CN110687546A - 一种采用相位调制器的双光束激光多普勒测速系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学领域，公开了一种采用相位调制器的双光束激光多普勒测速系统，所述测速仪包括：红外半导体激光器，红光指示半导体激光器，耦合器，相位调制器，第一准直透镜，第二准直透镜，接收透镜，红外光探测器，其中，所述红外半导体激光器及红光指示半导体激光器分别通过光纤连接所述耦合器的一端，所述耦合器的另一端通过光纤连接所述相位调制器，所述相位调制器将传导的红外激光分成均匀的两路，并分别通过光纤传导至所述第一准直透镜及第二准直透镜前端，经移动物体反射的光由接收透镜聚焦至红外光探测器。本发明解决了原有的采用声光移频器进行移频的测速系统技术复杂、成本较高的问题。
Description
技术领域
本发明属于光学测量领域，尤其涉及一种采用相位调制器实现移频并配合快速傅里叶变换实现频率探测，进而实现速度测量的双光束激光多普勒测速系统。
背景技术
激光多普勒频移是激光入射到移动物体的表面，被移动的物体散射时，散射光的光波频率与入射光光波频率存在差值，且该差值与物体的移动速度成正比，因此，通过探测激光频率的偏移即可探测物体的移动速度。
由于激光频率很高(～1014Hz)，因此无法直接探测激光频率。通常将两束有频率差的激光合束，合束之后光强会出现周期性的波动，光强波动频率即为两束激光的频率差，此方法为光外差法。通过外差法可以实现激光多普勒频移的检测。
双光束双散射的光路结构是目前激光测速系统中普遍采用的光路结构，其光路结构简单，接收光强信号大，能适应绝大部分情况下的速度检测。为了实现正负速度的检测，需要将其中的一路出射光或者两路出射光进行移频。如此可以实现在被测物体没有移动，没有产生激光多普勒频移时，测速系统也可以检测到一个频率值。当物体移动时，测速系统检测到的频率值增加或者减小，分别对应物体的前移或者后移，从而实现正负速度的检测。
目前激光测速系统多数采用声光移频器进行移频。声光移频器由于受晶体材料尺寸限制，移频量通常在几十兆赫兹以上。在外差检测系统中，如果需要产生几兆赫兹甚至更低的移频量，通常需要用到两个声光移频器，分别对两路光进行移频，使得两路光的移频量有一个较小的差别，以达到几兆赫兹甚至更低的移频量的目的。此外，为了提高声光移频器输出光的衍射效率和移频带宽，声光移频器必须工作在布拉格衍射模式，因此需要采取诸如提高压电换能器带宽、超声跟踪、带宽阻抗匹配等等一系列复杂的技术手段，也造成了设备体积较大。同时，声光移频器使用空间光在晶体中进行传播，不利于封装光纤。
发明内容
本发明的目的是，提供一种采用相位调制器的双光束激光多普勒测速系统，以解决原有的采用声光移频器进行移频的测速系统技术复杂、成本较高的问题。
本发明所采用的技术方案如下：
一种采用相位调制器的双光束激光多普勒测速系统，所述测速系统包括：红外半导体激光器，红光指示半导体激光器，耦合器，相位调制器，第一准直透镜，第二准直透镜，接收透镜，红外光探测器，其中，所述红外半导体激光器及红光指示半导体激光器分别通过光纤连接所述耦合器的一端，所述耦合器另一端通过光纤连接所述相位调制器，所述相位调制器将传导的红外激光分成均匀的两路，并分别通过光纤传导至所述第一准直透镜及第二准直透镜前端，经移动物体反射的光由接收透镜聚焦至红外光探测器。
红外激光经过铌酸锂相位调制器时，光波被均匀的分为相等的两部分，同时其相位被施加在铌酸锂相位调制器上的锯齿波调制信号调制。被铌酸锂相位调制器分成两等份的光分别被红外保偏光纤导光至第一准直透镜和第二准直透镜，经移动物体反射的光由接收透镜聚焦至红外光探测器，光强信号经由红外光探测器转换为电信号，信号由AD采集之后进行傅里叶频率分析，从而得到两束光的拍频信号，再经过线性运算，得到物体的移动速度。
优选的，所述相位调制器为铌酸锂相位调制器。
优选的，所述红外半导体激光器的输出尾纤采用红外保偏光纤封装。
优选的，所述耦合器的输入输出尾纤均采用红外保偏光纤封装。
优选的，红外激光经过所述相位调制器时，光波被均匀的分为相等的两路，同时其相位被施加在相位调制器上的锯齿波调制信号调制。
优选的，所述铌酸锂相位调制器为Y型铌酸锂相位调制器，所述Y型铌酸锂相位调制器的铌酸锂晶体制备成光波导结构。
优选的，所述第一准直透镜与第二准直透镜被设置呈具有一定的夹角，接收透镜位于两个准直透镜中间，红外光探测器位于所述接收透镜正上方；其中，所述第一准直透镜、第二准直透镜及接收透镜为双凸透镜、平凸透镜、凹凸透镜、消色差透镜或者消球差透镜。
