相位调制直接探测激光多普勒测速仪及其测速方法

技术领域

本发明涉及一种直接探测激光多普勒测速仪，特别涉及一种相位调制直接探测激光多 普勒测速仪及其测速方法。

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。按照测量原理激光多普勒测速仪主要可 以分为直接探测和相干探测两种类型。相干探测是利用本征光与后向散射光的拍频来测量 多普勒频移，此种方法由于具有很高的灵敏度和信噪比，所以速度测量精度高，但是此种 方法对回波光束的波前以及空间分布要求很高，所以系统的加工和制造难度很大。直接探 测方式中一类主要的方法为利用如F-P干涉仪这类边缘滤波器，将后向散射光的频率变化 转化为透过率的变化从而得到多普勒频移。此种方法对回波光束的要求不高，系统加工难 度不大，但相对于相干探测方式测量精度不高。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前直接探测方式中利用如FP干涉仪这类边缘滤波器，将后 向散射光的频率变化转化为透过率的变化从而得到多普勒频移的方法相对于相干探测方式 测量精度不高的问题，本发明提供一种相位调制直接探测激光多普勒测速仪及其测速方法。

本发明的相位调制直接探测激光多普勒测速仪，它包括单纵模稳频激光器、偏振分光 片、机械式开关、第一凸透镜、第二凸透镜、多模光纤、第三凸透镜、偏振片、扩束器、 分束片、FP干涉仪、第四凸透镜、第五凸透镜、第一探测器、第二探测器和计算机，它 还包括电光相位调制器、驱动器、移相器、乘法器和低通滤波器；

单纵模稳频激光器发射的激光依次透过偏振分光片、机械式开关和第一凸透镜入射至 运动目标，经运动目标后向散射光入射至第一凸透镜，经第一凸透镜会聚后的光经过机械 式开关入射至偏振分光片，经偏振分光片反射的光入射至第二凸透镜，经第二凸透镜会聚 后的光引入至多模光纤的一端，由多模光纤的另一端输出的光入射至第三凸透镜，经第三 凸透镜出射的平行光入射至偏振片，经偏振片出射的偏振光入射至电光相位调制器，经电 光相位调制器出射的光入射至扩束器，经扩束器扩束和准直的光入射分束片，

经分束片分成的两束光中能量较小的一束光入射至第四凸透镜，经第四凸透镜会聚后 的光入射至第二探测器，第二探测器将光信号转换成电信号后发送给计算机；

经分束片分成的两束光中能量较大的一束光入射至FP干涉仪，经FP干涉仪输出的光 入射至第五凸透镜，经第五凸透镜会聚后的光入射至第一探测器；第一探测器将光信号 转换成电信号；

驱动器同时驱动电光相位调制器和移相器工作，

第一探测器转换的电信号与移相器输出的电信号同时经过乘法器运算后发送给低通 滤波器，低通滤波器输出端的电信号发送给计算机；

同时，计算机控制驱动FP干涉仪；

计算机控制单纵模稳频激光器。

基于上述相位调制直接探测激光多普勒测速仪的测速方法，它包括如下步骤：

步骤一：在机械式开关为关闭状态时，单纵模稳频激光器发出的激光照射到静止的机 械式开关的开关壁上，再对机械式开关的开关壁的无多普勒频移的后向散射光进行频率测 量，得到一个频率测量值；

所述得到一个频率测量值的方法为：利用FP干涉仪与电光相位调制器产生振幅随被 测运动目标多普勒频移变化的拍频信号；并由移相器、乘法器和低通滤波器对所述的拍频 信号的振幅项进行提取，利用此振幅项得到一个频率测量值；

步骤二：在机械式开关为打开状态时，对被测运动目标后向散射光的频率进行测量， 得到另一个频率测量值；

所述得到另一个频率测量值的方法为：利用FP干涉仪与电光相位调制器产生振幅随 被测运动目标多普勒频移变化的拍频信号；由移相器、乘法器和低通滤波器对所述拍频信 号的振幅项进行提取，利用此振幅项得到另一个频率测量值；

