基于马赫曾德干涉仪的激光鉴频装置及鉴频方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于马赫曾德干涉仪的激光鉴频装置及鉴频方法。它包括三片反射镜，四块不同形状和大小的特殊棱镜，四分之一波片，三角棱镜，一维压电位移台，两块沃拉斯顿偏振器，两片会聚透镜，四个单元探测器组成，能够将先后两次入射的有微小频率差的单纵模或多纵模平行激光束分成四束相对能量依入射光频率不同而不同的出射光，再用四个单元探测器同时探测每束出射光的能量，把两次入射光对应的四个通道能量探测出来就可以反演出两入射光的频率差。本系统的优点在于：结构紧凑，光程差可粗调也可精细扫描，探测精度高，能够使用多纵模激光入射，对探测器要求较低，特别适合于车载、机载等基于移动平台的各种多普勒激光雷达鉴频系统。
【专利说明】
基于马赫曾德干溃仪的激光鉴频装置及鉴频方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种激光频率鉴定系统，具体设及一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴 频装置及鉴频方法。
【背景技术】
[0002] 多普勒激光雷达常被用来测量风速或硬目标的移动速度，在大气物理学、气象遥 感、军事武器中都有广泛应用，其中用来测量光的多普勒频移装置是运些应用中必不可少 的核屯、部分。目前世界范围内的多普勒激光雷达所用的探测方法大体分两种，相干探测和 非相干探测。非相干探测也叫直接探测，直接探测又分为边沿检测技术和条纹成像技术两 种，边沿检测运用窄带滤光片鉴定风速或运动目标引起的激光的频移，条纹成像运用F-P干 设仪、Fizeau干设仪、Michelson干设仪或Mach-Zehnder (马赫曾德)干设仪的干设条纹与频 率的对应关系鉴定发射光与接收回波之间的频率差从而反演出风速或运动目标的移动速 度，运两种技术在普通工况下都能正常工作且各有优势，然而一旦要将系统放在移动平台 上比如车载甚至星载，运两种技术又均面临过于复杂和庞大，结构不够稳定，要求被检光为 单纵模激光，某些器件要求恒溫条件等问题。本发明正是针对运种情况设计了一种对激光 器稳频精度要求很低，对溫度变化不敏感，不要求激光光源一定要单纵模入射，一旦各部件 固定激光鉴频装置就十分稳定的一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴频装置。运里的马赫曾 德干设仪并非条纹成像式的马赫曾德干设仪，而是一种四通道的非条纹成像的马赫曾德干 设仪，它基于Zhao化化iu和化kao Kobayashi二人于1995年提出的一种用于测风激光雷达 中检测频移的装置，是对原装置的改进，相比原装置，结构更紧凑使得机载甚至星载此激光 鉴频装置成为可能，光程差可调而利于装调、数据获取和反演激光频率，能够接收多纵模入 射激光而拓展了激光鉴频装置的应用范围。由于本激光鉴频装置及鉴频方法没有利用条纹 成像技术，可W归类为一种边沿检测技术。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种可W探测频移的激光雷达鉴频装置及鉴频方法，使得多 普勒激光雷达风场探测、硬目标移动速度探测有一种可W接受多纵模入射激光、受溫度影 响小、对激光器稳频精度要求低又稳定、可靠、紧凑的鉴频装置。
[0004] 为了达到上述目的，本发明中的激光鉴频装置由第一反射镜1，第二反射镜4,第= 反射镜7，第一特殊棱镜2，第二特殊棱镜3，第=特殊棱镜8，第四特殊棱镜9，=角棱镜6，一 维压电位移台5,四分之一波片10,第一沃拉斯顿偏振器11，第二沃拉斯顿偏振器12,第一会 聚透镜13,第二会聚透镜14,第一单元探测器15,第二单元探测器16,第=单元探测器17,第 四单元探测器18共同组成。
[0005] 所述的第一反射镜1、第二反射镜4、第=反射镜7、=角棱镜6、四分之一波片10的 高度不超过第一特殊棱镜2、第二特殊棱镜3、第=特殊棱镜8、第四特殊棱镜9中最低高度的 一半。
[0006] 所述的=角棱镜6下方装有用W精确控制和扫描激光鉴频装置光程差的一维压电 位移台5。