优选的，所述锯齿波调制信号为占空比为0或者1的锯齿波，且锯齿波的调制深度为0.5π。
与现有技术相比，本发明所提供的一种采用相位调制器的双光束激光多普勒测速系统，采用相位调制器代替声光移频器实现激光移频，为激光测速系统提供零速时的频率偏置，从而实现测速系统的正负速度检测。此外，铌酸锂相位调制器的成本远低于声光移频器，在双光束激光多普勒测速系统中使用铌酸锂相位调制器代替声光移频器，不需要像声光移频器一样使用复杂的射频驱动技术，可以大幅减小测速系统的技术复杂度以及成本。
附图说明
图1为本发明实施例所述的采用相位调制器的双光束激光多普勒测速系统的结构原理图。
图2为本发明实施例所述的测速系统施加在相位调制器上的锯齿波信号示意图。
图3为图2中的锯齿波调制深度为不同值时，红外探测器接收到的拍频信号中各个频率分量的相对值。
图中，1-红外半导体激光器，2-红光指示半导体激光器，3-耦合器，4-相位调制器，5-第一准直透镜，6-第二准直透镜，7-接收透镜，8-红外光探测器，9-被测物体，10-光纤。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明实施例所公开的采用相位调制器的双光束激光多普勒测速系统，由红外半导体激光器1，红光指示半导体激光器2，耦合器3，相位调制器4，第一准直透镜5，第二准直透镜6，接收透镜7，红外光探测器8，光纤10组成。
所述红外半导体激光器1和红光指示半导体激光器2分别通过各自的两路光纤分别连接到耦合器3的其中一端。红光指示半导体激光器2发出的红光经耦合器3耦合进入铌酸锂相位调制器4，随后被分成两束光，分别经第一准直透镜5和第二准直透镜6准直为空间光束，两个光束在空间重合的区域即为测速系统的探测区域。其中，所述红外半导体激光器1发出的光将用作多普勒信号的计算，红光指示半导体激光器2发出的光不用做激光多普勒信号的解算，只是单纯的用于测速系统探测区域的指示，方便实际操作。耦合器3以光为媒介传输电信号，它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。通过在激光传导的光路上设置耦合器，使得光信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，传输效率高。
所述耦合器3的另一端连接有相位调制器，所述相位调制器一方面对光进行信号调制，同时，还将红外激光分成功率相等的两份，分成均匀的两路光。本实施例中，所述相位调制器优选为铌酸锂相位调制器，更优选地，选用Y型铌酸锂相位调制器，铌酸锂相位调制器是一种电光器件。当有电场施加在铌酸锂晶体上时，铌酸锂晶体的折射率会发生改变，从而改变经过铌酸锂晶体的光波的相位。铌酸锂晶体的电光相应速度非常高，因此其信号带宽可以非常大。同时，其对输入信号的频率没有任何要求，可以覆盖所有的频率范围，非常适合于几十兆赫兹一下的频率范围的移频应用。由于其频率适应范围广，因此其不需要像声光移频器一样使用复杂的射频驱动技术。本发明实施例中，所述铌酸锂相位调制器的铌酸锂晶体制备成光波导结构，如此，可以与光纤进行直接耦合，光纤封装非常方便。
所述相位调制器4的输出端，通过两路光纤分别连接至第一准直透镜5和第二准直透镜6和前端，从调制器4输出端的光纤的末端与两个准直透镜之间有一定间隔，对准两个准直透镜。所述第一准直透镜5和第二准直透镜6在安装时形成一定的夹角，如此可使得通过两个准直透镜的两束空间光束在测速系统前方的一定距离处相交。接收透镜7位于两个准直透镜中间，红外光探测器8位于所述接收透镜7的正上方；其中，所述第一准直透镜5、第二准直透镜6及接收透镜7可以为双凸透镜、平凸透镜、凹凸透镜、消色差透镜或者消球差透镜。
本发明实施例中，红外半导体激光器1、耦合器3、相位调制器4，准直透镜(5，6)之间的光路是通过光纤传导，相比传统的直接激光散射方式，其传输速率更大、更稳定，不易发生衰减。
由于光纤在传输过程中，如果存在干扰，可能导致光线偏振，或者在实际应用中也会受到机械应力变得不对称，产生双折射现象，本发明实施例中，所述红外半导体激光器1的输出尾纤采用红外保偏光纤封装，所述耦合器3的输入输出尾纤均采用红外保偏光纤封装。保偏光纤在拉制过程中，由于光纤内部产生的结构缺陷会造成保偏性能的下降，即当线偏振光沿光纤的一个特征轴传输时，部分光信号会耦合进入另一个与之垂直的特征轴，最终造成出射偏振光信号偏振消光比的下降，这种缺陷就是影响光纤内的双折射效应，保偏光纤中，双折射效应越强，波长越短，保持传输光偏振态越好。使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量。
