CN107783145B - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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。

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方法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方法，首先采用波长计监视第一激光器和第二激光器各自的激光波长，通过调节激光驱动电流实现激光器的频率粗调，令二者的激光频率间隔处于F-P腔一个自由光谱区频率范围以内；之后通过两激光器各自电子锁频回路将两激光器频率精确锁定于F-P 腔一个自由光谱区的相邻两个透射峰上，此后两激光频率差始终保持为F-P腔一个自由光谱区所对应的频差；

锁定后的第一激光器的透射激光作为测速系统的探测光束；该探测光束经F-P腔出射后其顺次经过第二偏振分束棱镜、第四半波片、第三偏振分束棱镜，经单模保偏光纤耦合至光纤环行器，又顺次经过扩束透镜组、聚焦透镜聚焦后照射至待测物体上，并产生后向散射光；后向散射光再顺次经聚焦透镜、扩束透镜组传输至光纤环行器的第二端口并从第三端口输出，然后传输至第五偏振分束棱镜；

锁定后的第二激光器的透射激光作为测速系统的参考光束；该参考光束经F-P腔透射后顺次经过第二偏振分束棱镜、第三半波片、第四偏振分束棱镜、第五半波片和第五偏振分束棱镜，并和经第五偏振分束棱镜反射的后向散射光合束后，最终传输至第三光电探测器的光敏面用于生成光混频的激光多普勒电信号；激光多普勒电信号经示波器采样后输入至计算机，计算机在相应软件的支持下对激光多普勒电信号做快速傅里叶变换后，得到待测物体实时运动速度。

作为本发明的进一步优化方案，第一激光器和第二激光器型号相同，其中心波长为1550nm，光束直径为~1.5mm，最大输出功率均~50mW，典型激光线宽~4.2MHz。

作为本发明的进一步优化方案，所用共焦F-P 腔长200mm，腔自由光谱区为375MHz，精细度为~550，腔线宽为~0.68MHz。

作为本发明的进一步优化方案，锁定于F-P腔的两个激光器的频率差为375MHz。

作为本发明的进一步优化方案，扩束透镜组由凹透镜和凸透镜组成，光束放大倍率为20倍。

作为本发明的进一步优化方案，第三偏振分束棱镜反射光功率与第四偏振分束棱镜反射光功率之比为99:1。

作为本发明的进一步优化方案，物体表面待测点应位于探测激光腰斑位置处。

作为本发明的进一步优化方案，第三光电探测器采用雪崩光电探测器，带宽500MHz，最小可检测激光功率~10微瓦。

作为本发明的进一步优化方案，聚焦透镜口径为50.8mm，该大尺寸口径利于收集更多的后向散射光。

光纤环行器为Thorlabs公司生产，正向传输插入损耗<0.9dB，隔离度为>50dB。

波长计为日本YOKOGAWA公司生产AQ6150型波长计，其最高精度可以达到1pm。

待测物体为旋转的铝质圆盘，其直径为150mm，厚度为10mm；

旋转铝盘所用电机为日本Oriental motor公司生产高精度电机，其转速可达320r/min，电机转速可人工调节。通过已知的圆盘转速可计算圆盘确定点处的线速度。

本发明提供了一种基于共焦F-P腔的非注入双频LDV测速系统，利用F-P腔所具有压窄激光线宽的优势，以解决测速过程中散斑噪声导致的激光多普勒频移信号展宽这一问题，目的是为LDV测速精度的提高提供有益的帮助。该方案可以用来进一步提高带钢测速精度。与传统双频LDV相比，该方案无需控制严格注入条件，同时有效降低了多普勒反射信号的散斑噪声，而且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。

本发明所述技术方案与现有技术相比，具有如下技术效果：

1、本发明采用相同型号、参数的两个DFB光源激光器做光源。该波段激光器处于光纤通讯C波段，市场发展成熟，仪器性能稳定且成本低廉；锁频后的两激光器频率差稳定在F-P腔自由光谱区内，有效避免了传统单频LDV易受外界扰动的不足。

