一种相位调制激光多普勒测速系统及测速方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多普勒测速系统及测速方法。
【背景技术】
[0002] 一束频率稳定的激光照射到运动目标上，由于多普勒效应，目标的后向散射光将 会产生一定的频移，通过对后向散射光多普勒频移的测量就可以得到运动目标沿着光束方 向的速度信息，这就是激光多普勒测速仪的基本原理。由于激光多普勒测速仪无以伦比的 测量精度所以在军事、工业等各个领域具有广泛的应用前景。目前，激光多普勒测速仪主要 采用相干探测和直接探测两种多普勒频移测量方法。虽然这两种方法各自具有显著的优 势，但也都存在难以克服的缺陷。相干探测是利用信号光与本振光在平方率探测器上产生 的拍频（差频）信号进行多普勒频移测量，由于本振光对信号光的转换增益作用，以及本振 光与杂散光不具有相干性而产生的滤波作用，从而使相干探测方法具有高信噪比和高测量 精度的优势。但是，由于本振光与信号光所经历空间和时间的不同，它们的孔径、方向、偏 振、波前等参量很难在探测器光敏面上相匹配来获得较高的拍频效率，并且为了保证本振 光与信号光的相干性，必须要求出射激光具有极窄的线宽和很高的频率稳定性，所以采用 相干探测方法对光学系统以及激光器等的要求极其苛刻而难于向全面工程化发展；直接探 测主要是利用回波信号光与出射激光通过边缘滤波器相对能量的变化来进行多普勒频移 测量。由于结构简单、安全可靠、方便灵活等原因，直接探测方法通常采用基于F-P干涉仪 的边缘技术，这种多普勒频移测量方法的优点是对光源和光学器件的要求宽松得多，在技 术上更容易实现，但是其探测器输出信号为基频信号，系统工作带宽较大（进入系统的噪 声较大），且不具有对噪声抑止的物理机制，所以存在测量精度较低的缺点。
[0003] 基于上述原因，相位调制激光多普勒频移测量方法才被提出，其既保留了直接探 测方法对光学系统和激光器要求宽松且工程容易实现的优势，又拥有相干探测方法高测量 精度的优点。其采用相位调制器使信号光在原有频率成分（载波）的基础上产生正负一阶 边带，然后利用F-P干涉仪调整载波和边带的振幅和相位，使它们产生固定频率的拍频信 号，利用此拍频信号的振幅或相位来进行多普勒频移测量。由于产生此拍频信号的光波是 同一信号光的不同频率成分，它们经历了相同的时间和空间，其光束直径、方向、偏振等参 量必然相同，且相干性不会因探测距离的增加而降低，所以其对光学结构以及光源要求宽 松而易于工程实现。利用相关检测方法提取相位调制拍频信号的振幅与相位作为多普勒鉴 频参量，使其具有极窄的工作带宽，可以有效抑制噪声来提高信噪比，从而使其具有较高的 测量精度。相对于以往两种方法（直接和相干探测方法），相位调制方法在工作原理上具有 不可比拟的先天优势。
[0004] 但是，现有的相位调制激光多普勒频移测量方法必须要求探测系统具有能量探测 器，部件较多结构复杂。
[0005] 并且现有的相位调制激光多普勒频移测量方法是利用图4中的虚线1^宽度范围 的部分进行计算的（虚线U宽度范围的部分是单调的），由于虚线Li宽度范围的部分的波 峰和波谷的间距小，即U短；同时虚线Li宽度范围的部分的波峰和波谷的纵坐标差值小。 所以现有的相位调制激光多普勒频移测量方法测量灵敏度较低，多普勒频移测量范围窄。
【发明内容】
[0006] 本发明为了解决现有的相位调制激光多普勒测速系统必须具有能量探测器导致 部件较多结构复杂的问题和为了解决现有的相位调制激光多普勒测速方法灵敏度较低、测 量范围较窄的问题。
