型或位置即使发生微小的变化也会造成较大的角度误差，严重影响系统光学效率。使用棱镜的激光多普勒测速仪器中，棱镜虽然对机械稳定性能要求不高，但是必须考虑高光学路径长度的平衡，造成了光学系统体积庞大、结构自由度低等缺点。

发明内容

鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种三维全光纤激光多普勒测速系统，用以解决现有技术中光学系统体积庞大、结构自由度低等缺点。

本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本实用新型提供了一种三维全光纤激光多普勒测速系统，包括：激光器、第一分束器、第二分束器、三个收发隔离器、三个合束器、三个激光镜头、单片机，上述全部光学器件都使用光纤相互连接，其中，激光器发出激光的使用光纤输出到第一分束器后分为四束，其中三束能量平均分配的光束分别经收发隔离器以及激光镜头后输出，另一束进入第二分束器后分平均为三束本振光束；被测目标反射的三束激光回波信号分别由三个激光镜头采集后输入各自的收发隔离器后输出到各自的合束器，与已输入合束器的本振光束分别进行合束，合束后的三束光束分别由三个接收探测器接收并得到三组相干信号；由单片机对三组相干信号分别进行解析后得到三束光束测量的速度信息，进而对三组速度信息进行速度矢量变换计算后得到被测物体的飞行速度和飞行方向。

进一步地，还包括：三个λ／4波片和一个λ／2波片，其中，每个λ／4波片分别设置于每个收发隔离器和每个激光镜头之间，λ／2波片设置于第一分束器和第二分束器之间，从收发隔离器输出的光束经过λ／4波片进行相位变换后输出给激光镜头，第一分束器输出的光束经过λ／2波片进行相位变换后输出给第二分束器。

其中，所述激光器为光纤激光器、半导体激光器。

所述激光器发出激光频率是进行调制过的或者未进行调制的。

本实用新型有益效果如下：

本实用新型不仅在达到原有测速能力的基础上大幅度减小了体积和重量、结构布局更合理、架设更为方便、发射-接收镜头数量减少一半、对冲击振动和高低温变化不明感、对环境洁净度要求低等诸多优点。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本实用新型实施例所述系统的结构示意图；

图2为简化后的本实用新型实施例所述系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理。

首先结合附图1对本实用新型实施例所述系统进行详细说明。

如图1所示，图1为本实用新型实施例所述系统的结构示意图，具体包括：激光器、λ/2波片、第一分束器、第二分束器、三个收发隔离器、三个合束器、三个λ/4波片、三个激光镜头，上述全部光学器件都使用光纤相互连接。其中，激光器发出激光的使用光纤输出，激光器发出激光的使用光纤传入第一分束器分为四束，三束能量平均分配的光束进入收发隔离器，一束能量较弱为本振光束经λ/2波片进行相位变换进入第二分束器后分平均为三束；通过收发隔离器的三束光束分别经各自的λ/4波片改变偏振态后由激光镜头输出；被测目标反射的三束激光回波信号分别有由三个激光镜头采集，再次经λ/4玻片改变偏振态后反向输入各自的收发隔离器；反向输入收发隔离器的三束回波光束将传递到合束器与三束本振光分别进行合束，合束后的三束光束分别由三个接收探测器接收并得到三组相干信号；最后由单片机对三组相干信号分别进行解析后得到三束光束测量的速度信息，进而对三组速度信息进行速度矢量变换计算后得到被测物体的飞行速度和飞行方向。

其中，上述激光器本身可以是光纤激光器，也可以是半导体激光器或其它类型的激光器。激光器发出激光频率可以是进行调制过的，也可以是未进行调制的。

作为本实用新型的优选实施例，在系统中设置了λ/4波片和λ/2波片，这是由于大地目标漫反射会改变线偏振光的偏振特性，所以需要使用λ/4波片将线偏振光变为圆偏振光。凡能使o光和e光产生λ／4附加光程差的波片称为λ／4波片。若以线偏振光入射到四分之一波片，且θ＝45°，则穿出波片的光为圆偏振光；反之，圆偏振光通过四分之一波片后变为线偏振光。对于λ/2波片，用于补偿回波光束两次经过λ/4波片造成的偏振方向改变和相位延迟，这是因为在光学相干探测的合束混频时，要求两束光的偏振方向一致，这样两束光才能按光束叠加规律进行合成。需要说明的是，如果线偏正光被被测目标反射时对偏振态改变不明显的，系统可以不使用λ/4波片和λ/2波片进行相位变换，从而达到简化系统的目的，简化后的系统如图2所示。

综上所述，本实用新型实施例提供了一种三维全光纤激光多普勒测速系统,在三维激光多普勒测速光学系统中，无论是激光器、激光调制装置、激光传输系统、激光镜头、激光相干检测器件等全部光学元件都采用光纤作为光学接口，使用全光纤化的光学系统组成三维激光多普勒测速仪。使用光纤作为激光传输介质具有着许多极为突出的优点，巨大的工作带宽、优异的传输性能、杰出的使用性能、独特的接续技术等等。将传统的反射镜或棱镜光学系统革新为全光纤化的光学系统，可以说是三维激光多普勒测速技术的更新换代。新型的全光纤化的三维激光多普勒测速技术激光传输效率更高、激光干涉效果更好、体积更小、重量更轻、结构布局更合理、架设更为方便、可以适应更苛刻的环境条件。使用新型的光纤器件就可便利的完成激光频率调制工作、改变激光偏振态，激光的分束和合束也可以轻而易举的完成。在本专利中使用光纤作为激光传输介质还可以将每个波束的发射-接收镜头合二为一，只需三个镜头而非原来的六个镜头就可同时完成三个波束发射和接收激光的工作。

本实用新型的有益效果是，使大幅度提高了三维激光多普勒测速技术的性能，并且将三维激光多普勒测速技术的光学系统完全更新换代。使用新技术的三维激光多普勒测速仪有功耗更低、体积更小、重量更轻、结构布局更合理、架设更为方便、发射-接收镜头数量减少一半、对冲击振动和高低温变化不敏感、对环境洁净度要求低等优点。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种三维全光纤激光多普勒测速系统，其特征在于，包括：激光器、第一分束器、第二分束器、三个收发隔离器、三个合束器、三个激光镜头、单片机，上述全部光学器件都使用光纤相互连接，其中，激光器发出激光的使用光纤输出到第一分束器后分为四束，其中三束能量平均分配的光束分别经收发隔离器以及激光镜头后输出，另一束进入第二分束器后分平均为三束本振光束；被测目标反射的三束激光回波信号分别由三个激光镜头采集后输入各自的收发隔离器后输出到各自的合束器，与已输入合束器的本振光束分别进行合束，合束后的三束光束分别由三个接收探测器接收并得到三组相干信号；由单片机对三组相干信号分别进行解析后得到三束光束测量的速度信息，进而对三组速度信息进行速度矢量变换计算后得到被测物体的飞行速度和飞行方向。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：三个λ／4波片和一个λ／2波片，其中，每个λ／4波片分别设置于每个收发隔离器和每个激光镜头之间，λ／2波片设置于第一分束器和第二分束器之间，从收发隔离器输出的光束经过λ／4波片进行相位变换后输出给激光镜头，第一分束器输出的光束经过λ／2波片进行相位变换后输出给第二分束器。

3.根据权利要求1或2所述的系统，所述激光器为光纤激光器、半导体激光器。

4.根据权利要求1或2所述的系统，所述激光器发出激光频率是进行调制过的或者未进行调制的。

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