基于激光自混合干涉的速度與距離同步測量方法與裝置與流程

本發明涉及激光測量技術領域，具體涉及一種基于激光自混合干涉的速度與距離同步測量方法與裝置。

背景技術：

激光自混合多普勒測速技術是一種基于激光自混合干涉的速度測量技術，激光自混合干涉是指激光器輸出光被待測物體反射或散射后，部分光反饋回激光器諧振腔內，引起激光器模式發生變化的現象。通過分析激光器模式的變化，獲得速度引起的多普勒頻率，從而得到待測物體的速度信息。相比較于傳統的雙光束干涉系統，基于激光自混合現象的干涉系統不需要參考光，只有一個光學通道，具有結構簡單、易準直等優點。在軍事、機動車超速監測、高精度檢測等許多領域，僅獲得待測物體的速度信息不能滿足實際需求，速度測量的同時實現距離測量具有極其重要的意義和作用。

單通道激光自混合系統由于光學通道數目有限，存在難以同步測量速度和距離的問題。中國發明專利CN102292646公開了一種調節用于測量車輛速度的自混合激光傳感器系統方法，該測量方法的原理是：確定從待測物體表面反射回并再次進入激光器腔內的多普勒相移造成的振蕩頻率，根據激光自混合干涉發生時的自混合強度振蕩的頻率(即多普勒頻率)計算速度，但由于只獲取多普勒頻率無法分析待測物體的距離信息。中國發明專利CN103337776公布了一種全光纖型激光自混合測距系統，該測距系統的原理是：通過激光自混合干涉引起可協調光纖激光器的波動頻率計算待測物體的距離信息，但是無法獲取待測物體的速度信息。

將激光自混合速度測量與距離測量方法結合，通過在光路中添加額外的光源和分光器件，增加光學系統的光學通道，可以分別實現不同待測物體的速度和距離測量。但是由于采用多個光源和分光器件，并且多個光源的波長和相位存在差異，不僅難以實現同一待測物體距離與速度的同步測量，而且存在多個速度與距離的信號相互疊加、信號難以提取、系統負載加重、結構復雜、光路難以調整等問題，引入的分光器件提高了系統的復雜程度，基于激光自混合干涉的速度與距離同步測量技術難以得到充分的發展和應用。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于激光自混合干涉的速度與距離同步測量方法與裝置，該方法與裝置無需復雜的信號分離提取和額外的電光頻移，即能實現速度和距離的同步測量，具有結構簡單、成本低、校準方便等特點。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

一種基于激光自混合干涉的速度與距離同步測量的方法，該方法包括以下步驟：

(1)采用激光調制模塊產生的三角波函數對激光器的驅動電壓進行調制。

(2)經驅動電壓調制后的激光器發射出的激光耦合進入到光纖分束器中，被光纖分束器分成兩束激光，其中一束激光經光纖準直器射到待測物體表面，被待測物體表面反射或后向散射后，再經光纖準直器和光纖分束器返回到激光器的諧振腔中，在諧振腔中發生激光自混合干涉；另一束激光輸入至光電探測器中。

(3)光電探測器檢測激光器的輸出功率，獲取激光器諧振腔中發生激光自混合干涉時的時域信號，采用傅里葉變換模塊將該時域信號轉換為頻域信號。

(4)根據激光自混合干涉的頻域信號，獲得該頻域信號的上升沿頻峰和下降沿頻峰。

(5)采用以下公式求得待測物體的運動速度V：

V＝λ(v₁+v₂)/(4cosθ)

其中，λ為激光器發射出的激光的波長，v₁、v₂分別是激光自混合干涉頻域信號的下降沿頻峰和上升沿頻峰的峰值頻率，θ是入射角，即待測物體運動速度方向與激光入射方向的夾角。

(6)采用以下公式求得待測物體到光纖準直器出射端面的距離L：

L＝c(v₂-v₁)/(8ηf_TA_T)