本发明实施例所公开的采用相位调制器的双光束激光多普勒测速系统进行物理测速的工作原理如下：
半导体激光器1发出的光经过耦合器3后进入铌酸锂相位调制器4，光被施加在铌酸锂相位调制器上的调制信号所调制的同时被分成功率相等的两等份，被调制的光波经过红外保偏光纤10后分别到达第一准直透镜5和第二准直透镜6，光波进过第一准直透镜5和第二准直透镜6后变成两束具有一定光斑大小的空间光束。第一准直透镜5和第二准直透镜6在安装时形成一定的角度，使得两束空间光束在测速系统前方的一定距离处相交。两束空间光束相交的区域即为测速系统的探测区域。当被测物体9在探测区域内时，两束空间光束均在被测物体9表面产生具有多普勒频移的散射光。散射光经过接收透镜7后聚焦在红外光探测器8上。红外光探测器8将带有多普勒频移的散射光的拍频信号转换为电信号，该电信号通过后续信号处理电路计算出信号的频率值，该频率值与被测物体9的移动速度成正比。通过简单换算后，即可测得被测物体9的移动速度。
施加在铌酸锂相位调制器4上的信号为锯齿波信号。当锯齿波信号的幅值在一定范围内时，可以实现两束被调制的光波的散射光的拍频信号只有1倍频分量，从而实现零速的检测。具体的，记锯齿波信号为s(t)，其调制深度记为M，频率为fm，如图2所示。因此，被调制的两束光波可以表示为：
E1＝E10exp[i(kz-ωt+s(t))]
E2＝E20exp[i(kz-ωt-s(t))]
在零速时，不存在多普勒频移，因此散射光的叠加光可以表示为：
E＝E1+E2
红外光探测器8转换完的电信号为：
I＝EE*
由傅里叶级数分解理论可知，红外光探测器8探测到的信号应该存在以fm为基波频率的各级倍频频率分量。然而通过合理的设置锯齿波调制深度M，可以实现高阶频率分量的抑制，从而准确的检测到基波频率fm，实现零速探测。图3给出了锯齿波调制深度M为不同值时，红外探测器8接收到的拍频信号中各个频率分量的相对值。从图3中可以看出，当锯齿波调制深度为0.5π时，拍频信号中1倍频分量最大，2倍频、3倍频、4倍频等倍频分量均为0，因此，在本发明实施例中，实现测速系统零速检测时，锯齿波调制深度设置为为0.5π。
上述说明示出并描述了本发明的若干推荐实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述指导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种采用相位调制器的双光束激光多普勒测速系统，其特征在于，所述测速仪包括：红外半导体激光器，红光指示半导体激光器，耦合器，相位调制器，第一准直透镜，第二准直透镜，接收透镜，红外光探测器，其中，所述红外半导体激光器及红光指示半导体激光器分别通过光纤连接所述耦合器的一端，所述耦合器的另一端通过光纤连接所述相位调制器，所述相位调制器将传导的红外激光分成均匀的两路，并分别通过光纤传导至所述第一准直透镜及第二准直透镜前端，经移动物体反射的光由接收透镜聚焦至红外光探测器。
2.如权利要求1所述的测速系统，其特征在于，所述相位调制器为铌酸锂相位调制器。
3.如权利要求1所述的测速系统，其特征在于，所述红外半导体激光器的输出尾纤采用红外保偏光纤封装。
4.如权利要求1所述的测速系统，其特征在于，所述耦合器的输入输出尾纤均采用红外保偏光纤封装。
5.如权利要求1所述的测速系统，其特征在于，红外激光经过所述相位调制器时，光波被均匀的分为相等的两路，同时其相位被施加在相位调制器上的锯齿波调制信号调制。
6.如权利要求2所述的测速系统，其特征在于，所述铌酸锂相位调制器为Y型铌酸锂相位调制器，所述Y型铌酸锂相位调制器的铌酸锂晶体制备成光波导结构。
7.如权利要求1所述的测速系统，其特征在于，所述第一准直透镜与第二准直透镜被设置呈具有一定的夹角，接收透镜位于两个准直透镜中间，红外光探测器位于所述接收透镜正上方；其中，所述第一准直透镜、第二准直透镜及接收透镜为双凸透镜、平凸透镜、凹凸透镜、消色差透镜或者消球差透镜。
8.如权利要求5所述的测速系统，其特征在于，所述锯齿波调制信号为占空比为0或者1的锯齿波，且锯齿波的调制深度为0.5π。
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