本發(fā)明涉及自由空間激光通信和激光測速領(lǐng)域，更具體的說，是一種基于雙向單程通信的激光多普勒測速的方法。

技術(shù)背景

1964年，楊(YEN)和占明斯(cumnis)首先利用激光的多普勒頻移測定了水層流的分布，從而為激光多普勒測速技術(shù)的發(fā)展解開了序幕。激光多普勒測速技術(shù)(LDV)是通過光電探測器探測物體表面散射光或反射光與參考光的頻移，得到物體的速度信息。與傳統(tǒng)的接觸性測量相比較，LDV是一種非接觸性測量，它是一種無干擾流場測量技術(shù)，具有極高的測量精度。從原理上講，LDV相應沒有滯后，能跟得上物體的快速脈動。它能覆蓋從每秒幾毫秒到超音速很寬的速度范圍，且測量不受物體壓力、溫度、密度、粘度等參數(shù)的影響，它還可以實現(xiàn)一維、二維、三維的速度測量以及運動方向的判斷，具有動態(tài)響應快、空間分辨率高、測量范圍大和實時性等突出優(yōu)點。

現(xiàn)有技術(shù)[張艷艷，鞏珂等，激光多普勒測速技術(shù)進展[J].激光與紅外，2011,40(11):1157-06.]所述的激光多普勒測速技術(shù)都是將激光的回波信號和激光的本地參考光信號做差頻，這在激光長距離傳輸時，激光的回波信號就會很弱，探測器難以探測到回波信號，所以需要高功率的激光器和高靈敏度的光電探測器，這就增加了實現(xiàn)的難度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有激光多普勒測速方法(通過光電探測器探測到激光的回波信號和激光的本地參考光信號的差頻信號來獲得物體的運動速度信息)難以實現(xiàn)激光的長距離傳輸?shù)牟蛔?，采用雙向單程通信的方式，在兩地同時發(fā)送，并同時探測各自的差頻信號，通過多普勒頻移和速度的關(guān)系式獲得物體的運動速度。本發(fā)明采用雙向單程通信的方式，在激光長距離傳輸時，在不增加對激光器和探測器的性能要求下，仍能通過激光的多普勒頻移測出物體的運動速度。

本發(fā)明技術(shù)解決方案，包括以下幾個步驟：

一種基于雙向單程通信的激光多普勒頻移測速的方法，包括以下幾個步驟：

步驟一：將兩個測距通信站，即A、B兩地的信號同時向?qū)Ψ桨l(fā)射，其中A地的本地信號頻率為f_A，B地的本地信號頻率為f_B；

步驟二：經(jīng)t₀時間后，A地接收到來自B地的信號，其頻率為f_AR，將A地的本地信號和A地的接收到的信號做差頻，得差頻后信號的頻率為f_AR-f_A；同時B地接收到來自A地的信號，其頻率為f_AR，將B地的本地信號和B地的接收到的信號做差頻，得到差頻后信號的頻率為f_BR-f_B；

步驟三：A地接收信號的頻率f_AR＝f_B+f_dB，f_dB是B地產(chǎn)生的多普勒頻移，

B地接收信號的頻率f_BR＝f_A+f_dA，f_dA是A地產(chǎn)生的多普勒頻移；

計算A、B兩地產(chǎn)生的多普勒頻移平均值，公式如下：

$f_d=\frac{f_{dB}+f_{dA}}{2}$

式中，其中，c為光速；

計算A、B兩地的相對速度為v，公式如下：

$v=\frac{f_d}{\stackrel{\‾}{f}}c$

式中，

采用雙向單程通信的方式，即使在上萬公里的距離下，也可以由多普勒頻移測出兩地的相對速度。

所得的v是A、B兩地的相對的瞬時速率，所以可以通過v判定平移臺的移動速度的均勻性。

本發(fā)明具有如下特點：

1、采用兩地同時發(fā)送、同時探測差頻信號的方式，可以實現(xiàn)激光的長距離傳輸。

2、在兩地由多普勒頻移測定速度時，得出的是物體的瞬時速度，所以可以判斷速度平移臺移動速度的均勻性。

本發(fā)明的技術(shù)效果：

1、本發(fā)明采用雙向單程通信的方式，在兩地同時發(fā)送，同時探測接收，即使在上萬公里的距離下，也可以由多普勒頻移測出兩地的相對速度。

2、與現(xiàn)有的多普勒測速技術(shù)相比，本發(fā)明，在長距離傳輸時，在不增加對激光器、探測器等器件的性能要求下，仍能通過激光的多普勒頻移測出物體的運動速度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的原理框圖