其中，c表示光速，v₁、v₂分別是激光自混合干涉頻域信號的下降沿頻峰和上升沿頻峰的峰值頻率，η是激光器光頻調制系數，f_T和A_T分別是三角波函數的頻率和幅度。

本發明還涉及一種實施上述基于激光自混合干涉的速度與距離同步測量方法的裝置，該裝置包括激光器、光纖分束器、光纖準直器、放置有待測物體的電動平移臺、電動馬達、激光調制模塊、光電探測器、傅里葉變換模塊和計算機。

所述激光調制模塊的輸出端接激光器的輸入端，激光器的輸出端接光纖分束器的輸入端，光纖分束器的輸出端分別接光纖準直器及光電探測器的輸入端，光電探測器的輸出端接傅里葉變換模塊的輸入端，傅里葉變換模塊的輸出端接計算機的輸入端，計算機的輸出端分別接電動平移臺及電動馬達的輸入端，電動馬達的輸出端接待測物體。當電動馬達運轉時，待測物體會隨著電動馬達進行同一速度的運動。當電動平移臺發生平移時，放置在電動平移臺上的待測物體會隨電動平移臺一起平移，從而使待測物體到光纖準直器出射端面的距離發生相應改變。

所述激光調制模塊產生三角波函數對激光器的驅動電壓進行調制；激光器發出的激光，經光纖分束器分成兩束激光，其中一束激光經光纖準直器照射到待測物體表面上，經待測物體表面反射后，再經光纖準直器和光纖分束器回到激光器的諧振腔中，并在諧振腔中發生激光自混合干涉；另外一束激光輸入至光電探測器中，光電探測器根據該束激光檢測激光器的輸出功率，獲取激光自混合干涉的時域信號，并將該時域信號發送至傅里葉變換模塊；所述傅里葉變換模塊，將激光自混合干涉的時域信號轉換成頻域信號；所述計算機，用于調節電動馬達的運動速度以及電動平移臺的平移距離，還用于根據激光自混合干涉的頻域信號，計算出待測物體的運動速度以及待測物體到光纖準直器出射端面的距離。

進一步的，所述激光調制模塊產生的三角波函數為不對稱度為50％的三角波函數。

進一步的，所述激光器為調制特性穩定的半導體激光器，所述激光調制模塊對激光器進行內調制。

和現有技術相比，本發明的有益效果為：

(1)本發明采用單個激光器和光電探測器，利用單通道激光自混合干涉效應，實現速度和距離的非接觸同步測量，結構簡單，易于實現。

(2)本發明對待測物體表面類型沒有要求，同時適用于鏡面反射表面和漫反射表面，且不需要放置額外的反射鏡，適用性廣。

(3)本發明將激光調制應用到激光自混合干涉多普勒頻率測速中，多普勒頻率分成兩個頻率——上升沿頻率與下降沿頻率，利用上升沿頻率與下降沿頻率之和進行速度測量，利用上升沿頻率與下降沿頻率之差進行距離測量，提高了測量精度和系統響應。

(4)本發明所采用的激光器是光纖尾纖的單縱模半導體激光器，激光調制模塊輸出的調制信號是線性度較好的三角波函數，這能夠有效減少激光自混合干涉效應中的頻譜展寬現象，減小測量誤差，提高系統分辨率。

附圖說明

圖1是本發明中基于激光自混合干涉速度和距離的同步測量裝置的結構示意圖；

圖2是激光自混合干涉的典型頻域信號，橫坐標為頻率f，縱坐標為功率P；

圖3是運動速度測量值隨上升沿頻率和下降沿頻率之和的變化分布，橫坐標為上升沿與下降沿頻率之和f₁，縱坐標為速度V；

圖4是距離測量值隨上升沿頻率和下降沿頻率之差的變化分布，橫坐標為下降沿與上升沿頻率之差f₂，縱坐標為距離L。

其中：

1、激光器，2、光纖分束器，3、光纖準直器，4、電動平移臺，5、待測物體，6、激光調制模塊，7、光電探測器，8、傅里葉變換模塊，9、計算機，10、電動馬達。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步說明：

