[发明专利]基于三角波电流调制的激光自混合多维速度测量装置及方法

权利要求书

1.基于三角波电流调制的激光自混合多维速度测量装置，其特征在于：包括光电探测器（1）、激光器（2）、激光器调制模块（3）、第一光纤（4）、光纤分束器（5）、第二光纤（6）、第三光纤（7）、第四光纤（8）、第一光纤聚焦器（9）、第二光纤聚焦器（10）、第三光纤聚焦器（11）、待测运动物体（12）、微分放大电路（13）、三通道滤波器组（14）、三通道计数器组（15）、计算机（16），所述激光器调制模块（3）对激光器（2）进行三角波电流调制，以实现多维速度方向的准确判别，激光器（2）出射的激光耦合到第一光纤（4）并传输到光纤分束器（5），光纤分束器（5）将激光分为三束，经第二光纤（6）和第一光纤聚焦器（9）的激光以一定角度入射到待测运动物体（12）上，经第三光纤（7）和第二光纤聚焦器（10）的激光从第二维度入射到待测运动物体（12）上，经第四光纤（8）和第二光纤聚焦器（11）的激光从第三维度入射到待测运动物体（12）上，其中第二光纤（6）、第三光纤（7）和第四光纤（8）的长度各不相同在三角波电流调制下即实现多维速度信号的准确区分，多路入射激光经待测运动物体（12）散射后，一部分散射光按各自光路反馈回激光器（2），产生激光自混合效应；发生激光自混合效应后的激光被光电探测器（1）接收，并经过微分放大电路（13）放大，随后经过三通道滤波器组（14）和三通道计数器组（15）滤波和计数，单位时间内计数数目即为相应的频率值，分别将各通道信号上升沿和下降沿的频率ν_上升和ν_下降送入计算机（16）处理后得到各维度速度大小及方向，速度V的计算公式为：

V＝|ν_上升-ν_下降|·λ

其中，λ为激光器输出激光波长，各光纤聚焦器所在光路的光强变化分量上升沿频率大于下降沿频率时待测运动物体（12）的运动速度方向与激光出射方向相同，各光纤聚焦器所在光路的光强变化分量上升沿频率小于下降沿频率时待测运动物体（12）的运动速度方向与激光出射方向相反。

2.根据要求1所述的基于三角波电流调制的激光自混合多维速度测量装置，其特征在于：所述光电探测器（1）为激光器（2）的内置或外置探测器，采用内置探测器能够简化系统并提高探测激光自混合信号的灵敏度。

3.根据要求1所述的基于三角波电流调制的激光自混合多维速度测量装置，其特征在于：所述激光器（2）选用单纵模半导体激光器，半导体激光器的电流波长调制系数超过0.1nm/mA,易于进行三角波电路调制，单纵模工作能够避免不同模式叠加引起的波形分立现象，从而提高系统测量精度。

4.根据要求1所述的基于三角波电流调制的激光自混合多维速度测量装置，其特征在于：所述光纤分束器（5）根据实际测量的需要选用具有相应出射光纤数的分束器，对于三维速度测量则选用1×3单模光纤保偏分束器，各束出射光强按比例均分。

5.根据要求1所述的基于三角波电流调制的激光自混合多维速度测量装置，其特征在于：所述第二光纤（6）、第三光纤（7）、第四光纤（8）的长度L₂、L₃、L₄各不相同，具体根据各自对应测量维度上的速度范围确定，第一光纤聚焦器（9）、第二光纤聚焦器（10）、第三光纤聚焦器（11）各自对应测量维度上的最大速度分别为V_2max、V_3max、V_4max时，其中，L₂、L₃、L₄分别为第二光纤（6）、第三光纤（7）、第四光纤（8）的长度，c、α、λ分别为光速常量、激光器（2）的三角波频率调制系数、激光波长，V_2max、V_3max、V_4max分别为第一光纤聚焦器（9）、第二光纤聚焦器（10）、第三光纤聚焦器（11）各自对应测量维度上的最大速度值。

6.根据要求1所述的基于三角波电流调制的激光自混合多维速度测量装置，其特征在于：所述第一光纤聚焦器（9）、第二光纤聚焦器（10）和第三光纤聚焦器（11）的插入损耗≤0.3dB、数值孔径≥0.1，能够提高散射光的耦合效率；对于多维平面速度的测量，也可以将光纤聚焦器改为光纤准直器。