2、本发明采用共焦F-P腔压窄激光线宽的方案而降低了系统散斑噪声导致的多普勒信号展宽，提高了系统速度测量分辨率。

3、两信号光采用光外差式探测方式获取多普勒频移信号，无须锁定F-P腔，即可有效抵御外界温度和机械振动带来的影响，更好地服务于实际工业环境。

附图说明

图1是本发明所述测速装置结构示意图。

1-第一激光器，2-第二激光器，3-第一半波片，4-第一偏振分束棱镜，5- F-P腔，6-波长计，7-第二半波片，8-第一反射镜，9-第二偏振分束棱镜，10-第二反射镜，11-第三偏振分束棱镜，12-第三半波片，13-第四偏振分束棱镜，14-第四半波片，15-第三反射镜，16-第四反射镜，17-第五半波片，18-第五偏振分束棱镜，19-光纤环形器，20-扩束透镜组，21-聚焦透镜，22-待测物体，23-第三光电探测器，24-示波器，25-计算机，26-第一光电探测器，27-第一锁相放大器，28-第一PID控制器，29-第一加法器，30-第一三角波发生器，31-第二光电探测器，32-第二锁相放大器，33-第二PID控制器，34-第二加法器，35-第二三角波发生器；

a-第一端口，b-第二端口，c-第三端口，d-凹透镜，f-凸透镜。

图2是激光发射谱和通过F-P腔后的发射光谱。

图3 典型的DFB激光器的锁频图。

图4 双频LDV（DF-LDV）与单频LDV（DF-LDV）各自所得典型多普勒频移信号线宽比较图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于共焦F-Ｐ腔的低散斑噪声激光多普勒测速装置，如图1所示，包括作为系统发射光源的两台位于光纤通讯C波段中心波长为1550nm尾纤封装的分布反馈式半导体激光器，用于锁定两激光频差的光学F-P腔以及对应的锁频电子伺服回路、第一至第五半波片、第一至第五偏振分束棱镜、第一至第四45°高反镜（反射镜）、光纤环形器、凹透镜和凸透镜组成的扩束透镜组、聚焦透镜、PIN型光电探测器（第一、第二光电探测器），雪崩光电探测器（第三光电探测器）。本实施例中，按照光路的走向可分为激光发射系统，电子锁频系统、探测系统和信号处理系统四个部分。其中，激光发射系统沿光路顺次包括第一和第二激光器，第一、第二半波片、第一偏振分束棱镜、共焦F-P腔、第二偏振分束棱镜、波长计、第三、第四半波片，第三偏振分束棱镜、第四偏振分束棱镜。

电子锁频系统顺次包括第一、第二光电探测器、第一、第二锁相放大器、第一、第二PID控制器（比例积分控制器）、第一、第二三角波信号发生器、第一、第二加法器。本实施方案中，第一和第二激光器须锁定于共焦F-P腔同一个自由光谱区内的前后两个相邻透射峰上。锁定后的两激光器频率，彼此频率间隔为375MHz。

第二偏振分束棱镜透射的第一激光器发射的激光，经过45度高反镜（第二反射镜）、第四半波片传输至第三偏振分束棱镜；第三偏振分束棱镜分出一部分光路进入第一光电探测器，第一光电探测器将该光信号转换为相应的电信号，该路电信号用作电子锁频系统对第一激光器的激光频率的锁定。

第二偏振分束棱镜所反射的第二激光器发射的激光，经过第三半波片传输至第四偏振分束棱镜；第四偏振分束棱镜分出一部分光路进入第二光电探测器，第二光电探测器将该光信号转换为相应的电信号，该路电信号用作电子锁频系统对第二激光器的激光频率的锁定。

探测系统由光纤环形器、扩束透镜组，聚焦透镜组成。光纤环形器同时兼有发射探测光并接收激光回波的作用，其输入、输出光纤均为保偏光纤。具体光束传输路径为第三偏振分束棱镜反射的第一激光器发射的激光束耦合至光纤环形器第一端口，之后由光纤环形器第二端口输出，再经由扩束透镜组、聚焦透镜后获得可用于探测待测物体速度的聚焦光束；此后，探测光经物体表面反射产生的后向散射光，顺次经过聚焦透镜、扩束透镜组耦合至光纤环形器第二端口，之后由光纤环形器第三端口输出。