如圖1所示的一種基于激光自混合干涉的速度與距離同步測量的裝置，該裝置包括激光器1、光纖分束器2、光纖準直器3、放置有待測物體5的電動平移臺4、電動馬達10、激光調制模塊6、光電探測器7、傅里葉變換模塊8和計算機9。

具體地說，所述激光調制模塊6的輸出端接激光器1的輸入端，激光器1的輸出端接光纖分束器2的輸入端，光纖分束器2的輸出端分別接光纖準直器3及光電探測器7的輸入端，光電探測器7的輸出端接傅里葉變換模塊8的輸入端，傅里葉變換模塊8的輸出端接計算機9的輸入端，計算機9的輸出端分別接電動平移臺4及電動馬達10的輸入端，電動馬達10的輸出端接待測物體5。當電動馬達10運轉時，待測物體5會隨著電動馬達進行同一速度的運動。當電動平移臺4發生平移時，放置在電動平移臺4上的待測物體5會隨電動平移臺4一起平移，從而使待測物體5到光纖準直器3出射端面的距離發生相應改變。

所述激光調制模塊6產生三角波函數對激光器1的驅動電壓進行調制；激光器1發出的激光，經光纖分束器2分成兩束激光，其中一束激光經光纖準直器3照射到待測物體5表面上，經待測物體5表面反射后，再經光纖準直器3和光纖分束器2回到激光器1的諧振腔中，并在諧振腔中發生激光自混合干涉。另外一束激光輸入至光電探測器7中，當待測物體5運動引起反射光光程改變，激光器1的諧振腔中發生激光自混合干涉時，激光器1的輸出功率發生變化，光電探測器7檢測激光器1的輸出功率。光電探測器7根據該束激光檢測激光器1的輸出功率，獲取激光自混合干涉的時域信號，并將該時域信號發送至傅里葉變換模塊8；所述傅里葉變換模塊8，將激光自混合干涉的時域信號轉換成頻域信號；所述計算機9，用于調節電動馬達10的運動速度以及電動平移臺4的平移距離，還用于根據激光自混合干涉的頻域信號，計算出待測物體的運動速度以及待測物體5到光纖準直器3出射端面的距離。

進一步的，所述激光調制模塊6產生的三角波函數為不對稱度為50％的三角波函數。

進一步的，所述激光器2為調制特性穩定的半導體激光器。

本發明還涉及一種基于激光自混合干涉的速度與距離的同步測量方法，該方法具體包括以下步驟：

S1、激光調制模塊6產生三角波函數對激光器1的驅動電壓進行調制。

S2、經驅動電壓調制后的激光器1發射出的激光耦合進入到光纖分束器2中，被光纖分束器2分成兩束激光，其中一束激光經光纖準直器3聚焦到待測物體5表面上，被待測物體5表面反射或后向散射后，再經光纖準直器3和光纖分束器2原路返回到激光器1的諧振腔中，在激光器的諧振腔中發生激光自混合干涉。另一束激光輸入至光電探測器7中。

S3、當待測物體5隨電動馬達和電動平移臺運動引起反射光光程改變，激光器1的諧振腔中發生激光自混合干涉時，激光器1的輸出功率發生了變化，光電探測器4檢測激光器1的輸出功率，獲取激光自混合干涉的時域信號，再采用傅里葉變換模塊8將激光自混合干涉的時域信號轉換為頻域信號。

S4、根據激光自混合干涉的頻域信號，獲得激光自混合干涉頻域信號的上升沿頻峰和下降沿頻峰。

S5、采用公式(1)求得待測物體的運動速度V：

V＝λ(v₁+v₂)/(4cosθ) (1)

其中，λ表示激光器發射出的激光的波長，v₁、v₂分別是激光自混合干涉頻域信號的下降沿頻峰和下降沿頻峰的峰值頻率，θ是入射角。

S6、采用公式(2)求得待測物體到光纖準直器出射端面的距離L：

L＝c(v₂-v₁)/(8ηf_TA_T) (2)