[0007] 平行入射的参考激光或被检激光光束经与入射光轴成45°放置的第一反射镜1反 射后垂直入射进入第一特殊棱镜2,在第一特殊棱镜2的紧挨第二特殊棱镜3的且被部分锻 W半透半反膜的面上，含有参考激光或被检激光50%光能量的光束透过此面直达四分之一 波片10并透过四分之一波片10,而另外含有参考激光或被检激光50%光能量的光在此反射 回第一特殊棱镜2内部，并在与被部分锻W半透半反膜的面平行的另一个面再次被反射，反 射光再透过第一特殊棱镜2和第二特殊棱镜3,到达与此处光轴成45°角放置的反射镜4并被 反射到=角棱镜6,在=角棱镜6中经历两次内反射后出射到与此处光轴成45°放置的第= 反射镜7,被第=反射镜7反射的光遭遇并透过第=特殊棱镜8到达第四特殊棱镜9,运时从 四分之一波片10出射的含有50%参考激光或被检激光能量的光束与从第=特殊棱镜出射 的同样含有50 %参考激光或被检激光能量的光束相互平行，它们垂直入射到特殊棱镜9，被 第四特殊棱镜9抬升一定高度后沿入射光轴出射，出射方向与入射方向相反，出射的两束光 位置高于四分之一波片10、第一反射镜1、第二反射镜4和第=反射镜7的最高高度而低于第 =特殊棱镜8、第二特殊棱镜3、第一特殊棱镜2的最高高度，因此两束光经特殊棱镜9出射后 其中一束将通过四分之一波片10的上方直接到达第二特殊棱镜3,另一束将经历第=特殊 棱镜8到达第二特殊棱镜3;从四分之一波片10上方入射到第二特殊棱镜3的光束穿过第二 特殊棱镜3后到达第一特殊棱镜2的被部分锻了半透半反膜的面后被再次分光，含有参考激 光或被检激光25%的能量的光透过此面并经历第一特殊棱镜2再到达第二沃拉斯顿偏振器 12,被第二沃拉斯顿偏振器12分成两束出射方向不一样的含有不同偏振分量的平行光，一 束斜向上另一束斜向下，两平行光经过第二会聚透镜14被聚焦到其焦平面上的两点，W上 下对齐的第二单元探测器16和第四单元探测器18接收焦平面上的光斑能量;在第一特殊棱 镜2的部分锻有半透半反膜的面上，含有参考光或被检光25%的能量的光从该面反射后，经 历第二特殊棱镜3,被其与第一特殊棱镜2紧挨的面平行的另一个面反射并再次经历第二特 殊棱镜3，出射到第一沃拉斯顿偏振器11前，被第一沃拉斯顿偏振器11分成两束斜出射的含 有不同偏振分量的平行光，运两束光被第一会聚透镜13会聚到达第一会聚透镜13的焦平面 上，光斑落在上下对齐放置的第一单元探测器15和第=单元探测器17上;经历第=特殊棱 镜8到达第二特殊棱镜3的光束穿过第二特殊棱镜3,在第一特殊棱镜2的与两特殊棱镜接合 面平行的另一面处反射一次到达第一特殊棱镜2的部分锻有半透半反膜的面上，在此面上 含有参考激光或被检激光25%光能量的光透过此面到达与两棱镜接合面平行的第二特殊 棱镜3的一面并被反射，反射光束出射第二特殊棱镜3到达第一沃拉斯顿偏振器11，它也会 被分成两束方向不同含有不同偏振光分量的斜出射平行光束并被第一会聚透镜13聚焦到 其焦平面的第一单元探测器15和第=单元探测器17上;在第一特殊棱镜2的部分锻有半透 半反膜的面处还有含有参考激光或被检激光25%光能量的光被反射并出射第一特殊棱镜2 到达第二沃拉斯顿偏振器12,被第二沃拉斯顿偏振器12分成两束方向不同的含有不同偏振 分量的斜出射平行光，运两束平行光再经第二会聚透镜14分别到达其焦平面上的第二单元 探测器16和第四单元探测器18上。
[000引所述的一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴频装置中，=角棱镜6下方装有一维压 电位移台5,用W精确控制或扫描激光鉴频装置的光程差L，此光程差为进入=角棱镜6并两 次透过第=特殊棱镜8的一束平行光与经过四分之一波片10-次的一束平行光之间的光程 之差，前者光程为第一特殊棱镜2和第二特殊棱镜3接合处的分界面处反射的含有50%入射 光能量的光束经历第一特殊棱镜2、第二特殊棱镜3、第二反射镜4、=角棱镜6、第=反射镜 7、第=特殊棱镜8、第四特殊棱镜9、第=特殊棱镜8、第二特殊棱镜3、第一特殊棱镜2后再次 到达前述分界面处的光程，后者光程为在前述分界面处透射的含有50%入射光能量的一束 平行光，经历四分之一波片10、第四特殊棱镜9、第二特殊棱镜3再次到达前述分界面处的光 程，上述所有在棱镜中的光程要乘W棱镜材料的折射率计入总光程中。
[0009] 单纵模激光鉴频时，首先向所述的激光鉴频装置发射一束已知频率的参考单纵模 激光束，由四个单元探测器获取四个光强对应的电压值，然后向所述的激光鉴频装置发射 一束与参考光频率相差不到一个激光鉴频装置自由光谱范围
