專利名稱：原子法拉第效應(yīng)鑒頻和穩(wěn)頻的激光多普勒測(cè)速儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光測(cè)速儀，特別涉及一種原子法拉第效應(yīng)鑒頻和穩(wěn)頻的激光多普勒測(cè)速儀，可用于檢測(cè)有形物體的速度及無(wú)形物體(如風(fēng))的速度。
背景技術(shù)：
激光多普勒測(cè)速儀的原理是用一束激光照射被測(cè)物體，測(cè)量從運(yùn)動(dòng)物體散射回波光的多普勒頻移，再由此頻移來(lái)求出被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度。設(shè)激光的頻率為f0，運(yùn)動(dòng)物體回波的多普勒頻移為Δf，則物體的運(yùn)動(dòng)速度為υ=c2f0Δf,]]>其中，c為光速。通常，散射回波光的多普勒頻移Δf與所用激光束的頻率f0相比是很小的，也就是說(shuō)，準(zhǔn)確地測(cè)量比激光頻率小得多的回波光的多普勒頻移，是對(duì)激光多普勒測(cè)速儀的基本要求。
激光多普勒測(cè)速儀通常采用光學(xué)鑒頻的方法來(lái)測(cè)量散射回波光的多普勒頻移。由于光學(xué)鑒頻只涉及到散射回波光與發(fā)射激光在鑒頻器上的相對(duì)頻率比較，對(duì)散射回波光的強(qiáng)度和相位畸變均無(wú)特殊要求，從而使測(cè)速儀在技術(shù)上較為簡(jiǎn)單，并且既能測(cè)量有形物體的速度，也能測(cè)量無(wú)形物體的速度?，F(xiàn)有的激光多普勒測(cè)速儀由原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光發(fā)射器、散射回波光接收檢測(cè)器和信號(hào)處理器三部分構(gòu)成，由于采用F-P標(biāo)準(zhǔn)具作為鑒頻器，其透射頻率會(huì)隨溫度、氣壓、振動(dòng)等外界條件的變化而改變。同時(shí)，它的發(fā)射激光器采用穩(wěn)定其工作溫度和電流的被動(dòng)式穩(wěn)頻技術(shù)來(lái)穩(wěn)定其輸出頻率，由于這種穩(wěn)頻技術(shù)的限制，其輸出頻率也會(huì)隨各種外界條件的變化而改變。這樣，會(huì)造成鑒頻頻率和激光頻率之間無(wú)規(guī)則相對(duì)頻率漂移。此外，這種激光多普勒測(cè)速儀采用強(qiáng)度檢測(cè)來(lái)測(cè)量散射回波的多普勒頻移，從而影響激光多普勒測(cè)速儀的測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種原子法拉第效應(yīng)鑒頻和穩(wěn)頻的激光多普勒測(cè)速儀，該測(cè)速儀的鑒頻器和發(fā)射激光器的頻率基準(zhǔn)源均采用原子法拉第效應(yīng)器件，并采用了比例檢測(cè)的方法來(lái)檢測(cè)散射回波光，使得本發(fā)明性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高，其工作性能基本不受震動(dòng)、溫度、氣壓等外界條件的影響，且制造容易，使用方便，既能測(cè)量有形物體的速度，又能測(cè)量無(wú)形物體的速度。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案原子法拉第效應(yīng)鑒頻和穩(wěn)頻的激光多普勒測(cè)速儀由原子光反饋穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器、包含原子鑒頻器的回波光接收檢測(cè)器和信號(hào)處理器組成。
原子光反饋穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器由半導(dǎo)體激光器組件、準(zhǔn)直組件、頻率基準(zhǔn)源和輸出耦合器組成，其中頻率基準(zhǔn)源采用原子法拉第效應(yīng)穩(wěn)頻器件。
回波光接收檢測(cè)器由接收望遠(yuǎn)鏡、分束片、鑒頻器和兩只光電探測(cè)器組成，其中鑒頻器采用原子法拉第效應(yīng)鑒頻器件。
信號(hào)處理器由比例檢測(cè)器和速度處理器組成。比例檢測(cè)器對(duì)來(lái)自兩只光電探測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行比例檢測(cè)；速度處理器則從比例檢測(cè)后的信號(hào)計(jì)算出被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度。
在本方案中，通過(guò)采用法拉第效應(yīng)穩(wěn)頻器件和法拉第效應(yīng)鑒頻器件使激光頻率和鑒頻頻率非常穩(wěn)定，同時(shí)，還通過(guò)分別調(diào)節(jié)兩個(gè)法拉第效應(yīng)器件的溫度和磁場(chǎng)的辦法將激光頻率穩(wěn)定在鑒頻器線性工作區(qū)的中段，實(shí)現(xiàn)兩者的最佳配合。而后一技術(shù)的使用又帶來(lái)了本測(cè)速儀的又一特點(diǎn)，即可通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)原子法拉第效應(yīng)器件的磁場(chǎng)和溫度，來(lái)改變測(cè)速精度和測(cè)速范圍，以滿足不同的應(yīng)用要求。
