專利名稱：激光多普勒測速儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光多普勒測速儀，更具體而言涉及測量振動物體速度的儀器，其測量方式是將激光束投射于物體之上并對由該物體反射且因此而產(chǎn)生頻率調(diào)制的光進行FM解調(diào)。
關(guān)于該激光多普勒測速儀的工作原理將進行簡要的介紹。由激光源發(fā)出的激光束由第一光束分裂器分成兩束，其中一束作為參考光并經(jīng)過第一反射鏡、光調(diào)制器及第二反射鏡而入射到第二光束分裂器上。
另一方面，兩光束中的另一個通過第二光束分裂器被投射到被測物體上，而由該物體反射的光束則又被投射到第一光束分裂器上。在第一光束分裂器中，由物體產(chǎn)生的反射光與參考光發(fā)生干涉而產(chǎn)生干涉光，該干涉光由光檢測器所檢測。
當(dāng)被測物體振動時，來自其上的反射光根據(jù)振動而產(chǎn)生頻率調(diào)制，從而對反射光進行FM解調(diào)就能測量出該物體的振動速度。應(yīng)當(dāng)指出，該被測物體的移動速度也可以測出。
下面，將簡要介紹常規(guī)的激光多普勒測速儀。該測速儀包括含有上述光學(xué)單元的探頭(即含有激光源的激光束發(fā)射/接收器)、光調(diào)制器、干涉單元等。該探頭的輸出被送至FM解調(diào)器，在該解調(diào)器中來自被測物體的反射光經(jīng)過FM解調(diào)而獲得關(guān)于該物體的速度信息，該信息經(jīng)由集成濾波電路而送至輸出端。
常規(guī)激光多普勒測速儀在其輸出的高端范圍存在相位滯后的問題，該問題通常由設(shè)置于FM解調(diào)器之后的低通濾波器而引起，而有時也可由高通濾波器、微分電路、積分電路等引起。
激光多普勒測速儀的功能實現(xiàn)是根據(jù)脈沖計數(shù)法、相位正交法或鎖相環(huán)(PLL)法。
由于使用了FM解調(diào)器，則必須采用低通濾波器以消除載波。另外，具有某種截止頻率的低通濾波器被用來保證對頻率調(diào)制所特有的三角形噪聲進行消除。
就低通濾波器而言，甚至從低于截止頻率且振幅平坦區(qū)域內(nèi)很早的某個頻率點開始就發(fā)生了相位滯后。舉例來說，包含簡單電容電阻(CR)的一階低通濾波器，其傳輸函數(shù)G(jω)由下式給出
G(jω)＝(1/CR)/(jω＋(1/CR))其幅度的絕對值|G|和相位argG分別為|G|＝1/(1＋(ωCR)2)n，n＝1/2argG＝-arch·tan(ωCR)在截止頻率處(fc＝1/2πCR)，幅度絕對值|G|為1/21/2(＝0.0707…)，而相位argG卻滯后45°。實際上，該低通濾波器的形式是8階巴特沃茲低通濾波器，其中在截止頻率處的幅度絕對值|G|實際上為零分貝，從而其相位argG滯后360°。
這樣，甚至在保用輸出幅度范圍內(nèi)，激光多普勒測速儀也會將其自身的相位滯后引入被測物體的相位特征，從而導(dǎo)致可能的測量錯誤。
然而，在通常情況下，由于在產(chǎn)品目錄和說明書中缺少生產(chǎn)者對上述問題的詳細說明，多數(shù)用戶認(rèn)為他們的激光多普勒測速儀在保用輸出幅度范圍內(nèi)能給出正堿的幅/相矢量測量，因而其性能是令人滿意的，但實際上他們的測量結(jié)果是不正確的。
部分用戶意識到了上述問題，采用了一些測量方法以消除其激光多普勒測速儀所產(chǎn)生的相位滯后。最簡單的方法是利用生產(chǎn)者提供的關(guān)于激光多普勒測速儀中低通、高通等濾波器幅/相頻率特性的數(shù)據(jù)進行測量結(jié)果的反演。
然而，當(dāng)利用人工進行時，這種方法的工作量相當(dāng)大。另外，盡管使用計算機，這種方法也不能令人滿意，因為測量的分辨率不總是恒定的，同時也不應(yīng)要求所有的用戶均通過模-數(shù)(AD)變換器、HP界面總線(HPIB)等在其計算機中輸入關(guān)于伺服分析器、鎖定放大器、示波器等的測量結(jié)果另一種方法如下。準(zhǔn)備一套系統(tǒng)，包括伺服分析器、參考振動源，被測物體以及含有探頭、FM解調(diào)器和集成濾波電路的激光多普勒測速儀。首先，來自伺服分析器輸出端的激勵或掃描信號被提供給參考振動源以通過激光多普勒測速儀測量由該參考振動源所產(chǎn)生的振動速度，再將其送至該伺服分析器的第二輸入端。
