基于雙標(biāo)準(zhǔn)具的測速方法及測速系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于雙標(biāo)準(zhǔn)具的測速方法及測速系統(tǒng)。該測速方法通過測量激光光束經(jīng)待測目標(biāo)物的回波信號的多普勒頻移來反演待測目標(biāo)物的速度；激光光束經(jīng)接收標(biāo)準(zhǔn)具形成頻率上分立的若干窄頻激光后照射在待測目標(biāo)物上；回波信號分為兩路，一路經(jīng)接收標(biāo)準(zhǔn)具獲得多普勒頻移檢測信號，另一路為參考光信號，通過對多普勒頻移檢測信號和參考光信號進(jìn)行對比，得到待測目標(biāo)物的速度。本發(fā)明測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對激光線寬和頻率穩(wěn)定性要求低。
【專利說明】
基于雙標(biāo)準(zhǔn)具的測速方法及測速系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種采用雙標(biāo)準(zhǔn)具測量多普勒頻移的方法和系統(tǒng)。【背景技術(shù)】
[0002]多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)利用光的多普勒效應(yīng)，測量激光光束在大氣中傳輸其回波信號的多普勒頻移來反演空間風(fēng)速分布。多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)的探測方式分兩種:相干(夕卜差)探測和非相干(直接)探測方式。外差探測是利用本振光與信號光的拍頻信號來測量激光的多普勒頻移，測量準(zhǔn)確度比較高，但對激光線寬、頻率穩(wěn)定性以及光學(xué)對準(zhǔn)的要求相當(dāng)苛刻。直接探測方式主要是基于Fabry-Perot(F-P)干涉儀的邊緣技術(shù)激光多普勒頻移測量方法，其將光波頻率的測量轉(zhuǎn)化為對F-P透過率的測量，利用對源于同一激光脈沖的出射光與后向散射信號光通過F-P干涉儀透過率變化的測量得到多普勒頻移量。直接探測方法對激光器和其它光學(xué)結(jié)構(gòu)要求相對寬松，但卻較難獲得到很高的測量準(zhǔn)確度和范圍。目前多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)為了盡可能減少激光寬帶多使用種子注入激光，但長期飄移和脈沖抖動必需納入監(jiān)測頻率鎖定系統(tǒng)，以測量每個脈沖的瞬時頻率。此外，確定頻率穩(wěn)定性、激光光譜寬度和波長校正中接收機的合規(guī)性，以及在風(fēng)場測量中需要一個適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測系統(tǒng)。 不幸的是，在激光雷達(dá)應(yīng)用中，由于系統(tǒng)采用平均激光雷達(dá)信號，脈沖的脈沖頻率抖動不能被校正，并且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)龐大，成本昂貴。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，對激光線寬和頻率穩(wěn)定性要求低的測速系統(tǒng)。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于雙標(biāo)準(zhǔn)具的測速方法，該測速方法通過測量激光光束經(jīng)待測目標(biāo)物的回波信號的多普勒頻移來反演待測目標(biāo)物的速度;激光光束經(jīng)接收標(biāo)準(zhǔn)具形成頻率上分立的若干窄頻激光后照射在待測目標(biāo)物上；回波信號分為兩路，一路經(jīng)接收標(biāo)準(zhǔn)具獲得多普勒頻移檢測信號，另一路為參考光信號，通過對多普勒頻移檢測信號和參考光信號進(jìn)行對比，得到待測目標(biāo)物的速度。
[0005]本發(fā)明還提供了一種基于雙標(biāo)準(zhǔn)具的測速系統(tǒng)，包括:激光發(fā)射系統(tǒng)，用于發(fā)射頻率上分立的幾個窄頻激光，照射在待測目標(biāo)物上；激光接收系統(tǒng)，用于接收照射在待測目標(biāo)物上的部分向后散射光后，將其分為兩路，一路獲得多普勒頻移檢測信號，另一路獲得參考光信號；光電探測系統(tǒng)，用于采集所述多普勒頻移檢測信號和參考光信號，并進(jìn)行對比分析，獲得待測目標(biāo)物的速度。
[0006]其中，激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光器、擴束器、反射鏡和發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)具;激光器發(fā)射激光依次經(jīng)擴束器、反射鏡和發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)具照射在待測目標(biāo)物上。
[0007]激光發(fā)射系統(tǒng)包括接收透鏡、準(zhǔn)直鏡、分束鏡、反射鏡、接收標(biāo)準(zhǔn)具、會聚鏡b、會聚鏡a;照射在待測目標(biāo)物上的向后散射光依次經(jīng)接收透鏡、準(zhǔn)直鏡和分束鏡后分為兩路，一路經(jīng)接收標(biāo)準(zhǔn)具和會聚鏡b進(jìn)入光電探測系統(tǒng)，另一路經(jīng)會聚鏡a進(jìn)入光電探測系統(tǒng)。
[0008]光電探測系統(tǒng)包括光電倍增管b、光電倍增管a、高速AD采集卡和電腦;光電倍增管 a和光電倍增管b分別接收會聚鏡a和會聚鏡b的光信號，并通過高速AD采集卡與電腦相連。
