一种基于外差干涉的运动目标运动特征测量方法与流程

本发明涉及一种新型的激光测量技术，尤其涉及一种基于外差干涉的运动目标运动特征测量方法。

背景技术：

针对运动目标的激光测量技术已经得到了迅速发展，相关的技术包括对运动目标的距离、坐标、形状、运动速度等的测量，其中，针对运动目标速度的测量常利用激光频率的变化量来进行。根据多普勒原理，当测量主体与待测量目标之间存在相对运动时，从测量主体发射前往待测量目标的激光束在照射到待测量目标后，将部分反射或散射并回到测量主体所在的光学接收系统之中，并由光学接收系统汇聚到光电转换用的光电探测器上，所收集的反射或散射光将携带包含运动目标速度特性的多普勒信息。如果在光电探测器上同时施加一个参考用的激光，则回波激光与参考激光之间将产生外差干涉信号。合理设计的探测激光与参考激光以及相应的光电转换探测器将能给出有价值的目标多普勒信号，该多普勒信号将有助于分辨目标的运动特征。

常规的激光主动照明目标特征分辨技术是基于连续单频激光照射的相干检测技术。一束连续波单频激光经过光学望远镜系统向目标发射，照射到目标的部分激光被散射，散射的激光信号中一小部分能被信号接收光学系统收集。该信号与本地单频激光(本征信号)进行外差相干检测，据此可以提取目标回波中的多普勒频移信息，并由此分辨目标的运动特征。这类技术目前已经广泛应用于各种目标的速度测量，如汽车、飞机速度甚至空气流动的速度测量，也应用于各种场合的震动测量，如远距的激光监听。

但是，常规的基于连续单频激光照射的相干检测技术在某些应用中存在较多局限。当待测运动目标的速度很大时，探测激光携带的多普勒频移量将变得非常大，这对于光电探测器及其后端的电信号处理带宽都带来极大的挑战，过大的带宽甚至使得激光外差干涉系统无法正常工作。此外，连续的单频激光的激光功率放大存在一定的困难，当高效率的光纤激光器被用于激光功率放大时，其最大的连续激光功率受限于光纤材料的受激布里渊散射的阈值，这使得激光测量时最远的测量距离受到较大制约。

如果针对运动目标的测量，只是为了测量待测运动目标相对于其质量中心的微运动状态特征，则我们可以考虑采用一种多纵模脉冲激光器照射的外差干涉技术。这时，采用脉冲工作的多纵模脉冲激光器代替连续波工作的单频激光器作为探测用激光器具有显著的优点。第一，对于高速运动的目标，存在大量级的多普勒频移，高速运动目标自身的转动、振动、进动等运动造成的微多普勒频移信号，将混迹于大量级的多普勒频移之中，因此必须消除大量级的多普勒频移信号，显著降低信号处理系统的接收带宽，才能实现对于微多普勒信号的探测。大量级多普勒频移信号的消除一般通过本地信号的光学移频实现，适当控制移频后的本地单频激光与被目标调制后的回波信号做外差处理，是有可能将高频的多普勒信号移到低频区的，前提是需要掌握高速运动目标的速度信息。实际操作中，短时间内实现本地单频本征激光的稳定频移具有非常大的难度，技术可行性存在较大疑问。与此不同，采用锁模激光照射目标时，回波信号中实际上包含多纵模脉冲激光器的众多激光纵模，这些激光纵模都会与本地的单频激光发生外差干涉，因此大量级的多普勒频移信号并不会导致外差信号中高频量的产生。这时，外差信号中，最大带宽的高频信号仍然受限于多纵模脉冲激光器脉冲自身的脉冲宽度和脉冲重复频率，这将给外差信号的处理带来极大的便利。第二，单频连续激光的功率放大能力显著受限，限制了可以探测的目标距离。而多纵模脉冲激光器的能量在时间上集中，信噪比高，有利于目标探测，同时，多纵模脉冲激光器的放大更容易实现，可以获得更高的激光峰值功率。因此也更加有利于远距离目标的探测。

技术实现要素：

本发明的目的，是针对远距高速运动目标的运动特征测量，提出一种采用纵模频率锁定的多纵模脉冲激光器作为探测激光的激光外差干涉方法，能够据此实时地获得包含运动目标运动特征的微多普勒信息。本发明的方法，使得相关的测量可以快速、实时，并实现远距测量的目的。该外差干涉测量方法具有测量速度快、精度高、距离远、系统结构紧凑、性能可靠、环境稳定性好特点，能够广泛应用于各类运动目标特征测量中。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：一种外差干涉的运动目标运动特征测量方法，多纵模脉冲激光器与单频激光器频率相互锁定，多纵模脉冲激光器的激光脉冲经过后续的激光功率放大器放大功率，放大后的多纵模激光脉冲经过光学系统后射向运动目标，经运动目标反射或散射的部分激光脉冲由光学系统收集，并聚焦到光电探测器上，单频激光器的部分单频激光始终入射到光电探测器上，将光电探测器上的多纵模激光脉冲与单频激光进行外差干涉，输出运动目标运动特征的微多普勒信息，再通过信号处理系统经傅里叶变换处理，获得运动目标的运动特征。