步骤三：将步骤二得到的频率测量值与步骤三得到的频率测量值相减后得到的值为被 测运动目标的多普勒频移的测量值；

步骤四：计算机利用第二探测器17发送的电信号对步骤三所述的多普勒频移的测量 值进行能量检测，去除光强变化对所述测量值的影响。

所述步骤一还包括：

通过计算机对单纵模稳频激光器发射的激光的频率进行调整，使发射的激光的频率与 F-P干涉仪的透过率峰值点重合。

在所述相位调制直接探测激光多普勒测速仪的探测过程中，不断重复步骤一至步骤 四。

本发明的优点在于，本发明在基于FP干涉仪的直接探测多普勒测速仪原理的基础上 增加了电光相位调制器对目标后向散射回波进行调制，在不增加系统加工装配难度的条件 下提高直接探测方式的信噪比从而提高测量精度。利用电光相位调制器使被测移动目标后 向散射光产生两个等频率间隔的边带光。载波和边带光经过FP干涉仪的振幅和相位调制 将会产生一倍调制频域拍频信号，由于此拍频信号的振幅会随着载波相对于FP干涉仪透 过率曲线的位置改变，所以可以利用此拍频项的振幅鉴别多普勒频移。此种方法在保留直 接探测方式系统交工装配难度不大的优势同时，由于是对固定频率的拍频信号的振幅进行 测量所以此系统可以有效地避开电路中低频部分大量的噪声，同时系统具有极窄的工作带 宽，所以相对原来直接探测方式具有很高的测量信噪比，从而提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明所述的相位调制直接探测激光多普勒测速仪的原理示意图。

图2为本发明进行测速时的多普勒频移的鉴频曲线。

图3为本发明的FP干涉仪的透过率曲线示意图。

图4为经过本发明的电光相位调制器的光信号经过FP干涉仪的拍频信号的示意图。

图5为图4中的拍频信号与经过移相器输出的信号经过乘法器相乘后得到的信号的示 意图。

图6为将图5的信号进行傅里叶变换后的信号的示意图。

图7为图6中的信号的直流成分信号的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的相位调制直接探测激 光多普勒测速仪，

它包括单纵模稳频激光器1、偏振分光片2、机械式开关3、第一凸透镜4、第二凸透 镜6、多模光纤7、第三凸透镜8、偏振片9、扩束器11、分束片12、FP干涉仪13、第四 凸透镜14、第五凸透镜15、第一探测器16、第二探测器17和计算机22，它还包括电光 相位调制器10、驱动器18、移相器19、乘法器20和低通滤波器21；

单纵模稳频激光器1发射的激光依次透过偏振分光片2、机械式开关3和第一凸透镜 4入射至运动目标，经运动目标后向散射光入射至第一凸透镜4，经第一凸透镜4会聚后 的光经过机械式开关3入射至偏振分光片2，经偏振分光片2反射的光入射至第二凸透镜 6，经第二凸透镜6会聚后的光引入至多模光纤7的一端，由多模光纤7的另一端输出的 光入射至第三凸透镜8，经第三凸透镜8出射的平行光入射至偏振片9，经偏振片9出射 的偏振光入射至电光相位调制器10，经电光相位调制器10出射的光入射至扩束器11，经 扩束器11扩束和准直的光入射分束片12，

经分束片12分成的两束光中能量较小的一束光入射至第四凸透镜14，经第四凸透镜 14会聚后的光入射至第二探测器17，第二探测器17将光信号转换成电信号后发送给计算 机；

经分束片12分成的两束光中能量较大的一束光入射至FP干涉仪13，经FP干涉仪13 输出的光入射至第五凸透镜15，经第五凸透镜15会聚后的光入射至第一探测器16；第一 探测器16将光信号转换成电信号；

驱动器18同时驱动电光相位调制器10和移相器19工作，

第一探测器16转换的电信号与移相器19输出的电信号同时经过乘法器20运算后发 送给低通滤波器21，低通滤波器21输出端的电信号发送给计算机22；

同时，计算机22控制驱动FP干涉仪13；

计算机22控制单纵模稳频激光器1。

单纵模稳频激光器1出射激光经过偏振分光片照射到运动目标上，目标后向散射光经 过透镜收集后原路返回，再经同一偏振分光片反射并利用凸透镜会聚收集到多模光纤，散 射回波由此多模光纤引入多普勒测速系统。光纤出射光通过凸透镜变成平行光，然后先后 经过偏振片和电光相位调制器。相位调制器出射的光通过扩束器进一步对其进行扩束和准 直，然后由分束片分成两束光，其中能量较小的光束进入能量检测通道，能量较大的通过 空气隙FP干涉仪进行频率测量。此系统中电光相位调制器由外加固定频率的正弦电压驱 动，经过调制以后的后向散射光将会在原有频率成分的基础上产生两个等频率间隔的边带 光，经过F-P干涉仪后这三个频率的光波的振幅和相位都会发生改变，将会在平方率的探 测器上产生以与调制频率相同的拍频信号，并且随着后向散射光的频率的变化此拍频信号 的振幅将会发生改变。利用乘法器和低通滤波器对此拍频信号振幅信息进行检测就可以得 到后向散射光的多普勒频移从而可以得到目标的光束径向速度。由于此种方法是对固定频 率的拍频信号的振幅进行测量所以此系统可以有效地避开电路中低频部分大量的噪声，同 时系统具有极窄的工作带宽，所以相对原来直接探测方式具有很高的测量信噪比。