其中，c表示光速，v₁、v₂分別是激光自混合干涉頻域信號的下降沿頻峰和下降沿頻峰的峰值頻率，η是激光器光頻調制系數，f_T和A_T分別是三角波調制信號的頻率和幅度。

從圖2所示的三角波函數調制下激光自混合干涉典型頻域信號可知，激光自混合干涉的頻域信號包含兩個頻峰，分別對應下降沿頻峰和上升沿頻峰，其橫坐標對應下降沿和上升沿頻率v1和v2。當三角波函數保持不變時，下降沿和上升沿頻率之和(v1+v2)只受待測物體5運動速度v的影響，并且隨著速度v的變化近似呈現線性分布。而(v2-v1)只受待測物體5到光纖準直器3出射端面距離L的影響，并且隨著距離L的變化近似呈現線性分布。傅里葉變換模塊8將測量所得的上升沿頻率和下降沿頻率同步導入計算機9，計算機9利用預先標定好的下降沿和上升沿頻率之和(v1+v2)與速度V的計算公式(1)測得待測物體的運動速度v，利用預先標定好的下降沿和上升沿頻率之差(v2-v1)與距離L的計算公式(2)測得待測物體到光纖準直器出射端面的距離L，從而實現速度和距離的同步測量。對于待測物體的速度V的計算公式(1)和待測物體轉動角度θ的計算公式(2)來講，本發明預先根據實際使用情況，得到三角波調制電壓的頻率ft、幅度At、激光波長λ、激光器電壓調制系數η、入射角θ等參數，再將各個參數帶入公式(1)和(2)，從而得到頻域信號和速度以及距離的關系表達式。

如圖3所示的運動速度V測量值隨上升沿頻率和下降沿頻率之和f₁＝(v₁+v₂)的變化分布，橫坐標為f₁，縱坐標為待測物體的運動速度V。雖然v₁、v₂分別受到運動速度V和距離L的影響，但是f₁只與速度V有關，且V隨f₁近似線性增大。

如圖4所示的距離L測量值隨上升沿頻率和下降沿頻率之差f₂＝(v₂-v₁)的變化分布，橫坐標為f₂，縱坐標為距離L。雖然v₁、v₂分別受到運動速度V和距離L的影響，但是f₂只與距離L有關，且L隨f₂近似線性增大，圖4表現出一定的非線性是由于忽略了激光器光頻調制系數η隨調制幅度A_T的變化。

在本發明中，激光調制模塊6產生的調制信號對激光器1的輸出光頻進行調制，調制信號幅度變化時光頻發生變化產生頻移f_L,T，如公式(7)所示，調制信號幅度減小時對應下降沿頻率v₁，調制信號幅度增加時對應上升沿頻率v₂。在本發明中，激光調制模塊6產生的調制信號為三角波，三角波的線性度優于正弦波或者方波，有效地減小了上升沿頻率和下降沿頻率的頻峰寬度，有利于上升沿和下降沿頻率地正確提取。在本發明中，激光調制模塊6產生的三角波調制信號，其不對稱度為50％，有效的避免了由不對稱引起的頻移，降低了測量誤差。

本發明的測量原理如下：

首先，基于激光自混合三鏡腔理論，待測物體5的反射面與光纖準直器3的出射端面構成激光器外腔，將激光器外腔等效為激光器諧振腔的一部分，出射激光在外腔中往返一次：

v(t)＝v₀+ηA_T(t) (3)

P(t)＝P₀+βA_T(t) (4)

式中，v₀，P₀分別是未調制時激光的出射光頻和輸出功率，v(t)和P(t)分別是調制后出射激光的光頻和輸出功率，η是激光器光頻調制系數，β是激光器輸出功率的電壓調制系數，對激光器施加一個幅度為A_T、頻率為f_T的三角波調制函數A_T(t)，調制后的激光器輸出功率P₀(t)可以表示為：