在本方案中采用了比例檢測(cè)的方法，即通過(guò)測(cè)量散射回波光本身的強(qiáng)度與其透過(guò)原子法拉第效應(yīng)鑒頻器后的強(qiáng)度之比，來(lái)測(cè)量散射回波光的多普勒頻移，可消除散射回波光強(qiáng)度變化(包括發(fā)射激光強(qiáng)度的變化和被測(cè)物體光散射特性的變化)對(duì)多普勒頻移測(cè)量的影響，提高了測(cè)速儀的測(cè)量精度。
本測(cè)速儀的工作過(guò)程是半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的發(fā)散光束經(jīng)準(zhǔn)直組件后變成平行光，再經(jīng)原子法拉第效應(yīng)穩(wěn)頻器件通過(guò)外腔光反饋方法將其輸出頻率穩(wěn)定在一個(gè)特定值上。穩(wěn)頻激光器輸出的激光束照射運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，所產(chǎn)生的散射回波光經(jīng)望遠(yuǎn)鏡接收。為有效接收散射回波光，激光器的發(fā)射光束與接收望遠(yuǎn)鏡的光軸必須相互平行，且盡量靠近(必要時(shí)也可同軸安置)。接收到的散射回波光經(jīng)分束片分為兩路，其中一路直接送到一只光電探測(cè)器，得到與散射回波光強(qiáng)相關(guān)的信號(hào)；另一路則經(jīng)過(guò)原子法拉第效應(yīng)鑒頻器件后，再送到另一只光電探測(cè)器，得到既與散射回波光強(qiáng)度相關(guān)又與多普勒頻移相關(guān)的信號(hào)。此兩信號(hào)經(jīng)比例檢測(cè)器檢測(cè)，得到散射回波光的多普勒頻移，再由速度處理器求得運(yùn)動(dòng)物體的速度。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果本測(cè)速儀分別采用原子法拉第效應(yīng)器件來(lái)對(duì)發(fā)射激光器進(jìn)行穩(wěn)頻和對(duì)散射回波光進(jìn)行鑒頻，使測(cè)速儀的激光頻率和鑒頻頻率都建立在原子躍遷基準(zhǔn)上。而原子躍遷頻率是非常準(zhǔn)確、穩(wěn)定的，幾乎不隨外界條件，如振動(dòng)、溫度、氣壓等而變化，這就大大提高了測(cè)速儀的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。而且該測(cè)速儀還采用比例檢測(cè)的方法來(lái)測(cè)量散射回波光的多普勒頻移，消除了散射回波光強(qiáng)度變化所引起的測(cè)量誤差，進(jìn)一步提高了測(cè)速儀的測(cè)量精度。
該測(cè)速儀的另一優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)原子法拉第效應(yīng)器件的磁場(chǎng)和溫度，可以在一定范圍內(nèi)改變激光器的輸出頻率和鑒頻器的鑒頻頻率及線性透射范圍，從而改變測(cè)速儀的測(cè)量范圍和測(cè)量精度，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。


圖1為原子法拉第效應(yīng)鑒頻和穩(wěn)頻的激光多普勒測(cè)速儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1原子光反饋穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器、2回波光接收檢測(cè)器、3信號(hào)處理器、4半導(dǎo)體激光器組件、5準(zhǔn)直組件、6原子法拉第效應(yīng)穩(wěn)頻器件、7輸出耦合器、8分束片、9原子法拉第效應(yīng)鑒頻器件、10望遠(yuǎn)鏡、11和12為光電探測(cè)器、13比例檢測(cè)器、14速度處理器、15運(yùn)動(dòng)物體。
圖2原子法拉第效應(yīng)鑒頻器件和穩(wěn)頻器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中6原子法拉第效應(yīng)穩(wěn)頻器件、9原子法拉第效應(yīng)鑒頻器件、16電磁線圈、17原子泡、18恒溫裝置、19和20偏振片。
圖3為原子法拉第效應(yīng)鑒頻和穩(wěn)頻的激光多普勒測(cè)速儀的鑒頻原理圖。
其中O(或O’)為由原子法拉第效應(yīng)穩(wěn)頻器件6所穩(wěn)定的發(fā)射激光器的頻率，A-B(或A’-B’)為原子法拉第效應(yīng)鑒頻器件9的鑒頻工作頻段。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明由原子光反饋穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器1、回波光接收檢測(cè)器2和信號(hào)處理器3三部分組成。