进一步地，所述多纵模脉冲激光器为主动锁模或被动锁模的固体激光器或光纤激光器，其波长范围为1.02μm-1.12μm或1.53μm-1.65μm或1.9μm-2.1μm。

进一步地，所述多纵模脉冲激光器为一种声光移频的多纵模脉冲激光器，其波长范围为1.02μm-1.12μm或1.53μm-1.65μm或1.9μm-2.1μm。

进一步地，所述多纵模脉冲激光器的脉宽在100fs-100ns之间，脉冲重复频率在100khz到5ghz之间。

进一步地，所述单频激光器为一种连续波单频工作的半导体激光器、固体激光器或光纤激光器，所述单频激光器的波长范围与多纵模脉冲激光器的波长范围相匹配，激光频率与多纵模脉冲激光器的纵模相互锁定。

进一步地，所述激光功率放大器为一种固体或光纤的激光功率放大器，所述激光功率放大器增益特性与多纵模脉冲激光器的脉冲工作激光波长相匹配。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：首先，该方案解决了当前激光外差干涉技术中，基于连续波单频激光器的激光外差干涉技术无法测量高速运动目标的微运动特征的技术困难。本方案利用纵波稳定的多纵模脉冲激光与稳定的单频激光干涉，使得多纵模激光脉冲在照射到高速运动的目标时，由于高速运动产生大范围的多普勒平移，虽然引起多纵模激光脉冲激光频率出现较大频移，但是该多纵模脉冲激光仍能与单频激光进行干涉，并且具有测量速度快、精度高、距离远、系统结构紧凑、性能可靠、环境稳定性好的特点，据此构建的新型激光外差干涉测量系统能有效应用于针对各类运动目标特征的测量。

附图说明

图1为本发明多纵模脉冲激光器的激光外差干涉方法原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1为本发明多纵模脉冲激光器的激光外差干涉方法原理示意图，一种基于多纵模脉冲激光与单频激光外差干涉的运动目标运动特征测量方法，通过一种频率锁定的多纵模脉冲激光器1作为探测用激光脉冲，一种频率与多纵模脉冲激光器1相互锁定的单频激光器2作为本地的参考激光，一个宽带的光电探测器6作为外差干涉用的信号接收探测器。一个纵模频率锁定的多纵模脉冲激光器1与一个连续波工作的单频激光器2频率相互锁定，多纵模脉冲激光器1的激光脉冲经过后续的激光功率放大器3放大功率，放大后的多纵模激光脉冲经过光学系统4后射向运动目标5，经运动目标5反射或散射的部分激光脉冲由光学系统4收集，并聚焦到光电探测器6中。连续波单频工作的激光器2的部分激光，始终入射到光电探测器6上，将光电探测器6上的多纵模激光脉冲与单频激光进行外差干涉，输出运动目标运动特征的微多普勒信息，再通过信号处理系统(7)经傅里叶变换处理，获得运动目标的运动特征。

所述的一种频率锁定的多纵模脉冲激光器1，可以是锁模的固体激光器或光纤激光器，其波长范围为1.02μm-1.12μm或1.53μm-1.65μm或1.9μm-2.1μm，锁模激光器的纵模与作为参考激光的连续波单频激光器2相互锁定，其脉宽在100fs-100ns之间，脉冲重复频率在100khz-5ghz之间。

所述的一种频率锁定的多纵模脉冲激光器1，可以是声光移频的固体激光器或光纤激光器，其波长可以处于1.02μm-1.12μm或1.53μm-1.65μm或1.9μm-2.1μm，声光移频激光器的纵模与作为参考激光的连续波单频激光器相互锁定，其脉宽在100ps-100ns之间，脉冲重复频率在100khz-5ghz之间。

所述的连续波单频激光器2，可以是连续波单频工作的半导体激光器、固体激光器或光纤激光器，其波长范围与锁模激光器相匹配，激光频率与多纵模脉冲激光器的纵模相互锁定。

所述的激光功率放大器3是一种固体或光纤的激光功率放大器，其增益特性与多纵模脉冲激光器的脉冲工作激光波长相匹配。

所述的光学系统4是一种常规的光学望远镜，能够发射激光或接收激光回波信号。

所述的目标5即为待探测的运动目标。

所述的光电探测器6是一种具有较大带宽的光电探测器，其光谱响应范围与多纵模脉冲激光器的工作波长相适应，其带宽满足对于多纵模脉冲激光器脉冲宽度的快速响应。

所述的信号处理系统7是一种具有较大带宽的电信号处理系统，能够实时采样从光电探测器6输出的外差干涉信号，并具有相应的频谱分析功能。

将该外差干涉测量运动目标运动特征的方法能够广泛应用于远距离的卫星、导弹运动状态的捕捉，具有测量速度快、精度高、距离远、系统结构紧凑、性能可靠、环境稳定性好的特点，据此构建的新型激光外差干涉测量系统能有效应用于针对各类运动目标特征的测量。