來自伺服分析器輸出端的激勵信號輸出同時也提供給該伺服分析器的第一輸入端。根據(jù)輸入到第一和第二輸入端的信號，伺服分析器進行矢量分析以測量激勵信號與測量信號之間的幅/相差，從而確定關(guān)于來自輸出端激勵信號的輸出信號幅/相頻特性，將該特性進行存儲以作為參考值。
接著，來自伺服分析器輸出端的激勵信號被提供給被測物體。注意，在同樣的時刻，該輸出端的輸出信號還被送到第一輸入端。被測物體在激勵信號的作用下發(fā)生振動。該振動的速度由激光多普勒測速儀進行測量，再將其輸入給伺服分析器的第二輸入端。
根據(jù)矢量分析方法，伺服分析器對來自第一輸入端的激勵信號和來自第二輸入端代表振動速度的測量信號進行幅/相矢量測量，將其與參考值相比較以獲得正確的測量值。
然而，這種方法只有當(dāng)參考振動源的性能超過激光多普勒測速儀的性能時才能成立。因而，根據(jù)激光多普勒測速儀性能的最新進展，這種方法只能進行參考振動源與被測物體速度之間的相對評估。
再一種方法如下。這種方法與上述的另一種方法基本相同，只不過以如下方式用FM調(diào)制器代替了參考振動源。
伺服分析器的輸出被提供給其第一輸入端，同時提供給FM調(diào)制器以得到調(diào)頻信號并送給FM解調(diào)器。FM解調(diào)信號經(jīng)由集成濾波電路被輸入到伺服分析器的第二輸入端。
根據(jù)矢量分析方法，伺服分析器對輸入到第一和第二輸入端的信號進行矢量分析以確定FM解調(diào)后集成濾波電路的輸入/輸出幅/相頻特性，該特性被作為參考值進行存儲。在這種情況下，假設(shè)FM調(diào)制器和FM解調(diào)器對上述頻率特性不產(chǎn)生影響。在實際上，采用高性能的FM調(diào)制器和激光多普勒測速儀可以防止對上述頻率特性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。
接下來，以與上述另一種方法相同的方式，由伺服分析器輸出的信號被提供給被測物體以通激光束投射而檢測其振動或速度，該信息由探頭接收并經(jīng)由FM解調(diào)器和集成濾波電路提供給伺服分析器的第二輸入端。根據(jù)這兩個輸入信號，伺服分析器進行幅/相矢量計算，將其與參考值相對比，再輸出正確的幅/相矢量值。
這種方法比前面的兩種方法更好，但它需要具有高性能因而高成本的FM解調(diào)器。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種沒有上述缺陷并能以簡單的結(jié)構(gòu)進行高可靠性測量的激光多普勒測速儀。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種測量物體速度的儀器，它包括激光束發(fā)生源，該激光束具有參考光束及物體投射光束；光檢測器，用于檢測該參考光束和物體反射光束的合成光并生成代表該被測合成光的信號；與該光檢測器相接的FM解調(diào)器，該FM解調(diào)器用于對該信號進行FM解調(diào)；濾波電路裝置，用于對該FM解調(diào)信號進行濾波；以及安裝于該FM解調(diào)器與該濾波電路裝置之間的選擇開關(guān)，該選擇開關(guān)用以保證在該FM解調(diào)輸出與直接接收外部信號的端子之間進行切換。
本發(fā)明的另一個方面在于提供一種測量物體速度的儀器，它包括激光束發(fā)生裝置，該激光束具有參考光束和物體投射光束；用以檢測該參考光束與物體反射光束合成光并生成代表該被測合成光信號的裝置；與該檢測裝置相接、用于對該信號進行FM解調(diào)的裝置；用于對該FM解調(diào)信號進行濾波的裝置；以及接于該FM解調(diào)裝置與該濾波裝置之間、用于保證在該FM解調(diào)裝置的輸出與直接接收外部信號的端子之間進行切換的裝置。


圖1為描述根據(jù)本發(fā)明激光多普勒測速儀第一優(yōu)選方案的框圖；圖2與圖1類似，它描述了與伺服分析器相連的激光多普勒測速儀；圖3與圖2類似，它描述了本發(fā)明的第二優(yōu)選方案；圖4與圖3類似，它描述了圖3中激光多普勒測速儀與伺服分析器相接的情形；圖5與圖4類似，它給出了集成濾波電路的一個實例。
首先參考圖1，激光多普勒測速儀包括探頭1、FM解調(diào)器2、集成濾波電路3、輸出端4、選擇開關(guān)5和輸入端6。
探頭1包括被測物體投射激光束發(fā)生源、關(guān)于參考光的光調(diào)制器、用于使由物體反射而因此被調(diào)頻的激光與參考光發(fā)生干涉以獲得干涉光的干涉單元、用于將干涉及光信號變換成電信號的光電變換器，等等。