信号处理系统由第五半波片、第五偏振分束棱镜、APD（雪崩光电探测器）、示波器和计算机组成。

其中，第一、第二激光器为14针蝶形尾纤封装，所发射的均为中心波长1550nm激光。

其中，激光分束采用半波片和偏振分束棱镜组合。偏振分束棱镜具有极高激光消光比，可得到纯净的竖直偏振光或者水平偏振光，配合半波片还可以调节其分束激光之间的光强比例大小。

其中，参考光和探测光分别以水平偏振和竖直偏振方向垂直于F-P腔镜入射，由于该角度下F-P腔对光束偏振方向不敏感，两信号光可锁定于同一个F-P腔；

其中，共焦F-P腔可以起到光梳的作用，只有符合腔设定频窄带范围内的光频率可以通过。配合激光器电子锁频系统可以锁定第一、第二激光器的激光输出特定频率差的稳频激光输出。

其中，锁相放大器具有信号调制和解调功能，其所得纠偏信号经PID控制器输送入到激光器电流调制端口，以保证两激光器输出稳定频差的激光。

其中，扩束透镜组和聚焦透镜的作用是增大探测激光的工作距离，同时增加后向散射激光的收集口径，以利于更大程度收集散射光，提高探测信噪比。聚焦透镜的聚焦为200mm，该焦距透镜可以较好地保证光探测头与待测物体之间较大工作距离，而不易被工件尘埃、油污污染。

其中，APD用于对信号光和探测光混频后进行光电转，并将信号输出给示波器和计算机软件进行后续数据处理，得到待测物体的速度信息。APD是具有极高的弱信号探测能力，其可以完成物体表面微弱散射光的探测、混频以及光电转换。

基于激光器和共焦F-P腔的低散斑噪声测速系统的工作过程如下：首先采用两台中心波长1550nm的DFB连续激光器作为光源发射激光，并以各激光器锁频回路中三角波信号发生器为各自激光器电流调制端口施加周期调制信号；其次，第一激光器发射的激光经第一偏振分束棱镜透射后，使其能够入射到F-P腔，第二激光器发射的激光经45度反射镜反射至第一偏振分束棱镜再反射入射F-P腔中；

再次，在第一激光器和F-P腔之间设置第一半波片和第一偏振分束棱镜，在F-P腔之后设置第二偏振分束棱镜、第四半波片以及第三偏振分束棱镜，其中，调节F-P腔前半波片使得第一激光器出射的大部分功率激光保持以水平偏振方向入射至F-P腔，并以相同偏振方向穿过第二偏振分束棱镜，剩余小部分功率的竖直偏振激光（~2微瓦）经第一偏振分束棱镜反射后入射至激光波长计以监视该激光器输出波长；再次，第二偏振分束棱镜输出激光经过半波片调节将大部分激光功率（~45mW）偏振方向由水平方向调节至竖直方向经第三偏振分束棱镜反射输出至光纤环形器第一端口，小部分水平偏振方向激光（~10微瓦）则经第三偏振分束棱镜透射至第一PIN型光电探测器用于第一DFB激光器频率的锁定；

再次，第二DFB激光器发出的激光，经调节第二半波片后，使得F-P腔透射的大部分激光保持竖直偏振方向光，并经第二偏振分束棱镜反射传输至第三半波片和第四偏振分束棱镜，透射F-P腔的小部分水平偏振激光则经第一偏振分束棱镜透射后入至激光波长计以监视该激光器输出波长；经第二偏振分束棱镜反射竖直偏振方向激光，经第三半波片调节后，保留大部分竖直偏振方向功率激光（~45/99mW）经第四偏振分束棱镜反射并传输至第五偏振分束棱镜，而小部分水平偏振方向激光（~10微瓦）则经第四偏振分束棱镜透射至第二PIN型光电探测器用于第二DFB激光器频率的锁定；