具体实施方式二：本实施方式所述的相位调制直接探测激光多普勒测速仪的测速方 法，它包括如下步骤：

步骤一：在机械式开关3为关闭状态时，单纵模稳频激光器1发出的激光照射到静止 的机械式开关3的开关壁上，再对机械式开关3的开关壁的无多普勒频移的后向散射光进 行频率测量，得到一个频率测量值；

所述得到一个频率测量值的方法为：利用FP干涉仪13与电光相位调制器10产生振 幅随被测运动目标多普勒频移变化的拍频信号；并由移相器19、乘法器20和低通滤波器 21对所述的拍频信号的振幅项进行提取，利用此振幅项得到一个频率测量值；

步骤二：在机械式开关3为打开状态时，对被测运动目标后向散射光的频率进行测量， 得到另一个频率测量值；

所述得到另一个频率测量值的方法为：利用FP干涉仪13与电光相位调制器10产生 振幅随被测运动目标多普勒频移变化的拍频信号；由移相器19、乘法器20和低通滤波器 21对所述拍频信号的振幅项进行提取，利用此振幅项得到另一个频率测量值；

步骤三：将步骤二得到的频率测量值与步骤三得到的频率测量值相减后得到的值为被 测运动目标的多普勒频移的测量值；

步骤四：计算机利用第二探测器17发送的电信号对步骤三所述的多普勒频移的测量 值进行能量检测，去除光强变化对所述测量值的影响。

单纵模稳频激光器1发射的激光经过电光相位调制器10调制后的光场为

E_in＝E₀e^{i(ωt+βsinΩt)}    (1)

其中ω为入射激光的圆频率，Ω为电光相位调制器的调制频率，β为调制度(与正 弦调制的电压有关)。利用贝塞尔函数将公式(1)展开，

$E_{\mathrm{in}}=E_0[\underset{n=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}{J}_n\left(\beta \right)\exp \left(i(\omega +\mathrm{n\Omega })t\right)+\underset{n=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}{(-1)}^n{J}_n\left(\beta \right)\exp \left(i(\omega -\mathrm{n\Omega })t\right)]---\left(2\right)$

由公式(2)可以看出经过正弦相位调制后，入射光在原来载波频率的基础上增加了 一系列等频率间隔的边带光。这些不同频率光的振幅由不同级次的贝塞尔函数决定。当调 整调制电压使调制度β≤0.9时，二阶及以上边带光的振幅几乎减小到零，所以此时公式 (2)式可以只考虑一阶贝塞尔函数，因此

E_in＝E₀[J₀(β)exp(iωt)+J₁(β)exp(i(ω+Ω)t)-J₁(β)exp(i(ω-Ω)t)]    (3)

即相位调制后的光包括一个频率为ω的载波，和频率分别为ω+Ω和ω-Ω且振幅相 等相位相反的正负一阶边带。显然上边带(ω+Ω)与载波(ω)拍频以及下边带(ω-Ω) 与载波(ω)拍频产生的光电流大小相等相位相反，叠加后恰好完全抵消使输出恰好为零。 当该束调制光输入FP干涉仪13时将导致两边带的振幅及相位发生变化，边带的对称遭到 破坏，则会有拍频输出。并且随着它们的频率相对于FP干涉仪13透过率曲线相对位置变 化，拍频信号的振幅也将会发生变化。

FP干涉仪13透过滤公式为：

$T=A_{\delta }{e}^{i{A}_{\phi }}---\left(4\right)$

其中$A_{\delta }=\frac{(1-R-A)}{\sqrt{1-2R\cos \left(\phi \right)+R^2}},A_{\phi }=\arctan \left(\frac{(1+R)}{(1-R)}\tan \left(\frac{\phi }{2}\right)\right),$

