[发明专利]双边缘相位调制激光多普勒测速系统及测速方法

说明书

双边缘相位调制激光多普勒测速系统及测速方法，涉及多普勒测速技术。本发明是为了解决现有的相位调制激光多普勒测速系统，无法同时利用信号光一倍调制频率拍频信号相位中的多普勒频移信息以及无法充分利用全部回波信号光中的多普勒频移信息的问题。本发明利用偏振分光棱镜，将回波信号光按照偏正分成两束，对每一束信号光都进行相同的正弦相位调制，并分别利用光电倍增管进行探测。通过两个电流值i₁和i₂进而获得两个鉴频参量lA₁(ω)和lA₂(ω)，再利用两个鉴频参量lA₁(ω)和lA₂(ω)构造一个新的鉴频参量sA(ω)＝lA₁(ω)‑lA₂(ω)，作为此双边缘结构的鉴频参量。本发明适用于双边缘相位调制激光多普勒测速场合。

技术领域

本发明涉及多普勒测速技术。

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。

虽然，现有的相位调制激光多普勒频移测量方法，通过合理利用相位调制信号中的直流成分已经无需使用能量探测器使系统结构更简单，并且具备更高的测量精度和测量范围，但是其一倍相位调制频率拍频信号的相位参量包含的多普勒频移信息未被合理利用，并且未能充分利用全部的回波信号光，所以依然存在一定的不足。

发明内容

本发明是为了解决现有的相位调制激光多普勒测速系统，无法同时利用信号光一倍调制频率拍频信号相位中的多普勒频移信息以及无法充分利用全部回波信号光中的多普勒频移信息的问题，从而提出一种双边缘相位调制激光多普勒测速系统及测速方法。