再次，光纤环形器第二端口输出激光经过扩束透镜组和聚焦透镜照射到待测物体上产生后向散射光；再次，后向散射光始终以竖直方向偏振态顺次经过聚焦透镜，扩束透镜组传输至光纤环形器第二端口，并由第三端口输出至第五偏振分束棱镜；再次，经过第五偏振分束棱镜将竖直偏振方向的后向散射光反射后，和经过第五偏振分束棱镜的水平偏振方向的参考光合束后传输至雪崩光电二极管的光敏面混频；再次，雪崩光电二极管将接收到的后向散射光转换为电信号后传输至示波器进行数据采样；最后，由计算机对示波器采集的数据进行快速傅里叶变化以得到待测物体最终运动速度。

基于上述F-P腔低散斑噪声LDV测速系统进行的激光测速方法，包括以下步骤：

1）由第一激光器发出中心波长为1550nm的线偏振连续激光。旋转第一半波片，使得大部分第一激光器出射的激光（~50mW）调节至水平偏振方向，小部分的第一激光器出射的激光调节至竖直偏振方向（~2微瓦）。第一激光器出射的水平偏振方向激光经第一偏振分束棱镜透射后垂直于F-P腔镜面入射至F-P腔；竖直偏振方向激光则经第一偏振分束棱镜反射后进入波长计；

2）第二激光器发出中心波长为1550nm的线偏振连续激光，经45°全反镜反射并传输至第一偏振分束棱镜。旋转第二半波片，使得大部分第二激光器出射的激光调节至竖直偏振方向，小部分功率的第二激光器出射的激光（~2微瓦）调节至水平偏振方向。竖直偏振方向激光经第一偏振分束棱镜反射后垂直F-P腔镜面入射至F-P腔；水平偏振方向激光则经第一偏振分束棱镜透射后进入波长计；

3）将两激光器锁频环路中的三角波信号施加至各自激光器的电流调制端口，由于F-P腔透射光谱特性，可得激光透射峰光谱。如图2所示为三角波调制电流下的一个自由光谱区的透射峰；深黑线为三角波信号，浅灰色为激光透射峰信号；

4）通过波长计监视，手动粗调两台激光器波长至1550.006nm附近，并使两激光器波长值尽量接近，以便于激光器后续频率锁定；

5）通过旋转第四半波片调节由第二偏振分束棱镜透射的第一激光器光束偏振方向。使得大部分激光功率调节至竖直偏置光，并经第三偏振分束棱镜反射后传输至光纤环形器第1端口；剩余小部分功率的透射光保持水平偏振经第三偏振分束棱镜透射，并用于激光器频率锁定的电信号。如图3所示是激光器第一激光器频率锁定至F-P上的典型功率起伏图；第二激光器激光器典型功率起伏与其接近；

6）通过旋转第三半波片调节由第二偏振分束棱镜反射的第二激光器出射激光束的偏振方向，使得大部分功率激光保持为竖直偏振方向并经第四偏振分束棱镜反射；剩余小部分功率激光调节至水平偏振经第四偏振分束棱镜透射后，用于第二激光器频率锁定的电信号；

7）手动调制两激光器各自激光器偏置电流输入端口，并配合PID负反馈纠偏信号，将两台激光器频率锁定在F-P腔同一个自由光谱区的两个相邻透射峰上。锁定后的第一和第二激光器的频率差始终保持为375MHz。激光器频率锁定为业内常用技术，故此处不再赘述；

8）锁定频率的第一激光器出射激光经第三偏振分束棱镜反射传输至光纤环形器第一端口，并由第二端口出射，顺次经扩束透镜组，聚焦透镜并最终照射到待测物体表面；

9）由于待测物体具有一定运动速度，根据多普勒效应原理，物体表面的后向散射光携带多普勒频移信息；

10）携带多普勒频移信息的后向散射光顺次经过聚焦透镜、扩束透镜组，传输至光纤环形器第二端口，并经第三端口出射。由于后向散射光与第三偏振分束棱镜反射的第一激光器出射激光始终保持相同的偏振方向，即均为竖直偏振方向，因此可以直接被第五偏振分束棱镜反射；