R和A分别为FP干涉仪13表面反射系数和吸收(散射)系数。其 中λ表示光波波长，n表示空气折射率，h表示FP干涉仪13厚度，θ表示光波入射角。

利用公式(3)和(4)可以得到经过调制后的光经过FP干涉仪13的光场表达式

$E_{\mathrm{out}}=$

$E_0[J_0\left(\beta \right)T\left(\omega \right)\exp \left(\mathrm{i\omega t}\right)+J_1\left(\beta \right)T(\omega +\Omega )\exp (i+(\omega +\Omega )t)-J_1\left(\beta \right)Te(\omega -\Omega )\exp (i-(\omega -\Omega )t)---\left(5\right)$

在第一探测器16的得到的光外差拍频信号为：

i(Ω)∝|E_out|²   (6)

把上式进行整理可以发现信号中包含三个不同成分：直流项，一倍调制频率拍频项和 二倍调制频率拍频项。其中

直流项为：

$E_0^2{J}_0^2{\left|T\left(\omega \right)\right|}^2+E_0^2{J}_1^2|{T(\omega +\Omega )|}^2+E_0^2{J}_1^2{\left|T(\omega -\Omega )\right|}^2,$

一倍调制频率拍频项为：

$2E_0^2{J}_0{J}_1\mathrm{Re}(T\left(\omega \right)T^{*}(\omega +\Omega )-T(\omega -\Omega )T^{*}\left(\omega \right))\cos \left(\mathrm{\Omega t}\right),$

二倍调制频率拍频项为：

$E_0^2{J}_0{J}_{1}T\left(\omega \right)T^{*}(\omega +\Omega )\exp (-\mathrm{i\Omega t})+e_0^2{J}_0{J}_{1}T(\omega +\Omega )T^{*}\left(\omega \right)\exp \left(\mathrm{i\Omega t}\right)$

$-E_0^2{J}_0{J}_{1}T\left(\omega \right)T^{*}(\omega -\Omega )\exp \left(\mathrm{i\Omega t}\right)-E_0^2{J}_0{J}_{1}T(\omega -\Omega )T^{*}\left(\omega \right)\exp (-\mathrm{i\Omega t}).$

通过观察可以发现一倍调制频率拍频项的包络即振幅是随着光波频率ω以及光强 E₀的改变而变化。在实际测速系统中目标后向散射光的强度会随机发生抖动所以为了不 影响测量精度，在拍频信号振幅提取之前应将其与能量通道的信号相除以去除光强的变化 的影响。其去除场强影响的仿真结果如图2所示，所以其可以作为多普勒频移的鉴频曲线。

我们假定FP干涉仪13的厚度为d≈43mm，表面反射率和吸收系数为R＝0.866、 A＝0.0025，激光波长为λ＝1064nm。图2中0MHz位置为FP干涉仪13透过率峰值位 置，后向散射光的频率发生变化时拍频的振幅将会发生变化。当多普勒频移在此包络曲线 的峰-峰值之间是就可已通过该曲线鉴别出来。

一倍调制频率拍频信号的振幅项可以通过相移器，乘法器和低通滤波器提取出来。即 把电光相位调制器的驱动信号提取一部分，然后经过移相器产生π/2的相移使其变成余 弦信号。再利用乘法器把探测器信号与经过相移的驱动信号相乘，然后再经过低通滤波器， 就可以得到一倍调制频率拍频信号的振幅量。此过程的仿真如图3、图4、图5、图6和 图7所示。

图3为FP干涉仪13的透过率曲线，经过相位调制器的光波经过FP干涉仪13的拍频 信号如图4所示。把此拍频信号与经过相移的调制信号经过乘法器相乘后得到如图5所示 的信号。把此信号进行傅里叶变换如图6所示。其中直流成分为一倍调制频率的振幅成分。 最后利用低通滤波器得到此直流成分，如图7所示，其与图2的鉴频曲线形式一致。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的相位调制直接探测激光多普 勒测速仪的测速方法的进一步限定，所述步骤一还包括：

通过计算机22对单纵模稳频激光器1发射的激光的频率进行调整，使发射的激光的 频率与FP干涉仪13的透过率峰值点对应的频率重合。

通过计算机对单纵模稳频激光器1的输出光频率进行调整，使最终系统得到的一倍调 制频率振幅项为零，即使出射光的频率与FP干涉仪的透过率峰值点重合，这样可以使系 统具有最佳的测量范围。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式二所述的相位调制直接探测激光多普 勒测速仪的测速方法的进一步限定，在所述相位调制直接探测激光多普勒测速仪的探测过 程中，不断重复步骤一至步骤四。

由于出射激光的频率会发生频移，所以在长时间进行速度测量过程中要不断的重复步 骤一至步骤四。