圖2為本發(fā)明的一個實施例的結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。

圖1為本發(fā)明的原理框圖，其具體實施包括以下幾個步驟：

步驟一：將A、B兩地的信號同時向?qū)Ψ桨l(fā)射，其中A地的信號頻率為f_A，B地的信號頻率為f_A。

步驟二：經(jīng)t₀時間后，A地接收到來自B地的信號，其頻率為f_AR，將A地的本地信號和A地的接收到的信號做差頻，可得差頻后信號的頻率為f_AR-f_A；同時B地接收到來自A地的信號，其頻率為f_AR，將B地的本地信號和B地的接收到的信號做差頻，可到差頻后信號的頻率為f_BR-f_B。

步驟三：A地接收信號的頻率f_AR＝f_B+f_dB，f_dB是B地產(chǎn)生的多普勒頻移，B地接收信號的頻率為f_BR＝f_A+f_dA，f_dA是A地產(chǎn)生的多普勒頻移。所以A、B兩地的差頻信號相加取平均值得到

$f_d=\frac{f_{AR}-f_A+f_{BR}-f_B}{2}=\frac{f_B+f_{dB}-f_A+f_A+f_{dA}-f_B}{2}=\frac{f_{dB}+f_{dA}}{2}$

由多普勒頻移和速度的關(guān)系式其中，c為光速。所以，其中，即可得到兩地的相對速度v。

圖2為本發(fā)明的一個實施例的結(jié)構(gòu)圖。由圖可見，本發(fā)明的光路圖中A地的結(jié)構(gòu)包括第一可調(diào)諧激光器1、第一1分2光纖分束器2、第一光纖環(huán)形器3、第一光纖準直器4、速度控制平移臺5、第一2*2光纖定向耦合器6、第一光電平衡探測器7、第一數(shù)字示波器8。B地的結(jié)構(gòu)包括第二可調(diào)諧激光器9、第二1分2光纖分束器10、第二光纖環(huán)形器11、第二光纖準直器12、第二2*2光纖定向耦合器13、第二光電平衡探測器14、第二數(shù)字示波器15。

可調(diào)諧激光器1輸出的光場為

其中，A₁代表光場振幅，ω_A代表光波頻率，代表光場的相位噪聲。激光輸出光信號通過第一1分2光纖分束器2分成兩束光強相等的兩路光信號，其中一路作為A地的本振信號，表示為

另一路進入第一光纖環(huán)形器3的端口1，作為光纖環(huán)形器的發(fā)射信號。所以A地的發(fā)射信號為

可調(diào)諧激光器9的輸出光場為

其中，A₂代表光場振幅，ω_B代表光波頻率，代表光場的相位噪聲。激光輸出光場通過第二1分2光纖分束器10分成兩束光強相等的兩路光信號，其中一路作為B地的本振信號，表示為

另一路進入第二光纖環(huán)形器11的端口1，作為環(huán)形器的發(fā)射信號。所以，B地的發(fā)射信號表示為

A地的發(fā)射信號經(jīng)過第一光纖準直器4將高斯光準直為平行光，在自由空間傳播距離為S(t)后，經(jīng)過第二光纖準直器12后，傳輸?shù)降谝还饫w環(huán)形器的端口2，并在第一光纖環(huán)形器的端口3被接收，所以，B地的接收光信號的光場表示為

其中，v是速度控制平移臺5的移動速度，平移臺向B地平移，取v的符號為“+”，S(t)＝S₀-vt，S₀是速度控制平移臺5靜止時，A、B兩地的距離。

從上式中可以看出，接收信號的頻率

所以，B的接收光場可表示為

B地的接收光信號E_rB(t)和本振光信號E_LOB(t)作為第二2*2光纖耦合器13的輸入信號，2*2光纖耦合器的耦合比為1:1，則第二2*2光纖耦合器13的輸出信號的光場表示為

