本发明属于激光传感测量设备技术领域，具体涉及一种nd:yag固体激光器自混合速度传感器，本发明还涉及该nd:yag固体激光器自混合速度传感器测速方法。
背景技术：
速度测量的常用方法是激光多普勒测速法，广泛应用于科研、工业和医疗领域，随着激光自混合干涉技术的兴起，多普勒测速法逐渐结合到激光自混合干涉之中，形成一种仅有一条光路，结构简单紧凑的新型测速方法，测量原理仍是基于多普勒频移与被测物体瞬时速度的线性关系，适用于固体转动、振动速度的测量和流体流速的测量。
激光自混合干涉技术是近年来新兴的一种精密光学非接触测量技术，具有灵敏度高、精度高、动态范围宽、抗电磁干扰等优点，且其测量系统仅有一个干涉通道、易准直、结构简单紧凑、不依赖于激光器类型。当前，激光自混合干涉技术已被广泛的应用于位移、距离、速度、振动等物理量的测量，甚至在工业生产和医学领域也有应用，包括工业探伤研究、三维形貌测量、血液流速测量、耳蜗薄膜振动测量等。激光自混合理论模型和测量技术经过多年发展，目前已经实现了纳米级的位移测量精度，十微米级的距离测量精度和优于1％的相对测速精度。
激光自混合干涉传感器的测量性能主要取决于所用激光器的性质，现有的激光自混合干涉传感器多是基于半导体激光器进行设计，半导体激光器使用方便，但缺少足够的灵活性和扩展性，如果其性能不满足传感要求，唯有重新选型。迄今为止，有少量报道采用微片固体激光器进行自混合干涉测量，但尚未见到将开腔式固体激光器用于激光自混合干涉测量的相关报道。微片固体激光器具有固体激光器的优势且易实现单纵模振荡，但无法灵活调节，开腔式固体激光器由分立元件搭建而成，便于调节，扩展性强，有望成为激光自混合干涉传感器和测量仪器的理想光源。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种nd:yag固体激光器自混合速度传感器，解决了现有激光自混合干涉传感器中光源的模式、线宽、稳定性等特性限制测量性能进一步提高的问题。
本发明的另一个目的是提供一种nd:yag固体激光器自混合速度传感器测速方法。
本发明所采用的技术方案是：nd:yag固体激光器自混合速度传感器，包括nd:yag固体激光器、光电探测器及信号处理电路；nd:yag固体激光器包括用于发射808nm的光波的泵浦用ld，在泵浦用ld所发射的光波的光轴上依次设有泵浦用ld、光纤、耦合透镜组、nd:yag晶体棒、偏振分光棱镜、1064nm半波片及输出耦合镜，泵浦用ld还连接有ld电源；经由偏振分光棱镜反射出的光波由光电探测器接收，光电探测器与信号处理电路连接。
本发明的特点还在于：
信号处理电路中所使用的运算放大器采用精密运放芯片-opa277。
信号处理电路包括依次连接的电流电压转换电路、信号放大电路、低通滤波电路、模数转换器及stm32微控制器，信号处理电路与光电探测器连接。
输出耦合镜朝向1064nm半波片的端面镀有808nm全反膜和对1064nm透过率为5％的介质膜。
nd:yag晶体棒朝向耦合透镜组的端面镀有808nm高透，1064nm高反膜。
本发明所采用的另一个技术方案是，nd:yag固体激光器自混合速度传感器测速方法，采用上述的nd:yag固体激光器自混合速度传感器，具体步骤如下：
步骤1，开启泵浦ld电源，调节泵浦电流直到nd:yag固体激光器出射激光，然后开启信号处理电路；
步骤2，按下stm32微控制器中的启动键，被测外部反射体引起的激光自混合干涉信号会被采集到stm32微控制器中，通过全相位时移相位差法求解信号频率得到反射体的旋转速度ν并显示于stm32微控制器的lcd显示屏上，按下停止键，数据采集和解算过程停止。
本发明的特点还在于：