11）锁定频率的第二激光器出射激光经第四偏振分束棱镜反射激光后，经过两面45度反射镜反射后，由第五半波片调节光束偏振方向为水平方向，并经第五偏振分束棱镜透射后与后向散射光一并送入到APD探测器中。APD探测到的电信号传递给示波器采集信号，将示波器所得时域信号经快速傅里叶变换（FFT）就可以得到频域信息，多普勒频移信号与物体移动速度是严格对应的函数关系。最终就可以求出物体移动的速度。

基于以上步骤和测量方法，发明人在实验室建立了该系统，并利用速度可以调的旋转圆盘作为待测物体，为了突出本系统对于散斑噪声的抑制效果，发明人将本发明中所用双频多普勒测速系统（DF-LDV）和单频测速系统（SF-LDV）在相同转盘转速与下的多普勒信号功率谱做了对比，测量结果如图4所示，浅灰线是单频多普勒测速系统，深黑线是双频多普勒测速系统，其中横坐标为时间，纵坐标为速度。从图中可以看到双频多普勒测速系统的多普勒信号展宽（13Hz）低于单频多普勒测速系统（60Hz），根据该多普勒信号展宽对应的速度分辨率公式：v _r =f _d ·λ/2（其中，v _r 系统测量速度分辨率，f _d 多普勒信号带宽，λ为激光波长），得出双频LDV、单频LDV速度分辨率分别为：1.01cm/s和4.65cm/s。实验结果证明，该基于F-P腔的双频LDV测速系统显著降低系统散斑噪声导致激光多普勒信号展宽的作用，提高了系统测速精度。

Claims (8)

1.一种基于共焦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（1）和第二激光器（2）；其特征在于，所述第一激光器（1）的出射光路上顺次设有第一半波片（3）和第一偏振分束棱镜（4），第一偏振分束棱镜（4）针对第一激光器（1）出射光的透射光路上设有F-P腔（5）；第一偏振分束棱镜（4）针对第一激光器（1）出射光的反射光路上设有波长计（6）；第二激光器（2）的出射光路上顺次设有第二半波片（7）和第一反射镜（8），所述第一偏振分束棱镜（4）和波长计（6）顺次位于第一反射镜（8）的反射光路上；F-P腔（5）的出射光路上设有第二偏振分束棱镜（9），第二偏振分束棱镜（9）的透射光路上顺次设有第四半波片（14）和第三偏振分束棱镜（11）；第二偏振分束棱镜（9）的反射光路上顺次设有第三半波片（12）和第四偏振分束棱镜（13）；第三偏振分束棱镜（11）的透射端通过光纤连接有光纤环形器（19）的第一端口（a），光纤环形器（19）的第二端口（b）出射端顺次设有扩束透镜组（20）、聚焦透镜（21）以及待测物体（22）；第四偏振分束棱镜（13）的反射光路上顺次设有第五半波片（17）和第五偏振分束棱镜（18）；第五偏振分束棱镜（18）的出射光路上设有第三光电探测器（23），第三光电探测器（23）的信号输出端连接有示波器（24），示波器（24）的信号输出端连接有计算机（25）；第五偏振分束棱镜（18）位于光纤环形器（19）的第三端口（c）的出射光路上且第五偏振分束棱镜（18）可将光纤环形器（19）的第三端口（c）的出射光反射至第三光电探测器（23）；

扩束透镜组（20）由凹透镜（d）和凸透镜（f）组成，光束放大倍率为20倍；其中凹透镜（d）靠近光纤环形器（19）的第二端口（b）一侧，凸透镜（f）靠近聚焦透镜（21）一侧；第二偏振分束棱镜（9）的透射端与第四半波片（14）之间还设有第二反射镜（10），第四半波片（14）位于第二反射镜（10）的反射光路上；第四偏振分束棱镜（13）的反射端与第五半波片（17）之间还设有第三反射镜（15）和第四反射镜（16）；第五半波片（17）位于第四反射镜（16）的反射光路上。