原子光反饋穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器1由半導(dǎo)體激光器組件4、準(zhǔn)直組件5、原子法拉第效應(yīng)器件6和輸出耦合器7組成。半導(dǎo)體激光器組件4的頻率經(jīng)光反饋方式穩(wěn)定在原子法拉第效應(yīng)穩(wěn)頻器件6的一個(gè)透射峰上，調(diào)節(jié)原子法拉第效應(yīng)穩(wěn)頻器件6的磁場(chǎng)和溫度，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)穩(wěn)頻激光器的輸出頻率。
散射回波光接收檢測(cè)器2由接收望遠(yuǎn)鏡10、分束片8、原子法拉第效應(yīng)鑒頻器件9、光電探測(cè)器11和12組成。由接收望遠(yuǎn)鏡10接收的散射回波光被分束片8分為兩路一路直接由光電探測(cè)器11探測(cè)；另一路經(jīng)原子法拉第效應(yīng)鑒頻器件9后，由另一光電探測(cè)器12探測(cè)。其中，光電探測(cè)器11輸出的信號(hào)只與散射回波光的強(qiáng)度有關(guān)，而光電探測(cè)器12輸出的信號(hào)則既與散射回波光的強(qiáng)度有關(guān)又與多普勒頻移有關(guān)。
原子法拉第效應(yīng)穩(wěn)頻器件6和原子法拉第效應(yīng)鑒頻器件9均由電磁線圈16、原子泡17、恒溫裝置18、偏振片19和20所組成。兩者的結(jié)構(gòu)相同，但要分別調(diào)節(jié)兩個(gè)法拉第效應(yīng)器件的溫度和磁場(chǎng)的將激光頻率穩(wěn)定在鑒頻器線性工作區(qū)的中段，實(shí)現(xiàn)兩者的最佳配合。
發(fā)射激光器和接收望遠(yuǎn)鏡相互平行且盡量靠近，最好同軸安裝。
信號(hào)處理器3由比例檢測(cè)器13和速度處理器14組成，光電探測(cè)器11和12的輸出信號(hào)由比例檢測(cè)器13進(jìn)行比例檢測(cè)，得到不受散射回波光強(qiáng)度變化影響的多普勒頻移，最后由速度處理器14計(jì)算出被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度。
權(quán)利要求
1.一種原子法拉第效應(yīng)鑒頻和穩(wěn)頻的激光多普勒測(cè)速儀，它由原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光發(fā)射器(1)、散射回波光接收檢測(cè)器(2)和信號(hào)處理器(3)組成，其特征在于，原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光發(fā)射器(1)采用原子法拉第效應(yīng)穩(wěn)頻器件(6)作為頻率基準(zhǔn)源，散射回波光接收檢測(cè)器(2)采用原子法拉第效應(yīng)鑒頻器件(9)來(lái)鑒別多普勒頻移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原子法拉第效應(yīng)鑒頻和穩(wěn)頻的激光多普勒測(cè)速儀，其特征在于，所述的信號(hào)處理器(3)采用比例檢測(cè)器以消除散射光強(qiáng)度的影響。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種原子法拉第效應(yīng)鑒頻和穩(wěn)頻的激光多普勒測(cè)速儀。該測(cè)速儀由原子光反饋穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器、散射回波光接收檢測(cè)器和信號(hào)處理器組成，特征是半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)頻和散射回波光的鑒頻均采用原子法拉第效應(yīng)器件，使兩者的頻率都建立在同樣準(zhǔn)確和穩(wěn)定的原子譜線躍遷基準(zhǔn)上。同時(shí)，采用了比例檢測(cè)的方法來(lái)測(cè)量散射回波光的多普勒頻移，消除了散射回波光強(qiáng)度變化所帶來(lái)的誤差。因此，本發(fā)明性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高，基本不受震動(dòng)、溫度、氣壓等外界條件的影響，且測(cè)量精度和測(cè)量范圍可調(diào)。本發(fā)明制造容易，使用方便，既能測(cè)量有形物體的速度，又能測(cè)量無(wú)形物體的速度。
文檔編號(hào)G01P3/50GK1510434SQ0215413
公開日2004年7月7日 申請(qǐng)日期2002年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月25日
發(fā)明者龔順生, 李發(fā)泉, 程學(xué)武, 戴陽(yáng), 王嘉珉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所