[发明专利]一种相位调制激光多普勒测速系统及测速方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多普勒测速系统及测速方法。

背景技术

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。

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。

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。

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L₁宽度范围的部分进行计算的(虚线L₁宽度范围的部分是单调的)，由于虚线L₁宽度范围的部分的波峰和波谷的间距小，即L₁短；同时虚线L₁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

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。

一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；

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；

第一凸透镜的中心设置在经过偏振分光片的光路上；

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；

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；

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；