步骤2中的所述全相位时移相位差法具体为：首先设定适当的n值，取出一段3n-1点的自混合干涉信号，然后将这部分数据分为前后两个2n-1点的数据段，分别用全相位fft求取中间点的相位值，接着用频率校正公得到信号频谱峰值偏移校正量δk，最后用频率估计公式得到精确的自混合信号频率值。
频率校正公式为：
其中，f为校正后的信号频率，k*为信号频谱峰值序号，δk为信号频谱峰值偏移校正量，fs为采样率，n取为2的整数次幂。
旋转速度ν与校正后的信号频率f之间的关系为：
其中λ为激光波长，λ＝1064nm，θ为被测外部反射体表面法线与光轴之间的夹角。
信号频谱峰值偏移校正量δk为：
其中，
本发明的有益效果是：
(1)本发明所采用的开腔式nd:yag固体激光器可以自由调节，扩展，可以通过调节，添加元件进一步改善激光器的性能；
(2)本发明所采用的激光自混合干涉测量仅有一个干涉通道，易准直、结构简单紧凑；
(3)本发明所采用的nd:yag固体激光器，其荧光寿命与光子寿命之比远大于半导体激光器，对光反馈的灵敏度更高，可以得到可见度更高的自混合干涉信号；
(4)本发明采用双折射滤光片(偏振分光棱镜+半波片)进行激光纵模选择，波片旋转调节方便，选模效果良好，可实现单纵模稳定振荡；
(5)本发明采用偏振分光棱镜表面逸出光进行光电探测，避免在腔内或腔外额外进行分光探测，进一步简化了系统结构；
(6)本发明采用全相位时移相位差法校正自混合干涉信号的频率，该方法可在不增加系统复杂度的前提下，提高信号频率求解精度，无需同步采样，抑制频谱泄露能力强、算法简单。
附图说明
图1是本发明nd:yag固体激光器自混合速度传感器的结构示意图；
图2是本发明中信号处理电路的结构框图；
图3是本发明中stm32微控制器控制的流程图；
图4是本发明方法中采用的全相位时移相位差法的流程图。
图中，1.被测外部反射体，2.nd:yag固体激光器，21.ld电源，22.泵浦用ld，23.光纤，24.耦合透镜组，25.nd:yag晶体棒，26.偏振分光棱镜，27.1064nm半波片，28.输出耦合镜，3.光电探测器，4.信号处理电路，41.电流电压转换电路；42.信号放大电路，43.低通滤波电路，44.模数转换器，45.stm32微控制器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种nd:yag固体激光器自混合速度传感器，如图1所示，包括nd:yag固体激光器2、光电探测器3及信号处理电路4；nd:yag固体激光器2包括用于发射808nm的光波的泵浦用ld22，在泵浦用ld22所发射的光波的光轴上依次设有泵浦用ld22、光纤23、耦合透镜组24、nd:yag晶体棒25、偏振分光棱镜26、1064nm半波片27及输出耦合镜28，泵浦用ld22还连接有ld电源21；偏振分光棱镜26和1064nm半波片27构成双折射滤光片进行纵模选择，保证固体激光器单纵模运转；经由偏振分光棱镜26反射出的光波由光电探测器3接收，光电探测器3与信号处理电路4连接。
信号处理电路4中所使用的运算放大器采用精密运放芯片-opa277。
信号处理电路4包括依次连接的电流电压转换电路41、信号放大电路42、低通滤波电路43、模数转换器44及stm32微控制器45，信号处理电路4与光电探测器3连接。
输出耦合镜28朝向1064nm半波片27的端面镀有808nm全反膜和对1064nm透过率为5％的介质膜。
nd:yag晶体棒25朝向耦合透镜组24的端面镀有808nm高透，1064nm高反膜。
本发明还提供了一种nd:yag固体激光器自混合速度传感器测速方法，采用上述的nd:yag固体激光器自混合速度传感器，具体步骤如下：
步骤1，开启泵浦ld电源21，调节泵浦电流直到nd:yag固体激光器2出射激光，然后开启信号处理电路4；