[0009]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點:1、結(jié)構(gòu)簡單，成本降低。
[0010] 2、采用非種子注入激光，減少脈沖頻率抖動。
[0011] 3、對激光線寬和頻率穩(wěn)定性要求降低，更容易進(jìn)行測量?！靖綀D說明】
[0012]圖1為本發(fā)明測速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為目標(biāo)物在不同速度下測得的脈沖高度對比圖。
[0013]圖1中，卜激光器，2-擴束鏡，3-發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)具，4-接收透鏡，5-準(zhǔn)直鏡，6-分束鏡，7-接收標(biāo)準(zhǔn)具，8-會聚鏡b，9-會聚鏡a，10-光電倍增管b，11-光電倍增管a，12-高速AD采集卡， 13-電腦，14-目標(biāo)物，Ml、M2-反射鏡。
[0014]圖2中，圖2-a中，a1-多普勒頻移檢測信號，a2-參考光信號；圖2-b中，bl-多普勒頻移檢測信號，b2-參考光信號；圖2-c中，C1-多普勒頻移檢測信號，c2-參考光信號。【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0016]如圖1所示，本發(fā)明基于雙標(biāo)準(zhǔn)具的測速系統(tǒng)包括激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)和光電探測系統(tǒng)。激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光器1、擴束鏡2、反射鏡M1、發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)具3。激光接收系統(tǒng)包括接收透鏡4、準(zhǔn)直鏡5、分束鏡6、反射鏡M2、接收標(biāo)準(zhǔn)具7、會聚鏡b 8、會聚鏡a 9。光電探測系統(tǒng)包括光電倍增管a 11、光電倍增管b 10、高速AD采集卡12和電腦13。激光器1發(fā)射激光通過擴束器2對激光進(jìn)行擴束，激光經(jīng)過反射鏡Ml入射到發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)具3后將激光校準(zhǔn)后射到運動的目標(biāo)物14上，通過接收透鏡4將目標(biāo)物的部分后向散射收集，并使用準(zhǔn)直鏡5變?yōu)槠叫泄?，再?jīng)分束鏡6將激光分為兩部分，透射反射比為90:10，反射部分進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ溃?透過部分用作多普勒頻移檢測。反射光經(jīng)會聚鏡a 9入射到光電倍增管a 11將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，透射光再次通過接收標(biāo)準(zhǔn)具7后進(jìn)入光電倍增管b 10將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。光電倍增管a 11和光電倍增管b 10的電脈沖信號由高速AD采集卡12采集，電腦13實現(xiàn)高速AD 采集卡12的采集模式控制，并將參考光和信號光進(jìn)行擬合得到脈沖高度，獲得兩信號的幅度比，將該幅度比與標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行對比，即可以得到待測目標(biāo)物14的速度。[0〇17]其中，激光器1采用微型二極栗浦Dd:YAG固體激光器，工作波長為532nm，脈沖重復(fù)頻率是11 kHz，經(jīng)倍頻后單脈沖能量為20yJ。擴束器2為一個擴束10倍的光學(xué)系統(tǒng)，發(fā)射光源發(fā)出高準(zhǔn)直的脈沖激光，以保證標(biāo)準(zhǔn)具能夠很好地工作。發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)具3和接收標(biāo)準(zhǔn)具7均采用口徑25.4,自由光譜范圍(FSR) 4GHz，精細(xì)度(Fe)12 @532nm。寬帶的發(fā)射光通過發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)具3時，發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)具起到光梳的作用，產(chǎn)生窄帶的發(fā)射光;激光接收系統(tǒng)中由于接收光對接收標(biāo)準(zhǔn)具的入射角度不同于出射光，因此，對接收到的后向散射光，其光譜有一個相對移動，根據(jù)熟知的多普勒檢測方法中的邊緣技術(shù)方法，利用該光譜移動可以判別多普勒頻移的大小，進(jìn)而得到待測物理的速度。光電倍增管a 11和光電倍增管b 10是R928,光譜響應(yīng)為185-900nm，峰值波長為400nm，增益為1.0*107，該光電倍增管屬于側(cè)窗型光電倍增管，結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)快速。高速AD采集卡，采樣率1GH，采樣位數(shù)是10位，8路模擬輸入。反射鏡Ml、M2 為532nm全反射鏡。[〇〇18]具體測速方法如下:1)激光器1發(fā)射激光進(jìn)入擴束鏡2，使激光發(fā)散角從0.5mrad減小到0.05mrad，隨后激光射到反射鏡Ml上，反射鏡Ml角度可調(diào)。[〇〇19]2)激光經(jīng)反射鏡Ml反射后進(jìn)入發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)具3,標(biāo)準(zhǔn)具起到光梳作用，將寬頻的激光脈沖變?yōu)樵陬l率上分立的幾個窄頻激光。