的被检单纵模激 光束，其中C为真空中的光速，L为激光鉴频装置光程差，由四个单元探测器获取四个光强对 应的电压值。在四个参考光光强检测过程中，扫描参考光频率，运四个参考光光强电压值会 形成四条彼此相隔V2相位的四条正弦曲线，根据四个探测器得到的参考光和被检光对应 的8个电压值在四条正弦曲线中的相对位置关系，可W推算出两者间的光频率差，进而获得 被检光的频率。多纵模激光鉴频时，当入射的参考激光和被检激光是多纵模激光时，若此多 纵模激光的自由光谱范围FSRlaser和本激光鉴频装置的FSRsys相同，则仍然可W用本装置检 测多纵模激光的频移。若此多纵模激光的自由光谱范围和本激光鉴频装置的FSRsys不同，贝U 可W通过调节压电位移台来改变激光鉴频装置的光程差，从而使FSRsys变得与FSRlaser相同， 运样仍然可W使用本激光鉴频装置鉴频。
[0010] 所述的第一特殊棱镜2是一个直五棱柱，其上下底面是一个五边形，其中两条有光 透射或反射的不相邻的边彼此平行，平行的边中较短的一边对应的五棱柱的侧面锻全反射 膜，较长的一边中其与第一反射镜1中屯、和四分之一波片10中屯、连线相交的位置对应的部 分侧面锻半透半反膜，此侧面其余部分锻增透膜，五棱柱的激光入射的侧面锻增透膜。
[0011] 所述的第二特殊棱镜3是一个直六棱柱，其上下底面是一个六边形，其中与第一特 殊棱镜2紧挨的面对应的边和此边的对边是平行关系，与第一特殊棱镜2紧挨的面锻增透 膜，其对边锻全反射膜;光入射和出射第二特殊棱镜3的两个侧面锻增透膜，且运两个侧面 也是平行关系，运两个平行的面与入射或出射自身的光的方向垂直。
[0012] 所述的一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴频装置，其中所述的第=特殊棱镜8是 一个长方体，其与光轴相交的两个侧面锻增透膜，且第=特殊棱镜8只为增加激光鉴频装置 的光程差而存在，如果激光鉴频装置不需要很大的光程差，可W去除第=特殊棱镜8。
[0013] 所述的第四特殊棱镜9是一个直五棱柱，此棱柱的上下底面的形状与五角棱镜和 =角棱镜拼接的立体的上下底面形状相同，在光入射和出射的侧面锻增透膜，其它侧面锻 全反射膜;第四特殊棱镜9可W被一个上下底面中两直角边对应侧面锻全反射膜、斜边对应 侧面锻增透膜的=角棱镜替换。
[0014] 所述的第一沃拉斯顿偏振器11和第二沃拉斯顿偏振器12的光轴都平行或垂直于 四分之一波片10的快轴方向，可W用其它偏振分光元件代替运两个偏振器，只要相应改变 各自后端的会聚透镜、单元探测器的位置即可。
[0015] 所述的=角棱镜6的=个侧面需锻膜处理，其上下底面中直角边对应的侧面锻全 反射膜，斜边对应的侧面锻增透膜。
[0016] 所述的=角棱镜6下方装有用W精确控制和扫描激光鉴频装置光程差的一维压电 位移台5,其运动方向与入射到一维压电位移台5的光束方向一致，扫描系统光程差可W用 来绘制所述的四个单元探测器上的光强随光程差变化的图谱，控制系统光程差则是为了满 足一些特定应用中的调节光程差的需求，比如可W用来寻找系统最高信噪比工作点。
[0017] 所述的第一反射镜1、第二反射镜4、第=反射镜7、=角棱镜6、四分之一波片10的 高度不超过第一特殊棱镜2、第二特殊棱镜3、第=特殊棱镜8、第四特殊棱镜9中最低高度的 一半。
[0018] 所述的一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴频装置可W使用其他偏振分束器件代 替沃拉斯顿偏振器来将入射其中的光的水平偏振光分量和垂直偏振光分量分开探测。
[0019] 所述的第=特殊棱镜8仅为增加激光鉴频装置光程差而存在，如特定应用中不需 要较大光程差，可W去除此棱镜。
[0020] 激光鉴频装置的鉴频方法步骤如下：
[0021] 先入射一束参考激光光束到所述的激光鉴频装置，记录四个单元探测器上对应的 电压值115、116、117、118，然后停止入射参考激光光束并再入射一束与参考光频率相差不到一 个激光鉴频装置自由光谱范围FSRsys的被检激光光束到所述的激光鉴频装置，再次记录四 个单元探测器上对应的电压值115'、Il6'、Il7'、Il8'，根据下面的余切函数计算参考激光入射 时的光程差L，其中C为在真空中的光速，U为入射光频率：
[00剖
（1)
[0023] 求得L后再将L作为已知，将Iis'、Il6'、Il7'、Il8'代入上式中Il5、Il6、Il7、Iis相应位 置，求得被检激光频率U，从而得到两种激光的频率差;上面公式（I)是在四分之一波片的快 轴和沃拉斯顿棱镜光轴的方向平行时适用的求解激光频率的公式，当四分之一波片的快轴 和沃拉斯顿棱镜光轴的方向垂直时，使用下面的公式(2)计算激光频率：
[0024]
(2)
【附图说明】