步骤2，按下stm32微控制器45中的启动键，被测外部反射体1引起的激光自混合干涉信号会被采集到stm32微控制器45中，通过全相位时移相位差法求解信号频率得到反射体的旋转速度ν并显示于stm32微控制器45的lcd显示屏上，按下停止键，数据采集和解算过程停止。
步骤2中的所述全相位时移相位差法具体为：首先设定适当的n值，取出一段3n-1点的自混合干涉信号，然后将这部分数据分为前后两个2n-1点的数据段，分别用全相位fft求取中间点的相位值，接着用频率校正公得到信号频谱峰值偏移校正量δk，最后用频率估计公式得到精确的自混合信号频率值。
频率校正公式为：
其中，f为校正后的信号频率，k*为信号频谱峰值序号，δk为信号频谱峰值偏移校正量，fs为采样率，n取为2的整数次幂。
旋转速度ν与校正后的信号频率f之间的关系为：
其中λ为激光波长，λ＝1064nm，θ为被测外部反射体表面法线与光轴之间的夹角。
信号频谱峰值偏移校正量δk为：
其中，
该速度传感器是由nd:yag固体激光器2，光电探测器3和信号处理电路4组成，被测外部反射体1用于标识旋转的外部反射体。泵浦用ld22为固体激光器的泵浦源，其发射的808nm激光通过光纤23由耦合透镜组24会聚于nd:yag晶体棒25的朝向1064nm半波片27的端面，此端面镀有808nm高透，1064nm高反膜，nd:yag晶体棒25的该端面与输出耦合镜28构成激光谐振腔，腔内偏振分光棱镜26和半波片27构成双折射滤光片进行纵模选择，保证固体激光器单纵模运转。nd:yag固体激光器2出射激光被被测外部反射体1表面反射或散射后返回激光腔内发生自混合干涉，反射或散射光由于激光多普勒现象携带了旋转体的转速信息，与腔内光混合成拍，其频率即对应着被测外部反射体1的转速。
图2表示本发明专利的信号处理电路4的结构框图。该部分电路主要是由电流电压转换电路41，信号放大电路42，低通滤波电路43，模数转换器44和stm32微控制器45组成。电流电压转换电路41将光电探测器3得到的电流信号转换为电压信号，信号放大电路42实施对电压信号的放大，低通滤波电路43对放大后的电压信号滤除高频噪声，同时起到数据采集前抗混叠滤波的作用，模数转换器44将滤波后的自混合信号采集到stm32微控制器45中进行后续分析计算。信号处理电路中运算放大器采用精密运放芯片—opa277。
如图3及图4所示，在stm32微控制器中，按键key0和key1控制传感器的工作与停止，spi接口配合dma传输方式加快数据采集速度，减轻stm32微控制器45的运行负荷，led灯显示传感器运行状态，lcd显示屏显示转速测量结果；这部分算法在stm32微控制器45中实现。首先设定适当的n值，取出一段3n-1点的自混合干涉信号，然后将这部分数据分为前后两个2n-1点的数据段，分别用全相位fft求取中间点的相位值，k*表示频谱峰值所在的序号，接着用频偏校正公式得到频偏量δk，最后用频率估计公式得到精确的自混合信号频率值，fs表示采样频率，根据多普勒频移公式，所得频率值与待测转速具有正比关系。
运行于stm32微处理器45的频率求解算法——全相位时移相位差校正法，结合全相位fft抑制频谱泄漏的优良性能和相位差法的频率校正思路，实现自混合干涉信号频率的高精度解算。该方法的核心——全相位fft的本质是将输入信号加权叠加后再进行传统fft分析，无需同步采样，极大地抑制数据截断带来的频谱泄漏的影响，提高了相位检测精度，从而保证了相位差法频率校正的精度。
开腔式固体激光器相对于微片固体激光器和半导体激光器的优势在本发明专利中得以体现，nd:yag固体激光器2采用开腔式设计，可以灵活方便地对出射激光功率和纵模进行调节，也可在腔内插入光阑对横模进行控制。此外，还可以加入pdh稳频措施进一步提高传感器的测量性能，或者加入线性调频元件将其改造为激光自混合距离传感器。