[0007] -种相位调制激光多普勒测速系统包括：激光器、偏振分光片、机械开关、第一凸 透镜、旋转目标、第二凸透镜、多模光纤、第三凸透镜、偏振片、第四凸透镜、光纤相位调制 器、第五凸透镜、扩束镜、F-P干涉仪、第六凸透镜、光电倍增管、驱动器、信号发生器、数据采 集卡、输出卡和计算机；
[0008] 在机械开关开启时，激光器发出信号光，经过偏振分光片后经过第一凸透镜的中 心；
[0009] 第一凸透镜的中心设置在经过偏振分光片的光路上；
[0010] 信号光经过振分光片和第一凸透镜的中心后，达到旋转目标并反射回来；信号光 经过第一凸透镜的中心，通过开启的机械开关后，经过偏振分光片反射，然后信号光经过第 二凸透镜的中心；
[0011] 第二凸透镜的中心设置在经过偏振分光片反射后信号光的光路上；
[0012] 信号光经过第二凸透镜后，经过多模光纤进入第三凸透镜准直，然后再经过偏振 片，使信号光变成线偏振光；固定偏振的信号光经第四凸透镜收集，进入光纤相位调制器；
[0013] 信号发生器产生一定频率和振幅的正弦信号，经驱动器放大后作用在光纤相位 调制器上，对信号光进行正弦相位调制，同时信号发生器输出的信号作为触发信号连接到 数据采集卡上；经过光纤相位调制器的信号光依次经过第五凸透镜与扩束镜后，垂直入射 F-P干涉仪，F-P干涉仪的透射信号光经第六凸透镜会聚到光电倍增管上，光电倍增管的输 出信号由数据采集卡采集；利用输出卡的输出信号来控制激光器的输出频率，同时利用激 光器的输出信号来检测信号光的状态；
[0014] 第三凸透镜、偏振片、第四凸透镜同轴设置；
[0015] 第五凸透镜、扩束镜、F-P干涉仪、第六凸透镜、光电倍增管同轴设置；
[0016] 所述多模光纤连接第三凸透镜；
[0017] 所述信号发生器分别连接数据采集卡和.驱动器；
[0018] 所述驱动器连接光纤相位调制器；
[0019] 所述光电倍增管连接数据采集卡；
[0020] 所述输出卡分别连接计算机和激光器；计算机通过输出卡控制激光器出射信号光 的频率《 ;
[0021] 所述计算机连接激光器，控制激光器的工作状态。
[0022] 测速系统如图1所示，图中实线表示光路，虚线表示电路。
[0023] 利用所述的相位调制激光多普勒测速系统实现测速的方法，包括以下步骤：
[0024] 步骤一：在机械开关处于关闭状态时，利用计算机控制输出卡调节激光器的输出 频率，即信号光的频率《，并利用计算机对数据采集卡采集到的不同激光器频率下的输出 电流i(t)，绘制出nA(?)的频移变化曲线；
[0025] 步骤二：在机械开关关闭的情况下，在相位调制激光多普勒测速系统正常工作状 态下，计算机对数据采集卡采集到的输出电流i(t)，并计算出;利用nA(?)的频移 变化曲线，确定测量出射信号光的频率值；
[0026] 步骤三：在机械开关开启的情况下，单频率信号照射到物体并返回，按照步骤二的 操作得到运动物体后向反射信号光频率的值；
[0027] 步骤四：计算步骤二和步骤三出射信号光的频率的差值A ? = ，即为运 动物体在信号光径向上速度产生的多普勒频移，利用其计算出运动物体在信号光径向上速 度。
[0028] 与现有的相位调制激光多普勒测速方法相比，本发明的测速方法不需要对光的能 量进行检测，所以本发明的一种相位调制激光多普勒测速系统不需要设置能量探测器，本 发明的一种相位调制激光多普勒测速系统部件简单，而且少了一条噪声混入的通道，并且 也避免了能量的损失造成的测量精度不高的问题。
[0029] 同时，与现有的相位调制激光多普勒测速方法相比，本发明的