基于双向单程通信的激光多普勒频移测速的方法与流程

本发明涉及自由空间激光通信和激光测速领域，更具体的说，是一种基于双向单程通信的激光多普勒测速的方法。

技术背景

1964年，杨(YEN)和占明斯(cumnis)首先利用激光的多普勒频移测定了水层流的分布，从而为激光多普勒测速技术的发展解开了序幕。激光多普勒测速技术(LDV)是通过光电探测器探测物体表面散射光或反射光与参考光的频移，得到物体的速度信息。与传统的接触性测量相比较，LDV是一种非接触性测量，它是一种无干扰流场测量技术，具有极高的测量精度。从原理上讲，LDV相应没有滞后，能跟得上物体的快速脉动。它能覆盖从每秒几毫秒到超音速很宽的速度范围，且测量不受物体压力、温度、密度、粘度等参数的影响，它还可以实现一维、二维、三维的速度测量以及运动方向的判断，具有动态响应快、空间分辨率高、测量范围大和实时性等突出优点。

现有技术[张艳艳，巩珂等，激光多普勒测速技术进展[J].激光与红外，2011,40(11):1157-06.]所述的激光多普勒测速技术都是将激光的回波信号和激光的本地参考光信号做差频，这在激光长距离传输时，激光的回波信号就会很弱，探测器难以探测到回波信号，所以需要高功率的激光器和高灵敏度的光电探测器，这就增加了实现的难度。

技术实现要素：

本发明针对现有激光多普勒测速方法(通过光电探测器探测到激光的回波信号和激光的本地参考光信号的差频信号来获得物体的运动速度信息)难以实现激光的长距离传输的不足，采用双向单程通信的方式，在两地同时发送，并同时探测各自的差频信号，通过多普勒频移和速度的关系式获得物体的运动速度。本发明采用双向单程通信的方式，在激光长距离传输时，在不增加对激光器和探测器的性能要求下，仍能通过激光的多普勒频移测出物体的运动速度。

本发明技术解决方案，包括以下几个步骤：

一种基于双向单程通信的激光多普勒频移测速的方法，包括以下几个步骤：

步骤一：将两个测距通信站，即A、B两地的信号同时向对方发射，其中A地的本地信号频率为f_A，B地的本地信号频率为f_B；

步骤二：经t₀时间后，A地接收到来自B地的信号，其频率为f_AR，将A地的本地信号和A地的接收到的信号做差频，得差频后信号的频率为f_AR-f_A；同时B地接收到来自A地的信号，其频率为f_AR，将B地的本地信号和B地的接收到的信号做差频，得到差频后信号的频率为f_BR-f_B；

步骤三：A地接收信号的频率f_AR＝f_B+f_dB，f_dB是B地产生的多普勒频移，

B地接收信号的频率f_BR＝f_A+f_dA，f_dA是A地产生的多普勒频移；

计算A、B两地产生的多普勒频移平均值，公式如下：

$f_d=\frac{f_{dB}+f_{dA}}{2}$

式中，其中，c为光速；

计算A、B两地的相对速度为v，公式如下：

$v=\frac{f_d}{\stackrel{\‾}{f}}c$

式中，

采用双向单程通信的方式，即使在上万公里的距离下，也可以由多普勒频移测出两地的相对速度。

所得的v是A、B两地的相对的瞬时速率，所以可以通过v判定平移台的移动速度的均匀性。

本发明具有如下特点：

1、采用两地同时发送、同时探测差频信号的方式，可以实现激光的长距离传输。

2、在两地由多普勒频移测定速度时，得出的是物体的瞬时速度，所以可以判断速度平移台移动速度的均匀性。

本发明的技术效果：

1、本发明采用双向单程通信的方式，在两地同时发送，同时探测接收，即使在上万公里的距离下，也可以由多普勒频移测出两地的相对速度。

2、与现有的多普勒测速技术相比，本发明，在长距离传输时，在不增加对激光器、探测器等器件的性能要求下，仍能通过激光的多普勒频移测出物体的运动速度。

附图说明

图1为本发明的原理框图

图2为本发明的一个实施例的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明的原理框图，其具体实施包括以下几个步骤：