[0025] 图1是本发明装置构成图，图中标号：1-第一反射镜、2-第一特殊棱镜、3-第二特殊 棱镜、4-第二反射镜、5--维压电位移台、6-=角棱镜、7-第二反射镜、8-第=特殊棱镜、9- 第四特殊棱镜、10-四分之一波片、11-第一沃拉斯顿偏振器、12-第二沃拉斯顿偏振器、13- 第一会聚透镜、14-第二会聚透镜、15-第一单元探测器、16-第二光电探测器、17-第S光电 探测器、18-第四光电探测器。
[0026] 图2是除去一维压电位移台、两个会聚透镜、四个单元探测器的激光鉴频装置=维 视图。
[0027] 图3是俯视视角下入射光束在本装置底层入射到第四特殊棱镜9前的部分光路示 意图。
[0028] 图4是水平视角下光束在第四特殊棱镜9中被"抬升"的光路示意图。
[0029] 图5是俯视视角下自第四特殊棱镜9出射的光束到达两个沃拉斯顿偏振器11、12前 的部分光路示意图。
[0030] 图6是=角棱镜6和一维压电位移台5的位置关系=维视图。
[0031] 图7是平视视角下每个沃拉斯顿偏振器及其后端相应的会聚透镜、两个探测器的 位置关系示意图。
[0032] 图8是不考虑各种误差下四个探测器上接收光强随入射光频率变化的关系图。
【具体实施方式】
[0033] 图1为俯视视角下所述的一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴频装置的实例。图2是 除会聚透镜13、14,单元探测器15、16、17、18，一维压电位移台5外的所有元件的空间^维视 图，清楚地反映了主要元件的相对大小和位置关系。W第一反射镜1所在层为底层，底层还 有第二反射镜2、第=反射镜3、=角棱镜6、四分之一波片10, W第一沃拉斯顿偏振器11、第 二沃拉斯顿偏振器12、第一会聚透镜13、第二会聚透镜14所在的层为顶层，第一单元探测器 15、第二单元探测器16在顶层中较高的位置，第=单元探测器17、第四单元探测器18在顶层 中较低的位置。俯视图观察时第一单元探测器15和第=单元探测器17位置重合，第二单元 探测器16和第四单元探测器18位置重合;第一特殊棱镜2、第二特殊棱镜3、第=特殊棱镜8、 第四特殊棱镜9的高度覆盖底层和顶层，即它们的高度约为反射镜1、2、3，=角棱镜6，四分 之一波片10的两倍。
[0034] -束参考激光或被检激光在底层45°入射第一反射镜1，前进方向由图1中的向上 方向改为向右方向，垂直入射第一特殊棱镜2,在第一特殊棱镜2和第二特殊棱镜3中的底层 的传输如图3中所示，两棱镜的侧面都经过锻膜处理而使入射光在分界面处被分光(具体被 接合面中第一特殊棱镜2上的被锻W半透半反膜的一部分分光），含有参考激光或被检激光 50%光能量的光透射接合面和第二特殊棱镜3,另外含有参考激光或被检激光50%光能量 的光能量的光反射该接合面并在第一特殊棱镜2的另一个侧面被反射，再透过第一特殊棱 镜2和第二特殊棱镜3。此后从第二特殊棱镜3出射的含有最初入射参考激光或被检激光 50%能量的两束光在底层平行向右前进，其中一束光直达快轴在系统水平方向（俯视图中 的竖直方向）的四分之一波片10,此光束的慢轴方向上的偏振分量得到If齡相位延迟，经过 四分之一波片10到达第四特殊棱镜9;令一束光向右前进被与此处光轴成45°斜置的第二反 射镜4反射到=角棱镜6,此=角棱镜6上下底面中直角边对应的侧面被锻全反射膜，斜边锻 增透膜，将向上入射的光反射使其向下前进，到达与光前进方向成45°斜置的第S反射镜7， 被转折为向右前进，垂直入射并出射长方体形的第=特殊棱镜8,到达第四特殊棱镜9。运里 从第一特殊棱镜2和第二特殊棱镜3分界面透射和反射的两束光走过不同的光程都会到达 第四特殊棱镜9的下层，两束光在系统水平方向观察时在第四特殊棱镜9中光路如图4所示。 第四特殊棱镜的上半部分为一个标准的五角棱镜，下半部分为一个=角棱镜，它们组合在 一起形成的第四特殊棱镜9的各侧面的角度使得在底层水平入射的光能够在顶层水平出 射。在系统俯视图图1中，自第四特殊棱镜9向左出射的两束光，上面一束直接到达第二特殊 棱镜3，下面一束经过第=特殊棱镜8到达第二特殊棱镜3，之后两束光在第一特殊棱镜2和 第二特殊棱镜3中的光路如图5所示，二者都在两棱镜的接合面处再次被分光，最后从两棱 镜出射了四束光，然而运四束光两两重合，在空间分布上仍然是两束光。运两束光分别再经 过第一沃拉斯顿偏振器11和第二沃拉斯顿偏振器12,其中各自的P偏振分量和S偏振分量被 第一会聚透镜13、第二会聚透镜14会聚到第一单元探测器15、第=单元探测器17和第二单 元探测器16、第四单元探测器18,如图7所示。
