基于扫描振镜的车载激光多普勒测速仪的制作方法

本发明是涉及激光测速技术领域，特别是涉及一种车载激光多普勒测速仪。

背景技术：

激光多普勒测速仪的基本原理是：将一束激光入射到相对运动物体上，其散射光的频率与入射光的频率不同，二者之差就是多普勒频率，它与物体的运动速度成正比，因此通过探测多普勒频率即可测量物体的运动速度。

将激光多普勒测速仪装在车辆上可以为车辆提供准确的实时的速度参数。激光多普勒测速仪常见的测量模式有三种：参考光模式、自混合模式及双光束差动模式。

目前双光束差动激光多普勒技术已经比较成熟，但是应用于陆地测速时，行驶路面会上下起伏，而双光束激光多普勒测速仪无法进行离焦测量。

自混合模式通过检测激光器后端输出光强的波动频率来测速，工作电流和外界温度的变化对多普勒频率的测量精度影响非常大，使得自混合模式的激光多普勒测速仪测速精度不高。自混合模式属于单光束系统，无法采用频移技术来判定载体的运动方向。

参考光模式的激光多普勒测速仪既可以进行离焦测量，也可以应用频移技术判别运动方向，而且测速精度可达0.1％以内。

综上，这三种模式之中，参考光模式的激光多普勒测速仪最适合应用于车载系统。

传统参考光束型激光多普勒测速仪的原理公式为

其中fd是多普勒频率，λ是激光波长，θ是测速系统的激光发射倾角，v是待测物体的运动速度。通过探测多普勒频率，即可解算出载体的运动速度

当车式载体在理想的平整路面上行驶时，如图1所示，载体的运动速度为vx，多普勒频率为

车式载体的运动速度为

在实际行驶过程中，当地形比较复杂时，车辆发生颠簸，参考光束型激光多普勒测速仪的出射激光的发射倾角会发生变化，载体在竖直方向上产生一定的起伏速度，如图2所示，此时的多普勒频率为

其中：δθ为发射倾角的变化量；vz为载体在竖直方向上的起伏速度。从而解算出车辆的运动速度为

速度测量的相对误差为

由式(7)可知，当地面起伏引起车辆颠簸时，激光的发射倾角不再保持为θ，而是产生δθ的倾角变化量，从而引入速度测量误差δvx。假设vx＝10m/s,θ＝30°,δθ＝5°，vz＝0.1m/s，由式(7)计算出速度的相对误差达到4％。

为解决激光发射倾角变化带来的测量误差，周健等人使用两套参考光束型子系统分别以相同的发射倾角向车头和车尾方向的地面发射激光束，保持发射频率相同，同时测量各自的多普勒频率，从而解算出激光发射倾角的变化量，得到载体的运动速度。该方法显著提高了测速精度，但有一个明显的缺点是使用两套激光多普勒测速仪，使得测速仪整体结构更加复杂、成本大大增加。

技术实现要素：

针对现有各种结构的测速仪存在固有的缺陷，特别是针对现有的参考光束型激光多普勒测速仪在应用于车载系统时激光发射倾角变化的缺点。本发明的目的是提供了基于扫描振镜的车载激光多普勒测速仪，其能够适应车辆的在不平整路面上的颠簸摇摆，提高车辆在运行过程中的测速精度。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

基于扫描振镜的车载激光多普勒测速仪，测速仪安装在载体(一般是车辆)上随载体运动，测速仪包括参考光束型激光多普勒测速探头、同轴电缆、信号处理单元以及显示屏，参考光束型激光多普勒测速探头将激光入射到行驶面(一般为地面)上并收集散射光形成检测信号，参考光束型激光多普勒测速探头输出的检测信号经同轴电缆传输至信号处理单元，信号处理单元实现速度解算，信号处理器与显示屏连接，将解算的结果在显示屏上显示。本发明的创新之处在于：在参考光束型激光多普勒测速探头其激光入射到地面前的激光路径上设置扫描振镜。

扫描振镜具有两个工作位置，第一工作位置以及第二工作位置。扫描振镜处于第一工作位置时，参考光束型激光多普勒测速探头入射到地面的激光直接入射到地面；扫描振镜处于第二工作位置时，参考光束型激光多普勒测速探头入射到地面的激光入射到扫描振镜上，经扫描振镜反射出的激光入射到地面。