FM解調(diào)器2用于對經(jīng)過物體移動或振動速度調(diào)制的信號進行解調(diào)以獲取速度信息。集成濾波電路3用于從FM解調(diào)器2輸出端的頻率成份中得到所需頻段信號。集成濾波電路3可以包含用于消除出現(xiàn)在FM解調(diào)器2輸出端載波頻率分量的濾波器。
選擇開關(guān)5用于實現(xiàn)集成濾波電路3的輸入在FM解調(diào)器2的輸出與輸入端子6的輸入之間的切換。輸入端子6用于向集成濾波電路3直接輸入外部信號。
接著參考圖2，將介紹圖1所示激光多普勒測速儀的測量過程。首先，電路的連接方式為，來自伺服分析器7的激勵信號被提供給被測物體，且同時也提供給該伺服分析器7的第一輸入端INA。
激光多普勒測速儀置于物體8附近，并與伺服分析器7相連以直接接收其在輸入端子6處的輸出。激光多普勒測速儀的輸出端子4與伺服分析器7的第二輸入端INB相接。測量時，選擇開關(guān)5切換到輸入端子6一側(cè)以便直接將來自伺服分析器7輸出端OUT的激勵或掃描信號傳送到集成濾波電路3。
集成濾波電路3的輸出被提供給伺服分析器7的第二輸入端INB，其中集成濾波電路3的輸入/輸出幅/相頻特性根據(jù)所傳輸激勵信號和所接收集成濾波電路3輸出信號而確定，該特性被作為參考值進行存儲。
接下來，選擇開關(guān)5進行切換致使FM解調(diào)器2的輸出與集成濾波電路3的輸入相連。這時，由于來自伺服分析器7的激勵信號被傳送給物體8，則物體8被激勵而產(chǎn)生振動。在激光多普勒測速儀中，探頭1將激光束投射到物體8，并接收根據(jù)物體8振動速度而調(diào)制的反射光，該反射光被交換成電信號，并被提供給FM解調(diào)器2。
經(jīng)FM解調(diào)的物體8速度信息信號在集成濾波電路3中被過濾，再被送到伺服分析器7的第二輸入端INB。伺服分析器7對該速度信息信號進行矢量分析，與參考值進行比較，從而得到正確的幅/相矢量值。
參考圖3和圖4，將介紹激光多普勒測速儀的第二優(yōu)選方案。第二優(yōu)選方案與第一方案基本相同，只不過其中設(shè)置了兩個集成濾波電路。第一集成濾波電路3A用與第一方案相同的方式對FM解調(diào)器2的輸出進行濾波。
另一方面，第二集成濾波電路3B為參考濾波電路，它具有與第一集成濾波電路3A同樣的輸入/輸出幅/相頻特性。第二集成濾波電路3B配置了與上述測量相互獨立的環(huán)路，并具有其自身的輸入和輸出端9和10。
參考圖4，將介紹如圖3所示激光多普勒測速儀進行測量的過程。在測量之前，電路的連接方式為伺服分析器7的輸出端OUT與第二集成濾波電路3B的輸入端9相連，而第二集成濾波電路3B的輸出端10與伺服分析器7的第一輸入端INA相連。
伺服分析器7的輸出端OUT同時與物體8相連。物體8適當(dāng)?shù)叵鄬τ谔筋^1而放置以便探頭1將激光束投射于物體8之上并能夠接收由其而產(chǎn)生的反射光。因此可以認(rèn)為，在光學(xué)上物體8與探頭1相互連接在一起。
另外，電路的連接還使得探頭1的輸出被送至FM解調(diào)器2，再被送至第一集成濾波電路3A，然后又傳輸給伺服分析器7的第二輸入端INB。
在這種狀態(tài)下，來自伺服分析器7輸出端0UT的激勵或掃描信號被提供給物體8，同時也被提供給第二集成濾波電路3B。經(jīng)過第二集成濾波電路3B之后，激勵信號被送到伺服分析器7的第一輸入端INA。
另一方面，由探頭1輸出的關(guān)于物體8的速度信息信號在FM解調(diào)器2中被解調(diào)。FM解調(diào)器2的輸出被提供給第一集成濾波電路3A以消除其中不需要的頻率成份，然后再將其提供給伺服分析器7的第二輸入端INB。
根據(jù)矢量分析法，伺服分析器7對兩輸入信號，即經(jīng)由第二集成濾波電路3B而提供的激勵信號和由激光多普勒測速儀的輸出而提供的信號的幅/相頻特性進行矢量分析。在這種情況下，激光多普勒測速儀中第一集成濾波電路3A的影響被作為參考的第二集成濾波電路3B所抵消，從而可獲得正確的幅/相矢量測量。
一般而言，激光多普勒測速儀中的集成濾波電路包含低通濾波器，或高通濾波器，或微分電路，或積分電路，或其某種組合電路。
參考圖5，將對構(gòu)成激光多普勒測速儀的集成濾波電路實例進行說明。該集成濾波電路的構(gòu)造是以多級的形式將濾波單元連接于輸入與輸出端21和34之間。圖5給出了兩級連接，其中各級濾波單元包含三個并聯(lián)設(shè)置并可通過選擇開關(guān)進行切換的濾波器。