[0035] 至此，一束被检激光或参考激光入射后第一次在第一特殊棱镜2和第二特殊棱镜3 的接合面处分光，两束光经历不同路径的传输后在前述两棱镜的接合面处再次相遇(空间 上的会和），运两束光走过的光程(包含空气中和棱镜材料中）之差即为系统的光程差L。
[0036] 所述的一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴频装置，其特征在于:所述的第一特殊 棱镜2是一个直五棱柱，其上下底面是一个五边形，其中两条有光透射或反射的不相邻的边 彼此平行，平行的边中较短的一边对应的五棱柱的侧面锻全反射膜，较长的一边中其与第 一反射镜1中屯、和四分之一波片10中屯、连线相交的位置对应的部分侧面锻半透半反膜，此 侧面其余部分锻增透膜，五棱柱的激光入射的侧面锻增透膜。
[0037] 所述的一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴频装置，其特征在于:所述的第二特殊 棱镜3是一个直六棱柱，其上下底面是一个六边形，其中与第一特殊棱镜2紧挨的面对应的 边和此边的对边是平行关系，与第一特殊棱镜2紧挨的面锻增透膜，其对边锻全反射膜;光 入射和出射第二特殊棱镜3的两个侧面锻增透膜，且运两个侧面也是平行关系，运两个平行 的面与入射或出射自身的光的方向垂直。
[0038] 所述的一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴频装置，其特征在于:所述的第=特殊 棱镜8是一个长方体，其与光轴相交的两个侧面锻增透膜，且第=特殊棱镜8只为增加激光 鉴频装置的光程差而存在，如果激光鉴频装置不需要很大的光程差，可W去除第=特殊棱 镜8。
[0039] 所述的一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴频装置，其特征在于:所述的第四特殊 棱镜9是一个直五棱柱，此棱柱的上下底面的形状与五角棱镜和=角棱镜拼接的立体的上 下底面形状相同，在光入射和出射的侧面锻增透膜，其它侧面锻全反射膜;第四特殊棱镜9 可W被一个上下底面中两直角边对应侧面锻全反射膜、斜边对应侧面锻增透膜的=角棱镜 替换。
[0040] 所述的一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴频装置，其特征在于:所述的第一沃拉 斯顿偏振器11和第二沃拉斯顿偏振器12的光轴都平行或垂直于四分之一波片10的快轴方 向，可W用其它偏振分光元件代替运两个偏振器，只要相应改变各自后端的会聚透镜、单元 探测器的位置即可。
[0041 ]所述的一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴频装置，其特征在于:所述的=角棱镜6 的=个侧面需锻膜处理，其上下底面中直角边对应的侧面锻全反射膜，斜边对应的侧面锻 增透膜。
[0042]所述的一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴频装置，其特征在于:所述的=角棱镜6 下方装有用W精确控制和扫描激光鉴频装置光程差的一维压电位移台5,其运动方向与入 射到一维压电位移台5的光束方向一致，扫描系统光程差可W用来绘制所述的四个单元探 测器上的光强随光程差变化的图谱，控制系统光程差则是为了满足一些特定应用中的调节 光程差的需求，比如可W用来寻找系统最高信噪比工作点。
[0043] 所述的一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴频装置可W使用其他偏振分束器件代 替沃拉斯顿偏振器来将入射其中的光的水平偏振光分量和垂直偏振光分量分开探测。
[0044] 所述的一种基于马赫曾德干设仪的激光鉴频装置，其中的第=特殊棱镜8仅为增 加激光鉴频装置光程差而存在，如特定应用中不需要较大光程差，可W去除此棱镜。
[0045] 在图5中由右侧入射第一特殊棱镜2和第二特殊棱镜3的接合面的光由于经过两棱 镜之间很薄的空气间隙，其中的反射光实际是被第一特殊棱镜的一部分锻了半透半反介质 膜的面反射，运是一个外反射，反射光有n的相位损失，再加上四分之一波片10给波片慢轴 方向的光分量引入^'相位损失，运两种附加的相位延迟最终使得四个单元探测器上探测到 的光强信号可W用下式表示：
[0046] (3)