2.如权利要求1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，其特征在于，第一激光器（1）和第二激光器（2）均配有相应的电子锁频回路；第一激光器（1）的电子锁频回路包括位于第三偏振分束棱镜（11）透射光路上的第一光电探测器（26）、与第一光电探测器（26）信号输出端顺次连接的第一锁相放大器（27）、第一PID控制器（28）以及第一加法器（29）；第一加法器（29）的信号输出端与第一激光器（1）的电流调制端口相连接，还包括与第一加法器（29）相连接的第一三角波发生器（30）；第二激光器（2）的电子锁频回路包括位于第四偏振分束棱镜（13）透射光路上的第二光电探测器（31）、与第二光电探测器（31）信号输出端顺次连接的第二锁相放大器（32）、第二 PID控制器（33）以及第二加法器（34）；第二加法器（34）的信号输出端与第二激光器（2）的电流调制端口相连接，还包括与第二加法器（34）相连接的第二三角波发生器（35）。

3.如权利要求1或2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，其特征在于，第一、第二光电探测器均采用PIN光电探测器；第三光电探测器（23）采用雪崩光电探测器，雪崩光电探测器的带宽500MHz，最小可检测激光功率~10微瓦。

4.如权利要求1或2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，其特征在于，第一激光器（1）和第二激光器（2）型号相同，均采用尾纤封装的分布反馈式半导体激光器，其中心波长为1550nm，光束直径为1 .5mm，最大输出功率均~50mW，典型激光线宽~4.2MHz；所用F-P 腔（5）的腔长200mm，腔自由光谱区为375MHz，精细度为~550，腔线宽为~0.68MHz；锁定于F-P腔（5）两个激光器的频率差为375MHz。

5.如权利要求1或2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，其特征在于，第三偏振分束棱镜（11）反射光功率与第四偏振分束棱镜（13）反射光功率之比为99:1。

6.如权利要求1或2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，其特征在于，聚焦透镜（21）口径为50mm；光纤环形器（19）正向传输插入损耗50dB。

7.如权利要求1或2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，其特征在于，波长计（6）为日本YOKOGAWA公司生产AQ6150型波长计，其最高精度可以达到1pm；待测物体（22）为旋转的铝质圆盘，其直径为150mm，厚度为10mm。

8.一种基于共焦F-Ｐ腔的低散斑噪声激光多普勒测速方法，采用如权利要求2所述的装置实现，其特征在于，首先采用波长计（6）监视第一激光器（1）和第二激光器（2）各自的激光波长，通过调节激光驱动电流实现激光器的频率粗调，令二者的激光频率间隔处于F-P腔（5）一个自由光谱区频率范围以内；之后通过两激光器各自电子锁频回路将两激光器频率精确锁定于F-P 腔（5）一个自由光谱区的相邻两个透射峰上，此后两激光频率差始终保持为F-P腔（5）一个自由光谱区所对应的频差；锁定后的第一激光器（1）的透射激光作为测速系统的探测光束；该探测光束经F-P腔（5）出射后其顺次经过第二偏振分束棱镜（9）、第四半波片（14）、第三偏振分束棱镜（11），经光纤耦合至光纤环形器（19），又顺次经过扩束透镜组（20）、聚焦透镜（21）聚焦后照射至待测物体（22）上，并产生后向散射光；后向散射光再顺次经聚焦透镜（21）、扩束透镜组（20）传输至光纤环形器（19）的第二端口（b）并从第三端口（c）输出，然后传输至第五偏振分束棱镜（18）；锁定后的第二激光器（2）的透射激光作为测速系统的参考光束；该参考光束经F-P腔（5）透射后顺次经过第二偏振分束棱镜（9）、第三半波片（12）、第四偏振分束棱镜（13）、第五半波片（17）和第五偏振分束棱镜（18），并和经第五偏振分束棱镜（18）反射的后向散射光合束后，最终传输至第三光电探测器（23）的光敏面用于生成光混频的激光多普勒电信号；激光多普勒电信号经示波器（24）采样后输入至计算机（25），计算机（25）在相应软件的支持下对激光多普勒电信号做快速傅里叶变换后，得到待测物体实时运动速度。

Images