所述扫描振镜连接有驱动电机，驱动电机连接扫描振镜控制器。扫描振镜连接在驱动电机的输出轴上，扫描振镜在驱动电机的驱动下转动，实现其位置调整。驱动电机驱动扫描振镜使其处于第一工作位置时，参考光束型激光多普勒测速探头入射到地面的激光直接入射到地面；驱动电机驱动扫描振镜使其处于第二工作位置时，参考光束型激光多普勒测速探头入射到地面的激光入射到扫描振镜上，经扫描振镜反射出的激光入射到地面。

扫描振镜控制器与信号处理单元通信连接，信号处理单元通过扫描振镜控制器控制扫描振镜以一定频率转动到第一工作位置和第二工作位置。扫描振镜的第一工作位置和第二工作位置之间的转动角度为α，一般为20°以内。

本发明中参考光束型激光多普勒测速探头包括激光器压缩准直透镜组，分束镜，衰减片，全反镜，滤光片，1#小孔光阑，探测器、2#小孔光阑以及扫描振镜；激光器发射出来的激光经压缩准直透镜组压缩准直后入射到分束镜，由分束镜分成等强度的两束激光，其中一束激光透过衰减片射到全反镜后再次反射到衰减片进行衰减后经分束镜、滤光片、1#小孔光阑后作为参考光被探测器接收；另一束激光的激光路径上设置有2#小孔光阑、扫描振镜以及地面，激光经透过2#小孔光阑后，通过扫描振镜的作用入射到地面。当扫描振镜处于第一工作位置时，透过2#小孔光阑的激光直接向前入射到地面(即行驶面)，地面的一部分散射光作为信号光经过2#小孔光阑、分束镜、滤光片、1#小孔光阑后被探测器接收。当扫描振镜处于第二工作位置时，透过2#小孔光阑的激光先入射到扫描振镜，经扫描振镜反射后出射到地面，地面的一部分散射光经过扫描振镜、2#小孔光阑、分束镜、滤光片、1#小孔光阑后作为信号光被探测器接收。设t1时刻扫描振镜转动到第一工作位置，t2时刻扫描振镜转动到第二工作位置。在t1时刻，探测器收集参考光和信号光混频形成多普勒电流信号，将收集到的多普勒电信号经放大电路进行放大后经由同轴电缆传送至信号处理单元，提取出对应的多普勒频率fd1；在t2时刻，探测器收集参考光和信号光混频形成多普勒电流信号，将收集到的多普勒电信号经放大电路进行放大后经由同轴电缆传送至信号处理单元，提取出对应的多普勒频率f′d2。

根据先后测量得到的两个多普勒频率(考虑到两个多普勒频率时间不对应，其中一个多普勒频率需要进行修正)，可以推算出发射倾角的变化量，进而得到车辆的运动速度，消除车辆颠簸时发射倾角变化对测速精度的影响。

具体地，探测器收集参考光和信号光混频形成的多普勒电流信号，并将多普勒电流信号输入到前置放大电路进行放大并以电压信号输出给运算放大电路，运算放大电路进一步放大电压信号便于后续的采集与处理，最后经由同轴电缆传送至信号处理单元。

本发明中，所述激光器为单纵模固体激光器。

本发明中，车辆在平整地面(即地面水平)上平稳运行时，当扫描振镜处于第一工作位置，透过2#小孔光阑的激光直接向前入射到地面时，入射到地面的激光与地面之间的夹角为激光发射倾角，角度为θ。当扫描振镜处于第二工作位置，透过2#小孔光阑的激光先入射到扫描振镜，经扫描振镜反射后出射到地面，此时出射到地面的激光与地面之间的夹角为出射激光倾角，角度为θ。

进一步地，参考光束型激光多普勒测速探头的输出频率为f1(一般为几十hz)，扫描振镜的转动频率为f2(一般为百hz量级)，且f2远远大于f1。

进一步的，所述信号处理单元与扫描振镜控制器之间进行双向通信的流程如图3所示，当扫描振镜控制器接收到信号处理电路的指令后通过驱动电机驱动扫描振镜转动到第一工作位置，然后扫描振镜在第一工作位置保持静止，此时扫描振镜控制器给信号处理单元反馈扫描振镜处于第一工作位置的指令，这时信号处理单元开始采集扫描振镜处于第一工作位置时的多普勒信号并进行处理；当信号处理单元处理完毕后，再次发送指令给扫描振镜控制器，通过驱动电机驱动扫描振镜转动到第二工作位置，然后扫描振镜在第二工作位置保持静止，此时扫描振镜控制器给信号处理单元反馈扫描振镜处于第二工作位置的指令，这时信号处理单元开始采集扫描振镜处于第二工作位置时的多普勒信号并进行处理；最后信号处理单元综合扫描振镜处于第一工作位置、第二工作位置时的多普勒信号进行速度解算；这样一个测速周期(t1时刻至t2时刻)完成，测速周期间的时间间隔为t1时刻至t2时刻之间的时间间隔，进入下一个测速周期，如此循环。

