[发明专利]一种超高速时频傅里叶激光测速方法及系统

权利要求书

1.一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：利用一个超短脉冲经时频傅里叶技术进行时间展宽，被时间展宽的光脉冲经光栅对实现光谱展宽，表面镀有反射膜的一定大小的目标物体以一定速度在宽带光谱中运动；目标物体运动的同时将信号光s_1按原路返回，并再次通过光栅对后由光纤环行器输出；透过的信号光s_2和s_3分别通过水平、竖直放置的光栅对后，由光纤耦合器输出；信号光s_1、s_2与s_3均被高速响应的光电探测器探测，并输出高频电脉冲信号，三路信号被示波器记录；通过计算信号光s_1的脉冲序列中单位时间内光脉冲延时量，可以得到目标物体在y方向运动的速度分量v_y；通过测量信号光s_2和s_3的脉冲序列中第一个与最后一个带有明显强度凹陷的信号脉冲之间凹陷的距离，可以得到目标物体分别在x、z方向运动的速度分量v_x、v_z；结合目标物体的移动速度v＝v_xi+v_yj+v_zk以及物体的运动轨迹，从而获得目标物体的加速度a＝Δv/Δt、角速度ω＝dθ/dt以及角加速度α＝Δω/Δt等物理量。

2.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：所述的时频傅里叶系统，指的是利用群延迟色散元件扩展光谱成分；并利用色散傅里叶变换将脉冲的时间频谱映射到强度包络与频谱相似的时间波形；通过光电检测将光信号转换成模拟电信号波形，然后通过实时的模数转换实现数字化；在进行数字信号处理和数据分析后，光纤激光器的锁模单脉冲光谱被映射到示波器上直接显示的时间波形中。

3.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：所述的光栅对工作波长1550nm，闪耀角为28.41°，光栅线数为600line/mm，衍射效率＞70％。激光以Littrow角入射衍射光栅，由于光栅的衍射效应，激光中不同频率的光衍射角度不同，即光束被分成一条连续的谱线。

4.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：所述的一定大小是指该系统能检测的目标大小是根据光脉冲经光栅展宽后并正交的两路光谱空间范围来确定的。光脉冲经光栅展宽后的光谱在空间中传播5cm后的谱线宽度约1cm，高度约0.2cm，两路正交的光谱区域范围约为1cm×1cm×0.2cm。

5.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：所述的一定速度是指该系统能检测的运动速度范围是根据锁模脉冲激光器的重复频率以及经光栅展宽的光谱空间宽度(连续的谱线宽度)来确定的；重复频率为50-MHz(对应20ns)的锁模脉冲序列，光脉冲经光栅展宽后的光谱空间宽度为1cm，该方法可以测量的速度为500km/s。

6.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：所述的带有明显强度凹陷是指目标物体在宽带光谱中运动时，会遮挡部分激光，从而产生强度凹陷；由于运动速度很快，运动过程中相邻光脉冲之间信号强度的凹陷较弱，因此在运动的起点与终点处信号凹陷最明显，起点和终点处信号凹陷的距离d通过测量得到；因此，目标物体在x方向运动的速度分量v_x＝d/((n-1)T)，在z方向运动的速度分量v_z＝d’/((n-1)T)。

7.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：所述的单位时间，指的是一秒钟内发射n个光脉冲，则目标物体运动的时间为1/nT。n为脉冲个数，T为锁模光纤激光器发射的脉冲序列的重复频率，即周期T。

8.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：所述的光脉冲延时量指的是第一个脉冲与第n个脉冲之间的时间为nT，但是由于物体在运动，所以实际测量的时间为nT’，那么n个脉冲后的延时量就是n(T-T’)，对应的移动距离为n(T-T’)×c。因此，目标物体在y方向运动的速度分量v_y＝(n(T-T’)×c)/nT。

9.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法进行测量的系统，其特征在于：该系统的实现形式如下：系统包括一台锁模光纤激光器、时频傅里叶系统、光纤环行器、光纤耦合器、分束片、二分之一波片、光栅对、反射镜、高速运动物体、光电探测器和示波器。锁模脉冲激光经过经时频傅里叶系统进行时间展宽后通过光纤环行器，随后由耦合器准直输出，信号光经分束片分为两路；两路信号光均经过二分之一波片后以Littrow角入射光栅对；由于光栅的衍射效应，激光中不同频率的光衍射角度不同，即光束被分成一条连续的谱线后再入射下一个光栅；此时，水平与竖直放置的光栅对给目标物体提供了一个三维测量范围；表面镀有反射膜的目标物体以一定速度在宽带光谱中运动，目标物体运动的同时将信号光s_1按原路返回，并再次通过光栅对后由光纤环行器输出；透过的信号光s_2和s_3分别通过后面的光栅对，经反射镜后由光纤耦合器输出；由光纤环形器输出的信号光s_1以及光纤耦合器输出的信号光s_2与s_3分别被探测器响应，所产生的电信号由一台示波器记录并测量。根据示波器所测量的信号光s_1、s_2与s_3，计算起止脉冲个数n，以及测量起止脉冲之间强度凹陷的距离d，则可以计算出目标物体的移动速度v，以及获取物体的运动轨迹。