輸入端21通過放大器或緩沖器22與選擇開關(guān)23的固定接點0相連。選擇開關(guān)23的第一接點A接于低通濾波器24的輸入端，而其第二和第三接點B和C則分別接于低通濾波器25和26的輸入端。
低通濾波器24-26的輸出接于選擇開關(guān)27的轉(zhuǎn)換接點，以便在其間切換而保證濾波器24-26之一與選擇開關(guān)27輸出側(cè)固定接點相連。第一級濾波單元的輸出與第二級輸入側(cè)選擇開關(guān)28的固定接點相連，以便能與高通濾波器29-31之一進行切換連接。
高通濾波器29-31的輸出可通過選擇開關(guān)32與輸出側(cè)固定接點相接。第二級濾波單元的輸出通過放大器或緩沖器33與輸出端子34相接。該集成濾波電路的作用是，利用同時切換選擇開關(guān)23和27而選擇低通濾波器24-26中之一，利用同時切換選擇開關(guān)28和32而選擇高通濾波器29-31中之一，以便得到某種濾波器組合而產(chǎn)生某種集成濾波特性。
作為參考，將給出關(guān)于截止頻率的濾波單元頻率特性。對低通濾波器24-26而言，濾波器24為12KHz，濾波器25為120KHz，濾波器26為1.2MHz，而對高通濾波器29-31而言，濾波器29為零或可供直通電流，濾波器30為0.5Hz，濾波器31為100Hz。
結(jié)合上述優(yōu)選方案介紹了本發(fā)明之后，可以注意到，在不脫離本發(fā)明精髓的前提下可進行各種變化和改進。舉例而言，在第二方案中，為了能只修正第一集成濾波電路3A中低通濾波器(其對激光多普勒測速儀的測量結(jié)果影響最大)的頻率特性，第二集成濾波電路3B可以只包含低通濾波器，該低通濾波器具有與第一集成濾波電路3A中低通濾波器基本相同的特性。
另外，由于探頭、FM解調(diào)器以及混頻器和帶通濾波器等器件(如果有的話)處的信號滯后，可引入具有相同滯后的延遲線以得到更精確的測量。
權(quán)利要求
1.物體速度測量儀包括激光束發(fā)生源、該激光束具有參考光束和物體投射光束；光電檢測器，用于檢測該參考光束與物體反射光束的合成光并產(chǎn)生代表該被測合成光的信號；FM解調(diào)器，它與該光電檢測器相接，用于對該信號進行FM解調(diào)；濾波電路裝置，用于對該FM解調(diào)信號進行濾波；以及選擇開關(guān)，它裝于該FM解調(diào)器與該濾波電路裝置之間，用于保證在該FM解調(diào)器輸出端與直接接收外部信號的端子之間進行切換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的儀器，其中該濾波電路裝置包括如下器件之一低通濾波器、高通濾波器、微分電路、積分電路及其組合電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的儀器，其中進一步包括另一個濾波電路裝置，它用于濾除激勵物體的信號，配備有獨立的輸入與輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的儀器，其中該另一個濾波電路裝置具有與該濾波電路裝置基本相同的特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的儀器，其中該另一個濾波電路裝置只包含具有與該濾波電路裝置低通濾波器基本相同特性的低通濾波器。
6.物體速度測量儀器包括激光束產(chǎn)生裝置，該激光束具有參考光束和物體投射光束；用于檢測參考光束與物體反射光束的合成光并生成代表該被測合成光的信號的裝置；與該檢測裝置相連、用于對該信號進行FM解調(diào)的裝置；用于對該FM解調(diào)信號進行濾波的裝置；以及接于該FM解調(diào)裝置與該濾波裝置之間、用于保證在該FM解調(diào)裝置的輸出與直接接收外部信號的端子之間進行切換。
全文摘要
激光多普勒測速儀包括激光源、光電檢測器、FM解調(diào)器以及集成濾波電路。選擇開關(guān)裝于FM解調(diào)器與集成濾波電路之間，以便保證在FM解調(diào)器的輸出端和直接接收外部信號的端子之間進行切換。
文檔編號G01S17/58GK1149135SQ9610966
公開日1997年5月7日 申請日期1996年9月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月6日
發(fā)明者野上朝彥 申請人:索尼磁石股份有限公司