进一步的，所述信号处理单元中先对输入的多普勒信号进行快速傅里叶变换(fft)，然后再运用频谱细化技术提高频谱分辨率，最后再利用频谱校正技术对细化后的频谱进行修正，从而提取出对应的多普勒频率。

对于t1时刻、t2时刻对应得到的两个多普勒频率fd1和f′d2。由于这两个多普勒频率对应的不是同一时刻，因此需要对其中一个多普勒频率进行修正。因为测速周期间的时间间隔为t1时刻至t2时刻之间的时间间隔，时间间隔非常短，本发明将载体(如车辆)在前后相邻测速周期内的运动认为是匀变速直线运动即加速度a不变，这样可以根据t1时刻前面两个测速周期内测得的速度数据和时间间隔计算得到载体(如车辆)的加速度a，并认为当前测速周期即t1时刻到t2时刻之间的加速度也为a，因为载体(如车辆)的加速度不可能剧烈变化，然后利用加速度a对t1时刻多普勒频率fd1按照(8)式进行修正。

其中λ是激光波长，θ是激光发射倾角。

最后再根据多普勒频率f′d1和f′d2，推算出激光发射倾角θ的变化量，进而得到载体(如车辆)的运动速度，消除地面颠簸对测速精度的影响。

本发明的工作原理为：

传统参考光束型激光多普勒测速仪的原理公式为

其中fd是多普勒频率，λ是激光波长，θ是激光发射倾角，v是待测物体的运动速度。

通过探测多普勒频率，即可解算出载体的运动速度

当载体(如车辆)在理想的平整路面上行驶时，如图1所示，载体的运动速度为vx，多普勒频率为

车式载体的运动速度为

载体(如车辆)在实际行驶过程中，由于地面起伏、车辆颠簸，出射激光的发射倾角会发生变化，载体在竖直方向上产生一定的起伏速度，如图2所示，此时的多普勒频率为

其中：δθ为发射倾角的变化量；vz为载体在竖直方向上的起伏速度。

本发明加入扫描振镜控制激光的出射方向后，如图5所示，t1时刻，扫描振镜位于第一工作位置a时，出射激光向前直接发射到地面。t2时刻，扫描振镜位于第二工作位置b时，出射激光经扫描振镜反射后再向后发射到地面。t1时刻、t2时刻对应得到的两个多普勒频率fd1和f′d2。利用加速度a对t1时刻多普勒频率fd1进行修正，修正后的多普勒频率f′d1如公式(8)所示。由公式(13)可知，两个多普勒频率与发射倾角的变化有关，具体关系为

载体(如车辆)在实际行驶过程中，载体(如车辆)在竖直方向上的起伏速度vz远小于vx，而且发射倾角的变化量δθ也较小，对式(14)、(15)进行一定近似可得

从而求得载体(如车辆)的前进速度为

本发明与现有的激光多普勒测速仪相比优点在于：

本发明仅使用一套参考光束型激光多普勒测速系统，通过控制扫描振镜改变激光的出射方向，根据激光束在两个不同出射方向下系统所得两个相邻的多普勒频率推算发射倾角的变化量，进而得到车辆的运动速度。本发明具有测量装置相对简单、成本较低、工作效率高、测量精度高等优点。同时本发明巧妙使用扫描振镜来测量激光发射倾角的变化，减小地面颠簸对测速精度的影响，从而提高了系统的测速精度。