[0047] (4)
[004引 （表）
[0049] (6)
[0化0] 其中Io为入射的光束光强：
L为入射光波长，L为系统的光程差，C为真 空中的光速。运四个强度信号随A变化的示意图如图8(四个信号的顺序与四分之一波片的 快轴方向和沃拉斯顿偏振器光轴方向有关，运里两种轴互相平行)所示。图中周期性的强度 信号关于频率的周期为运也是系统的自由光谱范围FSRsys。先后两次入射的频率差相差 化 不到一个FSRsys的不同频率的光经过本装置探测到的四个强度信号是不同的，根据强度与 频率的对应关系，可W反演出两次入射的光的频率差，而根据频率差可W反演出激光雷达 探测的风速、硬目标的移动速度等。反演方法可W用查找表法，也可W用已有的一些文献中 提出的数学方法，即令：
[0胤] 讯
[00 对 （8)
[0化3]
[0054] (9)
[0055] 从而可W得到入射光波长(频率)与四个探测器检测到的信号的一一映射关系，将 参考激光对应的四个通道上探测器探测到的信号（电信号代表光强信号)代入(9)式得到光 程差L，再将被检激光对应的四个通道上探测器探测到的信号和计算的L代入(9)式就可W 得到被检激光的波长(频率）。上面公式(9)和公式（1) 一致，是在四分之一波片的快轴和沃 拉斯顿棱镜光轴的方向平行时适用的求解激光频率的公式，当四分之一波片的快轴和沃拉 斯顿棱镜光轴的方向垂直时，使用公式(2)计算激光频率。
[0056] 实际中任何激光都有展宽，运时探测器探测到的信号强度是入射光光谱展宽和 li，i = 15，16,17，18的卷积，运会影响本系统的探测精度，光谱展宽越小，探测精度越高。
[0057] 对于风速探测，本装置探测器探测到的信号是入射光的光谱与各个通道理论光强 透过率li/Io, i = 15，16，17，18的卷积。先后两次入射光为激光器未出射到大气中的激光和 望远镜接收的大气回波，而入射光如果是大气散射回波，则其经过瑞利散射和米散射的展 宽，运会影响探测到的光强的对比度（即115、116、117、11細对强度），由于瑞利散射的展宽远 比米散射的展宽大，它和各通道光强透过率卷积后为一常数，给各个通道信号带来一个相 同的直流偏置，运时各通道探测器得到的光强信号的相对强度仅与米散射相关，即此时本 装置检测激光频移时仅利用了大气米散射光信号。
[0058] =角棱镜6下方放置一维压电位移台如图6所示，此压电位移台的振动方向与=角 棱镜入射光方向相同，其四角用螺丝固定，螺孔为"U"形，运允许使用者粗调系统的光程差。 压电位移台底部有控制电缆，连接其控制电路。压电位移台的引入能够使本装置具备光程 差控制和扫描的能力，运能够更容易地得到四个单元探测器上的强度谱，反演出频率差，也 有助于找到系统的最高信噪比工作点。
[0059] 在多纵模激光入射条件下，只要调节压电位移台的位置从而调节系统光程差L，使 本装置自由光谱范围FSRsys和入射的多纵模激光的自由光谱范围FSRlaser相同，就能够让所 有纵模光的如图8中的强度谱重合(而相邻纵模强度谱"级次"相差1)，运样各纵模的合强度 谱仍然和单纵模的强度谱谱线形态相同，不影响我们反演频率差。
【主权项】
1.一种基于马赫曾德干涉仪的激光鉴频装置，包括第一反射镜（I)，第二反射镜(4)，第 三反射镜(7)，第一特殊棱镜(2)，第二特殊棱镜(3)，第三特殊棱镜(8)，第四特殊棱镜(9)， 三角棱镜(6)，一维压电位移台（5)，四分之一波片（10)，第一沃拉斯顿偏振器（11)，第二沃 拉斯顿偏振器（12)，第一会聚透镜（13)，第二会聚透镜（14)，第一单元探测器（15)，第二单 元探测器(16)，第三单元探测器(17)和第四单元探测器(18);其特征在于： 所述的第一反射镜（1)、第二反射镜(4)、第三反射镜(7)、三角棱镜(6)、四分之一波片 (10)的高度不超过第一特殊棱镜(2 )、第二特殊棱镜(3 )、第三特殊棱镜(8 )、第四特殊棱镜 (9)中最低高度的一半； 所述的三角棱镜(6)下方装有用以精确控制和扫描激光鉴频装置光程差的一维压电位 移台（5); 平行入射的参考激光或被检激光光束经与入射光轴成45°放置的第一反射镜（1)反射 后垂直入射进入第一特殊棱镜(2)，在第一特殊棱镜(2)的紧挨第二特殊棱镜(3)的且被部 分镀以半透半反膜的面上，含有参考激光或被检激光50%光能量的光束透过此面直达四分 之一波片（10)并透过四分之一波片（10)，而另外含有参考激光或被检激光50%光能量的光 在此反射回第一特殊棱镜(2)内部，并在与被部分镀以半透半反膜的面平行的另一个面再 