[发明专利]基于共焦F-Ｐ腔的低散斑噪声激光多普勒测速装置及方法

说明书

本发明涉及一种基于共焦F‑P腔的激光测速系统的方案，解决了目前的双频LDV测速系统存在测速过程中散斑噪声导致的激光多普勒频移信号展宽的技术问题。一种基于共焦F‑Ｐ腔的低散斑噪声激光多普勒测速装置，包括两个分布反馈式半导体激光器，共焦F‑P腔、半波片、偏振分束棱镜、反射镜、光纤环形器、扩束透镜组、聚焦透镜、PIN光电探测器，雪崩光电探测器，示波器和计算机。与传统双频激光注入式LDV相比，本发明无需控制严格的激光注入条件，即可有效降低多普勒反射信号的散斑噪声；采用光学外差法实现F‑P腔对两激光器输入频率的同步锁定，由外界所导致F‑P腔的热扰动和机械振动影响均可自行抵消，对于服务于机械制造恶劣环境的带钢测速有实际应用价值。

技术领域

本发明涉及一种基于共焦F-P腔的激光测速系统的方案，属于激光测速领域。

背景技术

凭借良好的方向性，高空间分辨率，激光多普勒测速仪（LDV）在机械加工及制造领域发挥着着重要的作用。LDV系统利用待测固体表面散射激光的多普勒频移完成其测速目的，由于待测固体表面颗粒的无规则分布，引起固体表面散射光强的随机起伏，由此所带来的散斑噪声加剧了激光多普勒信号展宽，严重制约了LDV系统测速分辨率的提高。已有的双频LDV测速系统主要通过激光注入的方式获得窄线宽多普勒频移，目前有自混频和主从激光器注入两种方案。由于注入激光频率极易抖动，此类方案需要对激光注入强度以及注入激光的失谐频率做严格的控制，同时，此类方案中用于产生高频激光拍频信号的微波信号源（MFG）价格高昂，应用于严苛工业环境有较大不便。

发明内容

本发明为解决目前的双频LDV测速系统存在测速过程中散斑噪声导致的激光多普勒频移信号展宽的技术问题，提供一种基于共焦F-P腔的低散斑噪声激光多普勒测速装置及方法。

本发明所述的基于共焦F-P腔的低散斑噪声激光多普勒测速装置是采用以下技术方案实现的：一种基于共焦F-Ｐ腔的低散斑噪声激光多普勒测速装置，包括第一激光器和第二激光器；所述第一激光器的出射光路上顺次设有第一半波片和第一偏振分束棱镜，第一偏振分束棱镜针对第一激光器出射光的透射光路上设有F-P腔；第一偏振分束棱镜针对第一激光器出射光的反射光路上设有波长计；第二激光器的出射光路上顺次设有第二半波片和第一反射镜，所述第一偏振分束棱镜和波长计顺次位于第一反射镜的反射光路上；F-P腔的出射光路上设有第二偏振分束棱镜，第二偏振分束棱镜的透射光路上顺次设有第四半波片和第三偏振分束棱镜；第二偏振分束棱镜的反射光路上顺次设有第三半波片和第四偏振分束棱镜；第三偏振分束棱镜的透射端通过光纤连接有光纤环形器的第一端口，光纤环形器的第二端口出射端顺次设有扩束透镜组、聚焦透镜以及待测物体；第四偏振分束棱镜的反射光路上顺次设有第五半波片和第五偏振分束棱镜；第五偏振分束棱镜的出射光路上设有第三光电探测器，第三光电探测器的信号输出端连接有示波器，示波器的信号输出端连接有计算机；第五偏振分束棱镜位于光纤环形器的第三端口的出射光路上且第五偏振分束棱镜可将光纤环形器的第三端口的出射光反射至第三光电探测器。

进一步的，第一激光器和第二激光器均配有相应的电子锁频回路；第一激光器的电子锁频回路包括位于第三偏振分束棱镜透射光路上的第一光电探测器、与第一光电探测器信号输出端顺次连接的第一锁相放大器、第一PID控制器以及第一加法器；第一加法器的信号输出端与第一激光器的电流调制端口相连接，还包括与第一加法器相连接的第一三角波发生器；

第二激光器的电子锁频回路包括位于第四偏振分束棱镜透射光路上的第二光电探测器、与第二光电探测器信号输出端顺次连接的第二锁相放大器、第二PID控制器以及第二加法器；第二加法器的信号输出端与第二激光器的电流调制端口相连接，还包括与第二加法器相连接的第二三角波发生器。

本发明为基于共焦F-P腔的非注入双频LDV测速系统，即采用光学共焦F-P腔用作LDV双频激光源的频率标尺，无需激光注入便可有效降低固体表面散射光散斑噪声所导致的多普勒信号展宽，并以光外差探测法抵消了两台激光器因外界温度、机械振动所带来的频率误差。该双频激光测速方案尚未见报道。