附图说明

图1是参考光束型激光多普勒测速仪随车在平整路面上平稳行驶时的示意图。

图2是参考光束型激光多普勒测速仪随车在起伏颠簸路面上行驶时的示意图。

图3是本发明的结构示意图；

图4是扫描振镜机构示意图；

图5是信号处理单元与扫描振镜控制器之间进行双向通信的流程图；

图中：参考光束型激光多普勒测速探头-1，行驶地面-2，同轴电缆-3，信号处理单元-4，显示屏-5，激光器-6，压缩准直透镜组-7，分束镜-8，衰减片-9，全反镜-10，滤光片-11，1#小孔光阑-12，探测器-13，2#小孔光阑-14，扫描振镜-15，扫描振镜控制器-16，前置放大电路-17，运算放大电路-18，电源-19，驱动电机-20，第一工作位置-a，第二工作位置-b。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，做进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

参照图1，参考光束型激光多普勒测速仪安装在车辆上，当车辆在平整的地面(即地面水平)上行驶时，平稳运行时，安装在车辆上的参考光束型激光多普勒测速仪的发射倾角不发生变化且角度为θ。

参照图2，参考光束型激光多普勒测速仪安装在车辆上，当车辆在起伏颠簸路面上行驶时，安装在车辆上的参考光束型激光多普勒测速仪的发射倾角发生变化，发射倾角的变化量为δθ。

参照图3，为本发明的结构示意图。基于扫描振镜的车载激光多普勒测速仪，测速仪安装在车辆上随车辆在行驶地面2上行驶运动。测速仪包括参考光束型激光多普勒测速探头1、同轴电缆3、信号处理单元4以及显示屏5。

激光器-6，压缩准直透镜组-7，分束镜-8，衰减片-9，全反镜-10，滤光片-11，1#小孔光阑-12，探测器-13，2#小孔光阑-14，扫描振镜-15，扫描振镜控制器-16，前置放大电路-17，运算放大电路-18，电源-19，驱动电机-20，第一工作位置-a，第二工作位置-b。

参考光束型激光多普勒测速探头1包括激光器6、压缩准直透镜组7，分束镜8，衰减片9，全反镜10，滤光片11，1#小孔光阑12，探测器13、2#小孔光阑14以及扫描振镜15。

激光器6发射出来的激光经压缩准直透镜组7压缩准直后入射到分束镜8，由分束镜8分成等强度的两束激光，其中一束激光透过衰减片9射到全反镜10后再次反射到衰减片9进行衰减后经分束镜8、滤光片11、1#小孔光阑12后作为参考光被探测器13接收。另一束激光的激光路径上设置有2#小孔光阑14、扫描振镜15以及行驶地面2，激光经透过2#小孔光阑14后，通过扫描振镜15的作用入射到行驶地面2。

图4是扫描振镜机构示意图。扫描振镜机构包括扫描振镜15、驱动电机20和扫描振镜控制器16。所述扫描振镜15连接有驱动电机20，驱动电机20连接扫描振镜控制器16。扫描振镜15连接在驱动电机20的输出轴上，扫描振镜15在驱动电机20的驱动下转动，实现其位置调整。扫描振镜15具有两个工作位置，第一工作位置以及第二工作位置。车辆在平整地面(即行驶地面视为水平)上平稳运行时，当扫描振镜15处于第一工作位置时，透过2#小孔光阑14的激光直接向前入射到行驶地面2，此时入射到行驶地面2的激光与行驶地面2之间的夹角为激光发射倾角，角度为θ。当扫描振镜15处于第二工作位置时，透过2#小孔光阑14的激光先入射到扫描振镜15，经扫描振镜15反射后出射到行驶地面2，此时出射到行驶地面2的激光与行驶地面2之间的夹角为出射激光倾角，角度同样为θ。

扫描振镜控制器与信号处理单元通信连接，信号处理单元通过扫描振镜控制器控制扫描振镜以一定频率转动到第一工作位置和第二工作位置。扫描振镜的第一工作位置和第二工作位置之间的转动角度为α，一般为20°以内。所述信号处理单元与扫描振镜控制器之间进行双向通信的流程如图5所示，当扫描振镜控制器接收到信号处理电路的指令后通过驱动电机驱动扫描振镜转动到第一工作位置，然后扫描振镜在第一工作位置保持静止，此时扫描振镜控制器给信号处理单元反馈扫描振镜处于第一工作位置的指令，这时信号处理单元开始采集扫描振镜处于第一工作位置时的多普勒信号并进行处理；当信号处理单元处理完毕后，再次发送指令给扫描振镜控制器，通过驱动电机驱动扫描振镜转动到第二工作位置，然后扫描振镜在第二工作位置保持静止，此时扫描振镜控制器给信号处理单元反馈扫描振镜处于第二工作位置的指令，这时信号处理单元开始采集扫描振镜处于第二工作位置时的多普勒信号并进行处理；最后信号处理单元综合扫描振镜处于第一工作位置、第二工作位置时的多普勒信号进行速度解算；这样一个测速周期(t1时刻至t2时刻)完成，测速周期间的时间间隔为t1时刻至t2时刻之间的时间间隔，进入下一个测速周期，如此循环。