次被反射，反射光再透过第一特殊棱镜(2)和第二特殊棱镜(3)，到达与此处光轴成45°角放 置的反射镜(4)并被反射到三角棱镜(6)，在三角棱镜(6)中经历两次内反射后出射到与此 处光轴成45°放置的第三反射镜（7)，被第三反射镜(7)反射的光遭遇并透过第三特殊棱镜 (8)到达第四特殊棱镜(9 )，这时从四分之一波片（10)出射的含有50 %参考激光或被检激光 能量的光束与从第三特殊棱镜出射的同样含有50%参考激光或被检激光能量的光束相互 平行，它们垂直入射到特殊棱镜(9 )，被第四特殊棱镜(9)抬升一定高度后沿入射光轴出射， 出射方向与入射方向相反，出射的两束光位置高于四分之一波片（10)、第一反射镜（1)、第 二反射镜(4)和第三反射镜(7)的最高高度而低于第三特殊棱镜(8 )、第二特殊棱镜(3 )、第 一特殊棱镜(2)的最高高度，因此两束光经特殊棱镜(9)出射后其中一束将通过四分之一波 片（10)的上方直接到达第二特殊棱镜(3)，另一束将经历第三特殊棱镜(8)到达第二特殊棱 镜(3);从四分之一波片（10)上方入射到第二特殊棱镜(3)的光束穿过第二特殊棱镜(3)后 到达第一特殊棱镜（2)的被部分镀了半透半反膜的面后被再次分光，含有参考激光或被检 激光25%的能量的光透过此面并经历第一特殊棱镜(2)再到达第二沃拉斯顿偏振器（12)， 被第二沃拉斯顿偏振器（12)分成两束出射方向不一样的含有不同偏振分量的平行光，一束 斜向上另一束斜向下，两平行光经过第二会聚透镜（14)被聚焦到其焦平面上的两点，以上 下对齐的第二单元探测器(16)和第四单元探测器(18)接收焦平面上的光斑能量;在第一特 殊棱镜(2)的部分镀有半透半反膜的面上，含有参考光或被检光25%的能量的光从该面反 射后，经历第二特殊棱镜(3)，被其与第一特殊棱镜(2)紧挨的面平行的另一个面反射并再 次经历第二特殊棱镜(3)，出射到第一沃拉斯顿偏振器(11)前，被第一沃拉斯顿偏振器(11) 分成两束斜出射的含有不同偏振分量的平行光，这两束光被第一会聚透镜（13)会聚到达第 一会聚透镜（13)的焦平面上，光斑落在上下对齐放置的第一单元探测器（15)和第三单元探 测器(17)上;经历第三特殊棱镜(8)到达第二特殊棱镜(3)的光束穿过第二特殊棱镜(3 )，在 第一特殊棱镜(2)的与两特殊棱镜接合面平行的另一面处反射一次到达第一特殊棱镜(2) 的部分镀有半透半反膜的面上，在此面上含有参考激光或被检激光25%光能量的光透过 此面到达与两棱镜接合面平行的第二特殊棱镜(3)的一面并被反射，反射光束出射第二特 殊棱镜(3)至Ij达第一沃拉斯顿偏振器（11 )，它也会被分成两束方向不同含有不同偏振光分 量的斜出射平行光束并被第一会聚透镜（13)聚焦到其焦平面的第一单元探测器（15)和第 三单元探测器（17)上;在第一特殊棱镜(2)的部分镀有半透半反膜的面处还有含有参考激 光或被检激光25%光能量的光被反射并出射第一特殊棱镜（2)到达第二沃拉斯顿偏振器 (12)，被第二沃拉斯顿偏振器（12)分成两束方向不同的含有不同偏振分量的斜出射平行 光，这两束平行光再经第二会聚透镜（14)分别到达其焦平面上的第二单元探测器（16)和第 四单元探测器(18)上； 激光鉴频装置的光程差L为进入三角棱镜(6)并两次透过第三特殊棱镜(8)的一束光与 经过四分之一波片（10)-次的一束光之间的光程差，前者光程为第一特殊棱镜(2)和第二 特殊棱镜(3)接合面处反射的含有50%入射光能量的光束依次经历第一特殊棱镜(2)、第二 特殊棱镜(3)、第二反射镜(4)、三角棱镜(6)、第三反射镜(7)、第三特殊棱镜(8)、第四特殊 棱镜(9 )、第三特殊棱镜(8 )、第二特殊棱镜(3 )、第一特殊棱镜(2)后再次到达前述接合面处 的光程，后者光程为在前述分界面处透射的含有50%入射光能量的一束平行光，经历四分 之一波片（10)、第四特殊棱镜(9)、第二特殊棱镜(3)再次到达前述接合面处的光程，上述所 有在棱镜中的光程要乘以棱镜材料的折射率计入总光程中； 单纵模激光鉴频时，首先向所述的激光鉴频装置发射一束已知频率的参考单纵模激光 束，由四个单元探测器获取四个光强对应的电压值;然后向所述的激光鉴频装置发射一束 与参考光频率相差不到一个激光鉴频装置自由光谱范围FSRsys=^的被检单纵模激光 束，其中c为真空中的光速，由四个单元探测器获取四个光强对应的电压值;在四个参考光 光强检测过程中，扫描参考光频率，这四个参考光光强电压值会形成四条彼此相隔V2相位 的四条正弦曲线，根据四个探测器得到的参考光和被检光对应的8个电压值在四条正弦曲 线中的相对位置关系，可以推算出两者间的光频率差，进而获得被检光的频率;多纵模激光 鉴频时，当入射的参考激光和被检激光是多纵模激光时，若此多纵模激光的自由光谱范围 FSRlaser和本激光鉴频装置的FSRsys相同，则仍然可以用本装置检测多纵模激光的频移，鉴频 方法不变，若此多纵模激光的自由光谱范围和本激光鉴频装置的FSR sys不同，则可以通过调 节压电位移台来改变激光鉴频装置的光程差L，从而使FSRsys变得与FSRi ase3r相同，这样仍然 可以使用本激光鉴频装置鉴频。