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专利名称：全光纤光频率调制激光多普勒测速系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种全光纤光频率调制激光多普勒测速系统。
背景技术：
激光多普勒测速技术被公认为非接触测量的最佳方法，无论是固体、流体还是气体的速度都可测量，广泛的应用在航空航天、地面监控、水力学、流体力学、风洞诊断等诸多领域，在军事和民用领域都有着广阔的应用前景。激光多普勒测速技术是激光测量、干涉技术、光电测量和光学计量的综合应用之一，是光电仪器的一个亮点。激光多普勒测速技术使用激光束照射被测目标，当被测目标运动时，在反射光波中产生多普勒效应，反射光频率随着目标运动而发生漂移，测量这些反射 光中的多普勒频移，就可以在不接触被测目标的情况下测定目标的运动速度。从原理讲，激光多普勒测速技术是一种特殊类型的干涉测量技术。假设入射信号光波的复振幅和本振参考光波的复振幅分别为
Us(t) = assin(a)st + cps)
U0(t) = a0sin(M0t + φυ)式中，cos = 23iVs^P ω(ι = 2π ν ^是两束光波的角频率，vs和v ^是对应的光波频率。在光合成混频后接收探测器的光电信号为
Ihs = SlUs(t) + U0 ⑴ I2 = S[i/|(t) + 咖 + 2U0(t)Us(t)]
S
=-{af + a| — alcos(2cost + 2φ ) — a|cos(2<y0t + 2φ0)
—2a0oscos[(&)s + ω0) + {φ5 + φ0)] + 2a0ascos[(a)s - ω0)￡ + (jps — ψ ,)J}式中，S为探测器的光电灵敏度。由式可见，接收探测器的光电信号包含直流分量、二倍接收光频和二倍本振光频分量以及接收光和信号光的和频、差频分量。由于接收光电器件的响应频带宽度有限，式中的倍频项与和频项不能被光电器件接收，只有频差= COs-COci处于探测器的相应频带
范围内才能被响应。此时接收探测器输出的交流信号为
Ihs = Sa0ascos[2ffAvt + (<ps - φ0)]式中，Λ V为光波的多普勒移频。测定这个光波的多普勒移频的大小，就可以推导出目标物体的移动速度V。
权利要求
1.一种全光纤光频率调制激光多普勒测速系统，其特征在于，包括激光发射単元、收发隔离器、激光镜头、合束器、接收探测器以及计算单元，以上所有光学功能単元或器件均使用光纤相互连接；其中， 所述激光发射单元，用于将生成的激光进行频率调制后分成主光束和本振光，分别输出给所述收发隔离器和合束器； 所述收发隔离器，用于控制激光进入与输出的方式，即主光束经进入所述收发隔离器后由激光镜头输出，照射在目标物体上；目标物体反射的回波光束经所述激光镜头进入所述收发隔离器后输出给所述合束器； 所述激光镜头，用于将经过所述收发隔离器输出的激光照射在目标物体上，并且采集目标物体反射的回波光束，反向输入所述收发隔离器； 所述合束器，用于将接收到的本振光与回波光束进行合束混频后输出给所述接收探测器； 所述接收探測器，用于接收经合束器合束混频后的光束； 所述计算単元，用于对合束混频后的光束进行解析后最終得到被测目标的速度信息。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，还包括λ/4波片、λ/2波片，其中， λ /4波片设置于所述收发隔离器与所述激光镜头之间，用于将所述收发隔离器出来的主光束从线偏振光变为圆偏振光；以及，将所述激光镜头采集的回波光束从圆偏振光变为线偏振光后输入到所述收发隔离器； 入/2波片设置于所述分束器与所述合束器之间，用于补偿回波光束两次经过λ /4波片造成的偏振方向改变和相位延迟。
3.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述激光发射单元具体包括激光器、频率调制器、分束器，其中， 所述激光器，用于发出激光并通过光纤输出给所述频率调制器； 所述频率调制器，用于对接收到的激光的进行频率调制后输出给所述分束器； 所述分束器，用于将完成频率调制的激光分为两束，一束为主光束进入所述收发隔离器，一束为本振光进入所述合束器。
4.根据权利要求I到3中任意一项所述的系统，其特征在于，所述被测目标的速度信息包括被测目标的距离I和速度V，则所述计算单元具体用于根据如下公式计算得到被测目标的距离I和速度V 设定对激光频率的周期性调制频率公式为 V= F(t)，其中，V是对应时间t时刻的调制频率，调制周期频率为f ； 则所述接收探测器接收到的本振光与回波光束的调制频率分别为％ = F(t)，Vs =F(t_At) + A V，其中V ^表示本振光的调制频率，Vs表示回波光束的调制频率，Λ V为光波的多普勒移频，At为光波在传播过程中的延迟。
所述接收探測器接收到的调制频率Vhs为 Vhs = Vs-V0 = F(t-At)-F(t) + A V, Vhs的周期频率与激光调制函数F(t)的周期频率完全相等； 任选两个t时刻代入vhs = F(t-At)-F(t) + A V，组成ー个ニ元方程组，从而求解得到激光延迟时间At和多普勒移频Λ V ；进而根据如下公式计算被测目标的距离I和速度V I= ^,V = .Δν，其中，C为光速，λ为激光波长。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在干，所述激光器为光纤激光器或者半导体激光器。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在干，所述频率调制器独立于激光器之外或者将所述激光器与所述频率调制器合为一体。
7.根据权利要求I到3中任意一项所述的系统，其特征在干，所述频率调制后生成的波形根据需要为正弦波、三角波、方波或其他波形。
8.根据权利要求I到3中任意一项所述的系统，其特征在于，所述收发隔离器包含三 个端ロ，分别为端ロ I、端ロ 2和端ロ 3，主光束经端ロ I进入收发隔离器，然后经端ロ 3输出，照射在目标物体上；目标物体反射的回波光束经端ロ 2进入收发隔离器，经端ロ 3输出给所述合束器。
全文摘要
本发明公开了一种全光纤光频率调制激光多普勒测速系统，包括激光发射单元、收发隔离器、激光镜头、合束器、接收探测器以及计算单元，以上所有光学功能单元或器件均使用光纤相互连接；本发明使激光多普勒测速技术的探测灵敏度达到了量子噪声理论极限，并且将激光多普勒测速技术的光学系统完全更新换代。使用新技术的激光多普勒测速仪有功耗更低、体积更小、重量更轻、结构布局更合理、架设更为方便、发射-接收镜头合二为一、对冲击振动和高低温变化不敏感、对环境洁净度要求低等优点。
文档编号G01S17/58GK102854511SQ20121035997
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者吴健, 眭晓林 申请人:中国电子科技集团公司第十一研究所