[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

摘要

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。

主权项

1.双边缘相位调制激光多普勒测速方法，所述方法基于测速系统实现，所述系统包括激光器(1)、偏振分光片(2)、机械开关(3)、第一凸透镜(4)、第二凸透镜(6)、多模光纤(7)、第三凸透镜(8)、偏振分光棱镜(9)、第四凸透镜(10)、反射镜(11)、第五凸透镜(12)、第一光纤相位调制器(13)、第二光纤相位调制器(14)、驱动器(15)、信号发生器(16)、第六凸透镜(17)、第七凸透镜(18)、第一扩束镜(19)、第二扩束镜(20)、F‑P标准具(21)、第八凸透镜(22)、第一光电倍增管(23)、第九凸透镜(24)、第二光电倍增管(25)、直角反射镜(26)、数据采集卡(27)、输出卡(28)和计算机(29)；在机械开关(3)开启时，激光器(1)发出信号光，所述信号光经偏振分光片(2)和开启的机械开关(3)后入射至第一凸透镜(4)的中心；经第一凸透镜(4)后入射至旋转目标(5)并产生反射光，所述反射光入射至第一凸透镜(4)的中心，通过开启的机械开关(3)后，经偏振分光片(2)反射至第二凸透镜(6)的中心，经第二凸透镜(6)后入射至多模光纤(7)的一端；从多模光纤(7)的另一端出射的信号光入射至第三凸透镜(8)，经第三凸透镜(8)准直后入射至偏振分光棱镜(9)，所述偏振分光棱镜(9)将信号光分成偏振和传播方向相互垂直的第一束偏振光和第二束偏振光，所述第二束偏振光入射至反射镜(11)，经反射镜(11)反射后与第一束偏振光平行；所述第一束偏振光入射至第四凸透镜(10)，经第四凸透镜(10)聚焦至第一光纤相位调制器(13)的输入端；所述第二束偏振光入射至第五凸透镜(12)，经第五凸透镜(12)聚焦至第二光纤相位调制器(14)的输入端；信号发生器(16)产生预设频率和振幅的正弦信号，并经驱动器(15)放大后分别输入第一光纤相位调制器(13)和第二光纤相位调制器(14)，分别对第一束偏振光和第二束偏振光进行正弦相位调制；第一光纤相位调制器(13)输出的调制光依次经过第六凸透镜(17)与第一扩束镜(19)后，垂直入射至F‑P干涉仪(21)的上半部分；第二光纤相位调制器(14)输出的调制光依次经过第七凸透镜(18)与第二扩束镜(20)后，垂直入射F‑P干涉仪(21)的下半部分；经过F‑P干涉仪(21)透射后的两束信号光分别被直角反射镜(26)的两个反射面反射，第一束反射光经第八凸透镜(22)会聚到第一光电倍增管(23)的感光端；第二束反射光经第九凸透镜(24)会聚到第二光电倍增管(25)的感光端；第一光电倍增管(23)的信号输出端与数据采集卡(27)的第一数据信号输入端连接；第二光电倍增管(25)的信号输出端与数据采集卡(27)的第二数据信号输入端连接；信号发生器(16)输出的信号作为触发信号与数据采集卡(27)的第三信号输入端连接；输出卡(28)与激光器(1)电连接，用于控制激光器(1)的输出频率，还用于利用激光器(1)的输出信号检测信号光的状态；输出卡(28)与计算机(29)进行数据交互，计算机(29)通过输出卡(28)控制激光器出射信号光的频率；计算机(29)与激光器(1)电连接，用于控制激光器(1)的工作状态；其特征是：所述方法包括以下步骤：步骤一、在机械开关(3)处于关闭状态时，利用计算机(29)控制输出卡(28)调节激光器(1)的输出频率，即：信号光的频率ω，并利用计算机(29)对数据采集卡(27)采集到的激光器在不同频率下第一光电倍增管(23)的输出电流i1和第二光电倍增管(25)输出电流i2进行运算，绘制鉴频参量lA1(ω)和鉴频参量lA2(ω)的频移变化曲线；步骤二、在机械开关(3)关闭的情况下，计算机对数据采集卡(27)采集到的第一光电倍增管(23)的输出电流i1(t0)和第二光电倍增管(25)的输出电流i2(t0)进行计算，并计算出鉴频参量lA1(ω0)和鉴频参量lA2(ω)；利用鉴频参量lA1(ω)和鉴频参量lA2(ω)的频移变化曲线，确定测量出射信号光的频率ω0值；步骤三、在机械开关(3)开启的情况下，单频率信号照射到旋转目标(5)并返回，按照步骤二的操作方式得到旋转目标(5)反射信号光频率ω1的值；步骤四、根据公式：△ω＝ω1‑ω0计算步骤二得到的测量出射信号光的频率和步骤三得到的反射信号光的频率的差值，即：旋转目标(5)在信号光径向上速度产生的多普勒频移，利用该多普勒频移计算出旋转目标(5)在信号光径向上的速度；鉴频参量nA(ω)为测量出射信号光的振幅A相关的多普勒频移变化曲线；如果φ₀(ω)>0，则φ′₀(ω)＝φ₀(ω)；如果φ₀(ω)<0，则φ′₀(ω)＝φ₀(ω)+180°，φ₀(ω)是测量出射信号光的相位φ₀的频移变化曲线。