2. 根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德干涉仪的激光鉴频装置，其特征在于:所述 的第一特殊棱镜(2)是一个直五棱柱，其上下底面是一个五边形，其中两条有光透射或反射 的不相邻的边彼此平行，平行的边中较短的一边对应的五棱柱的侧面镀全反射膜，较长的 一边中其与第一反射镜（1)中心和四分之一波片（10)中心连线相交的位置对应的部分侧面 镀半透半反膜，此侧面其余部分镀增透膜，五棱柱的激光入射的侧面镀增透膜。3. 根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德干涉仪的激光鉴频装置，其特征在于:所述 的第二特殊棱镜(3)是一个直六棱柱，其上下底面是一个六边形，其中与第一特殊棱镜(2) 紧挨的面对应的边和此边的对边是平行关系，与第一特殊棱镜(2)紧挨的面镀增透膜，其对 边对应的侧面镀全反射膜;光入射和出射第二特殊棱镜(3)的两个侧面镀增透膜，且这两个 侧面也是平行关系，这两个平行的面与入射或出射自身的光的方向垂直。4. 根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德干涉仪的激光鉴频装置，其特征在于:所述 的第三特殊棱镜(8)是一个长方体，其与光轴相交的两个侧面镀增透膜，当激光鉴频装置不 需要很大的光程差时，第三特殊棱镜(8)可以被去除。5. 根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德干涉仪的激光鉴频装置，其特征在于:所述 的第四特殊棱镜(9)是一个直五棱柱，此棱柱的上下底面的形状与五角棱镜和三角棱镜拼 接的立体的上下底面形状相同，在光入射和出射的侧面镀增透膜，其它侧面镀全反射膜;或 者第四特殊棱镜(9)是一个上下底面中两直角边对应侧面镀全反射膜、斜边对应侧面镀增 透膜的三角棱镜。6. 根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德干涉仪的激光鉴频装置，其特征在于:所述 的第一沃拉斯顿偏振器(11)和第二沃拉斯顿偏振器(12)可用偏振分光元件替代。7. 根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德干涉仪的激光鉴频装置，其特征在于:所述 的三角棱镜(6)的两直角边对应的侧面镀全反射膜，斜边对应的侧面镀增透膜。8. -种基于权利要求1所述的一种基于马赫曾德干涉仪的激光鉴频装置的激光频率鉴 频方法，其特征在于方法步骤如下:先入射一束参考激光光束到所述的激光鉴频装置，记录 四个单元探测器上对应的电压值"、〖^、"、〖^，然后停止入射参考激光光束并再入射一束 与参考光频率相差不到一个激光鉴频装置自由光谱范围FSR sys的被检激光光束到所述的激 光鉴频装置，再次记录四个单元探测器上对应的电压值115'、1 16'、Ιπ'、118'，根据下面的余 切函数计算参考激光入射时的光程差L，其中c为在真空中的光速，υ为入射光频率：(1) 求得L后再将L作为已知，将Il5'、Il6'、Il7'、Il8'代入上式中Il5、Il6、Il7、Il8相应位置，求 得被检激光频率υ，从而得到两种激光的频率差;上面公式（1)是在四分之一波片的快轴和 沃拉斯顿棱镜光轴的方向平行时适用的求解激光频率的公式，当四分之一波片的快轴和沃 拉斯顿棱镜光轴的方向垂直时，使用下面的公式(2)计算激光频率：⑵。
【文档编号】G01S17/95GK106019259SQ201610538829
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月11日
【发明人】洪光烈, 周艳波, 舒嵘
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所