当扫描振镜处于第一工作位置时，透过2#小孔光阑的激光直接向前入射到地面(即行驶面)，地面的一部分散射光作为信号光经过2#小孔光阑、分束镜、滤光片、1#小孔光阑后被探测器接收。当扫描振镜处于第二工作位置时，透过2#小孔光阑的激光先入射到扫描振镜，经扫描振镜反射后出射到地面，地面的一部分散射光经过扫描振镜、2#小孔光阑、分束镜、滤光片、1#小孔光阑后作为信号光被探测器接收。设t1时刻扫描振镜转动到第一工作位置，t2时刻扫描振镜转动到第二工作位置。在t1时刻，探测器收集参考光和信号光混频形成的多普勒电流信号，并将多普勒电流信号输入到前置放大电路进行放大并以电压信号输出给运算放大电路，运算放大电路进一步放大电压信号便于后续的采集与处理，最后经由同轴电缆传送至信号处理单元，提取出对应的多普勒频率fd1。同样的，在t2时刻，探测器收集参考光和信号光混频形成多普勒电流信号，并将多普勒电流信号输入到前置放大电路进行放大并以电压信号输出给运算放大电路，运算放大电路进一步放大电压信号便于后续的采集与处理，最后经由同轴电缆传送至信号处理单元，提取出对应的多普勒频率f′d2。

根据先后测量得到的两个多普勒频率(考虑到两个多普勒频率时间不对应，其中一个多普勒频率需要进行修正)，可以推算出发射倾角的变化量，进而得到车辆的运动速度，消除车辆颠簸时发射倾角变化对测速精度的影响。

对于t1时刻、t2时刻对应得到的两个多普勒频率fd1和f′d2。由于这两个多普勒频率对应的不是同一时刻，因此需要对其中一个多普勒频率进行修正。首先根据t1时刻前面两个测速周期内测得的速度数据和时间间隔计算得到车辆的加速度a，并认为当前测速周期即t1时刻到t2时刻之间的加速度也为a，因为车辆的加速度不可能剧烈变化，然后利用加速度a对t1时刻多普勒频率fd1按照(8)式进行修正。

其中λ是激光波长，θ是激光发射倾角。

最后再根据多普勒频率f′d1和f′d2，推算出激光发射倾角θ的变化量，进而得到车辆的运动速度，消除地面颠簸对测速精度的影响。

本发明的工作原理为：

传统参考光束型激光多普勒测速仪的原理公式为

其中fd是多普勒频率，λ是激光波长，θ是激光发射倾角，v是待测物体的运动速度。

通过探测多普勒频率，即可解算出载体的运动速度

当车式载体在理想的平整路面上行驶时，如图1所示，载体的运动速度为vx，多普勒频率为

车式载体的运动速度为

在实际行驶过程中，由于地面起伏、车辆颠簸，出射激光的发射倾角会发生变化，载体在竖直方向上产生一定的起伏速度，如图2所示，此时的多普勒频率为

其中：δθ为发射倾角的变化量；vz为载体在竖直方向上的起伏速度。

本发明加入扫描振镜控制激光的出射方向后，如图5所示，t1时刻，扫描振镜位于第一工作位置a时，出射激光向前直接发射到地面。t2时刻，扫描振镜位于第二工作位置b时，出射激光经扫描振镜反射后再向后发射到地面。t1时刻、t2时刻对应得到的两个多普勒频率fd1和f′d2。利用加速度a对t1时刻多普勒频率fd1进行修正，修正后的多普勒频率f′d1如公式(8)所示。由公式(13)可知，两个多普勒频率与发射倾角的变化有关，具体关系为

在实际行驶过程中，车辆在竖直方向上的起伏速度vz远小于vx，而且发射倾角的变化量δθ也较小，对式(14)、(15)进行一定近似可得

从而求得车辆的前进速度为

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。