步骤一：将A、B两地的信号同时向对方发射，其中A地的信号频率为f_A，B地的信号频率为f_A。

步骤二：经t₀时间后，A地接收到来自B地的信号，其频率为f_AR，将A地的本地信号和A地的接收到的信号做差频，可得差频后信号的频率为f_AR-f_A；同时B地接收到来自A地的信号，其频率为f_AR，将B地的本地信号和B地的接收到的信号做差频，可到差频后信号的频率为f_BR-f_B。

步骤三：A地接收信号的频率f_AR＝f_B+f_dB，f_dB是B地产生的多普勒频移，B地接收信号的频率为f_BR＝f_A+f_dA，f_dA是A地产生的多普勒频移。所以A、B两地的差频信号相加取平均值得到

$f_d=\frac{f_{AR}-f_A+f_{BR}-f_B}{2}=\frac{f_B+f_{dB}-f_A+f_A+f_{dA}-f_B}{2}=\frac{f_{dB}+f_{dA}}{2}$

由多普勒频移和速度的关系式其中，c为光速。所以，其中，即可得到两地的相对速度v。

图2为本发明的一个实施例的结构图。由图可见，本发明的光路图中A地的结构包括第一可调谐激光器1、第一1分2光纤分束器2、第一光纤环形器3、第一光纤准直器4、速度控制平移台5、第一2*2光纤定向耦合器6、第一光电平衡探测器7、第一数字示波器8。B地的结构包括第二可调谐激光器9、第二1分2光纤分束器10、第二光纤环形器11、第二光纤准直器12、第二2*2光纤定向耦合器13、第二光电平衡探测器14、第二数字示波器15。

可调谐激光器1输出的光场为

其中，A₁代表光场振幅，ω_A代表光波频率，代表光场的相位噪声。激光输出光信号通过第一1分2光纤分束器2分成两束光强相等的两路光信号，其中一路作为A地的本振信号，表示为

另一路进入第一光纤环形器3的端口1，作为光纤环形器的发射信号。所以A地的发射信号为

可调谐激光器9的输出光场为

其中，A₂代表光场振幅，ω_B代表光波频率，代表光场的相位噪声。激光输出光场通过第二1分2光纤分束器10分成两束光强相等的两路光信号，其中一路作为B地的本振信号，表示为

另一路进入第二光纤环形器11的端口1，作为环形器的发射信号。所以，B地的发射信号表示为

A地的发射信号经过第一光纤准直器4将高斯光准直为平行光，在自由空间传播距离为S(t)后，经过第二光纤准直器12后，传输到第一光纤环形器的端口2，并在第一光纤环形器的端口3被接收，所以，B地的接收光信号的光场表示为

其中，v是速度控制平移台5的移动速度，平移台向B地平移，取v的符号为“+”，S(t)＝S₀-vt，S₀是速度控制平移台5静止时，A、B两地的距离。

从上式中可以看出，接收信号的频率

所以，B的接收光场可表示为

B地的接收光信号E_rB(t)和本振光信号E_LOB(t)作为第二2*2光纤耦合器13的输入信号，2*2光纤耦合器的耦合比为1:1，则第二2*2光纤耦合器13的输出信号的光场表示为

第一平衡光电探测器7将接受到的光信号转为电压信号，表示为

c.c代表前项的复共轭，是信号的幅值，其中R为光电探测器的响应度，D为第一平衡探测器的感光面积，r为探测器电阻。

第一光电平衡探测器探测器7输出的电压信号显示到第一数字示波器上8，并对其做快速傅里叶变换FFT，其峰值对应的频率为f₁

f₁＝f_A+f_dA-f_B+δf₁

其中δf₁是激光器相位噪声带来的频率误差。

理想情况下的测得的角频率ω_A+ω_dA-ω_B，是常数，不影响结果，考虑随机相位项带来的频率误差δf₁

V₁‘(t)的自相关函数为

定义

因为是均值为0，方差为2πΔυ_B|τ|的随机高斯变量，其中Δυ_B是可调谐激光器9的线宽；是均值为0，方差为2πΔυ_A|τ|的随机高斯变量，其中Δυ_A是可调谐激光器1的线宽；su所以也是高斯变量。