第一平衡光電探測器7將接受到的光信號轉(zhuǎn)為電壓信號，表示為

c.c代表前項的復共軛，是信號的幅值，其中R為光電探測器的響應度，D為第一平衡探測器的感光面積，r為探測器電阻。

第一光電平衡探測器探測器7輸出的電壓信號顯示到第一數(shù)字示波器上8，并對其做快速傅里葉變換FFT，其峰值對應的頻率為f₁

f₁＝f_A+f_dA-f_B+δf₁

其中δf₁是激光器相位噪聲帶來的頻率誤差。

理想情況下的測得的角頻率ω_A+ω_dA-ω_B，是常數(shù)，不影響結(jié)果，考慮隨機相位項帶來的頻率誤差δf₁

V₁‘(t)的自相關(guān)函數(shù)為

定義

因為是均值為0，方差為2πΔυ_B|τ|的隨機高斯變量，其中Δυ_B是可調(diào)諧激光器9的線寬；是均值為0，方差為2πΔυ_A|τ|的隨機高斯變量，其中Δυ_A是可調(diào)諧激光器1的線寬；su所以也是高斯變量。

因為和是不相干的兩個均值為0的高斯變量，所以

$C_{V_1^{\′}}\left(x\right)=K^2{e}^{-2\mathrm{\π}({\mathrm{\Δ\υ}}_B+{\mathrm{\Δ\υ}}_A)\left|\mathrm{\τ}\right|}$

V₁‘(t)的頻譜密度函數(shù)為

$S_{V_1^{\′}}\left(f\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{C}_{V_1^{\′}}\left(x\right)e^{-jf\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}=\frac{2K^2}{\mathrm{\π}}\[\frac{4\mathrm{\π}({\mathrm{\Δ\υ}}_B+{\mathrm{\Δ\υ}}_A)}{{\[2\mathrm{\π}({\mathrm{\Δ\υ}}_B+{\mathrm{\Δ\υ}}_A)\]}^2+f^2}\]$

其譜寬為4π(Δυ_B+Δυ_A)，所以δf₁＝4π(Δυ_B+Δυ_A)

B地的發(fā)射信號經(jīng)過第二光纖準直器12將高斯光準直為平行光，在自由空間傳播距離為S(t)后，經(jīng)過第一光纖準直器4后，傳輸?shù)降谝还饫w環(huán)形器的端口2，并在第一光纖環(huán)形器的端口3被接收，所以，A地的接收光信號的光場表示為

因為接收信號的頻率所以，A地的接收光信號的光場又可以表示為

A地的接收光信號E_rA(t)和本振光信號E_LOA(t)作為第一2*2光纖耦合器6的輸入信號，2*2光纖耦合器的耦合比為1:1，則第一2*2光纖耦合器6的輸出信號的光場表示為

第一平衡光電探測器將接受到的光信號轉(zhuǎn)為電壓信號，表示為

c.c代表前項的復共軛，是信號的幅值，其中R為光電探測器的響應度，D為第一平衡探測器的感光面積，r為探測器電阻。

光電探測器輸出的電壓信號顯示到數(shù)字示波器上，并對其做快速傅里葉變換FFT，其峰值對應的頻率為f₂

f₂＝f_B+f_dB-f_A+δf₂

其中δf₂是激光器相位噪聲帶來的頻率誤差

忽略V₂(t)中的中心角頻率項(ω_B+ω_dB-ω_A)t和常數(shù)項僅考慮激光器相位噪聲式子可寫為

則v’₂(t)的自相關(guān)函數(shù)為

定義

因為是均值為0，方差為2πΔυ_A|τ|的隨機高斯變量，是均值為0，方差為2πΔυ_B|τ|的隨機高斯變量，所以也是高斯變量。

同理，

$C_{v_2^{,}}\left(x\right)=K^2{e}^{-2\mathrm{\π}({\mathrm{\Δv}}_A+{\mathrm{\Δv}}_B)\left|\mathrm{\τ}\right|}$

V₂‘(t)的頻譜密度函數(shù)為

$S_{V_1^{\′}}\left(f\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{C}_{V_2^{\′}}\left(x\right)e^{-jf\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}=\frac{2K^2}{\mathrm{\π}}\[\frac{4\mathrm{\π}({\mathrm{\Δ\υ}}_B+{\mathrm{\Δ\υ}}_A)}{{\[2\mathrm{\π}({\mathrm{\Δ\υ}}_B+{\mathrm{\Δ\υ}}_A)\]}^2+f^2}\]$

其譜寬為4π(Δυ_B+Δυ_A)，所以δf₂＝4π(Δυ_B+Δυ_A)

所以，由于激光器相位噪聲帶來的頻率誤差為δf

δf＝δf₁+δf₂＝8π(Δυ_B+Δυ_A)。