[0020]3)經(jīng)發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)具3干涉的激光，照射在待測目標(biāo)物14上，激光被待測目標(biāo)物14散射。4)接收透鏡4將部分后向散射收集，并使用準(zhǔn)直鏡5變?yōu)槠叫泄狻0021 ]5)分束鏡6將平行光分為兩束，透射反射比為90:10，反射部分進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ?，透過部分用作多普勒頻移檢測。[〇〇22]6)透射部分經(jīng)反射鏡M2反射進(jìn)入接收標(biāo)準(zhǔn)具7中，反射鏡M2角度可調(diào)，據(jù)此可以調(diào)整激光進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)具的入射角。
[0023]7)參考光和透過接收標(biāo)準(zhǔn)具7的信號光經(jīng)匯聚后最終射到光電倍增管上，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。[〇〇24]8)光電倍增管的電脈沖信號由高速AD采集卡12采集，采樣率1GH，采樣位數(shù)是10位，8路模擬輸入。[〇〇25]9)電腦13實現(xiàn)AD的采集模式控制，并將參考光和信號光進(jìn)行擬合得到脈沖高度，獲得兩信號的幅度比，將該幅度比與標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行對比，即可以得到待測物體的速度。
[0026]采用本發(fā)明系統(tǒng)和方法進(jìn)行目標(biāo)物速度測定，在不同移動速度下，采集到的脈沖高度對比圖如圖2所示。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行對比計算，圖2-a中目標(biāo)物移動實際速度為5.62m/ s，根據(jù)本發(fā)明測得的移動速度為5.77 m/s ;圖2-b中目標(biāo)物移動實際速度為7.79m/s，根據(jù)本發(fā)明測得的移動速度為7.52 m/s;圖2-c中目標(biāo)物移動實際速度為9.62m/s，根據(jù)本發(fā)明測得的移動速度為9.74 m/s。可以看出，采用本發(fā)明進(jìn)行速度測定，更加準(zhǔn)確。
【主權(quán)項】
1.基于雙標(biāo)準(zhǔn)具的測速方法，其特征在于:所述測速方法通過測量激光光束經(jīng)待測目 標(biāo)物的回波信號的多普勒頻移來反演待測目標(biāo)物的速度;所述激光光束經(jīng)接收標(biāo)準(zhǔn)具形成 頻率上分立的若干窄頻激光后照射在所述待測目標(biāo)物上;所述回波信號分為兩路，一路經(jīng) 接收標(biāo)準(zhǔn)具獲得多普勒頻移檢測信號，另一路為參考光信號，通過對多普勒頻移檢測信號 和參考光信號進(jìn)行對比，得到所述待測目標(biāo)物的速度。2.基于雙標(biāo)準(zhǔn)具的測速系統(tǒng)，其特征在于:包括:激光發(fā)射系統(tǒng)，用于發(fā)射頻率上分立的幾個窄頻激光，照射在待測目標(biāo)物上；激光接收系統(tǒng)，用于接收照射在待測目標(biāo)物上的部分向后散射光后，將其分為兩路，一 路獲得多普勒頻移檢測信號，另一路獲得參考光信號；光電探測系統(tǒng)，用于采集所述多普勒頻移檢測信號和參考光信號，并進(jìn)行對比分析，獲 得所述待測目標(biāo)物的速度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測速系統(tǒng)，其特征在于:所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光器、擴束 器、反射鏡和發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)具;所述激光器發(fā)射激光依次經(jīng)擴束器、反射鏡和發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)具照射在 待測目標(biāo)物上。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測速系統(tǒng)，其特征在于:所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括接收透鏡、準(zhǔn) 直鏡、分束鏡、反射鏡、接收標(biāo)準(zhǔn)具、會聚鏡b、會聚鏡a;所述照射在待測目標(biāo)物上的向后散 射光依次經(jīng)接收透鏡、準(zhǔn)直鏡和分束鏡后分為兩路，一路經(jīng)接收標(biāo)準(zhǔn)具和會聚鏡b進(jìn)入所述 光電探測系統(tǒng)，另一路經(jīng)會聚鏡a進(jìn)入所述光電探測系統(tǒng)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測速系統(tǒng)，其特征在于:所述光電探測系統(tǒng)包括光電倍增管b、 光電倍增管a、高速AD采集卡和電腦;所述光電倍增管a和光電倍增管b分別接收所述會聚鏡 a和會聚鏡b的光信號，并通過高速AD采集卡與所述電腦相連。
【文檔編號】G01P5/26GK105974396SQ201610498491
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】卜令兵, 張晉茹, 黃興友, 郜海陽
【申請人】南京信息工程大學(xué)