因为和是不相干的两个均值为0的高斯变量，所以

$C_{V_1^{\′}}\left(x\right)=K^2{e}^{-2\mathrm{\π}({\mathrm{\Δ\υ}}_B+{\mathrm{\Δ\υ}}_A)\left|\mathrm{\τ}\right|}$

V₁‘(t)的频谱密度函数为

$S_{V_1^{\′}}\left(f\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{C}_{V_1^{\′}}\left(x\right)e^{-jf\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}=\frac{2K^2}{\mathrm{\π}}\[\frac{4\mathrm{\π}({\mathrm{\Δ\υ}}_B+{\mathrm{\Δ\υ}}_A)}{{\[2\mathrm{\π}({\mathrm{\Δ\υ}}_B+{\mathrm{\Δ\υ}}_A)\]}^2+f^2}\]$

其谱宽为4π(Δυ_B+Δυ_A)，所以δf₁＝4π(Δυ_B+Δυ_A)

B地的发射信号经过第二光纤准直器12将高斯光准直为平行光，在自由空间传播距离为S(t)后，经过第一光纤准直器4后，传输到第一光纤环形器的端口2，并在第一光纤环形器的端口3被接收，所以，A地的接收光信号的光场表示为

因为接收信号的频率所以，A地的接收光信号的光场又可以表示为

A地的接收光信号E_rA(t)和本振光信号E_LOA(t)作为第一2*2光纤耦合器6的输入信号，2*2光纤耦合器的耦合比为1:1，则第一2*2光纤耦合器6的输出信号的光场表示为

第一平衡光电探测器将接受到的光信号转为电压信号，表示为

c.c代表前项的复共轭，是信号的幅值，其中R为光电探测器的响应度，D为第一平衡探测器的感光面积，r为探测器电阻。

光电探测器输出的电压信号显示到数字示波器上，并对其做快速傅里叶变换FFT，其峰值对应的频率为f₂

f₂＝f_B+f_dB-f_A+δf₂

其中δf₂是激光器相位噪声带来的频率误差

忽略V₂(t)中的中心角频率项(ω_B+ω_dB-ω_A)t和常数项仅考虑激光器相位噪声式子可写为

则v’₂(t)的自相关函数为

定义

因为是均值为0，方差为2πΔυ_A|τ|的随机高斯变量，是均值为0，方差为2πΔυ_B|τ|的随机高斯变量，所以也是高斯变量。

同理，

$C_{v_2^{,}}\left(x\right)=K^2{e}^{-2\mathrm{\π}({\mathrm{\Δv}}_A+{\mathrm{\Δv}}_B)\left|\mathrm{\τ}\right|}$

V₂‘(t)的频谱密度函数为

$S_{V_1^{\′}}\left(f\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{C}_{V_2^{\′}}\left(x\right)e^{-jf\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}=\frac{2K^2}{\mathrm{\π}}\[\frac{4\mathrm{\π}({\mathrm{\Δ\υ}}_B+{\mathrm{\Δ\υ}}_A)}{{\[2\mathrm{\π}({\mathrm{\Δ\υ}}_B+{\mathrm{\Δ\υ}}_A)\]}^2+f^2}\]$

其谱宽为4π(Δυ_B+Δυ_A)，所以δf₂＝4π(Δυ_B+Δυ_A)

所以，由于激光器相位噪声带来的频率误差为δf

δf＝δf₁+δf₂＝8π(Δυ_B+Δυ_A)。