式中，P₀是未發生激光自混合效應時激光器的輸出功率，P₀(t)是激光自混合效應影響下激光器的輸出功率，m是耦合系數，c是真空中的光速，L是激光出射端面到外界反射物體表面的距離，V是外界反射物(本發明中的待測物體)的運動速度，θ是入射角，β表示激光器輸出功率的電壓調制系數，v(t)表示調制后的激光光頻；

激光器出射的激光的光頻v可以表示為

v＝±L_L，T+f_D (6)式中，L_L，T是三角波調制電壓引起的光頻變化，正負號分別表示三角波信號的上升沿(增大)和下降沿(減小)對光頻信號的影響；f_D是外界反射物運動引起的多普勒頻率。

f_L，T＝ηA_T(2L/c)·2f_T (7)

f_D＝2Vcos(θ)/λ (8)

其中，f_L,T是調制信號幅度變化時光頻發生變化產生頻移；η是激光器光頻調制系數，f_T和A_T分別是三角波函數的頻率和幅度，L是激光出射端面到外界反射物體表面的距離，c是真空中的光速，λ為激光器發射出的激光的波長，V是外界反射物(本發明中的待測物體)的運動速度，θ是入射角；

調制前，自混合頻域信號僅存在多普勒頻率，即頻譜中一個頻峰。加入三角波函數A_T(t)調制后，由于三角波函數A_T(t)的上升沿和下降沿對光頻信號的影響，自混合頻域信號將存在兩個頻峰v₁和v₂，如公式(9)和公式(10)所示：

v₁＝-L_L，T+f_D (9)

v₂＝L_L，T+f_D (10)

從而可以得到速度V、距離L與頻域信號的關系，如公式(11)和(12)所示：

其中，v₁、v₂分別是下降沿頻峰和上升沿頻峰的峰值頻率，可由自混合信號的傅里葉變換得到，θ是入射角(即待測物體運動速度方向與激光入射方向的夾角)，η是激光器光頻調制系數，f_T和A_T分別是三角波函數的頻率和幅度，λ為激光器發射出的激光的波長，c是真空中光速。

本發明所述的基于激光自混合干涉的同步測量速度與距離的裝置選用波長為1550nm、輸出功率為30mW的光纖耦合的DFB激光器1作為光源，該光源發射出的激光束經一個分光比為50:50的光纖分束器2分成兩束。一束激光經過光纖準直器3后，照射待測物體5上，形成反饋光。激光調制模塊6產生的三角波調制信號幅度A_T＝400mVpp，頻率f_T＝2kHz，不對稱度S_T＝50％保持不變，待測物體5隨電動馬達10進行勻速運動，速度變化范圍在0.016m/s到0.047m/s，待測物體5到光纖準直器3出射端面的距離L隨著電動平移臺4的平移而改變，距離的變化范圍是1mm到23mm。另外一束激光與光電探測器7相連，光電檢測器7檢測得到激光自混合干涉的時域信號。利用傅里葉變換模塊8將該激光自混合干涉的時域信號轉換為頻域信號。在計算機10中根據頻域信號分別讀取下降沿頻率v₁和上升沿頻率v₂，并將預先得到的激光波長λ＝1550nm、DFB激光器調制系數η＝200GHz/V、入射角θ＝15°輸入計算機9，根據速度的計算公式(11)得到運動速度V，如圖3所示，同時根據距離的計算公式(12)得到距離L，如圖4所示，從而實現速度和距離的同步測量。

綜上所述，本發明所述的基于激光自混合干涉的同步測量速度及距離的方法及裝置能夠解決現有技術中存在的不足，在保持單通道激光自混合系統的結構簡單、造價低廉、校準容易等優點的同步，先通過傅里葉變換，將時域信號轉換為頻域信號，再利用預先標定好的頻域信號和速度以及距離之間的關系，來實現待測物體的速度和距離信息的同步測量；該方法及裝置無需復雜的信號分離提取和額外的電光頻移，在實現速度和距離的同步測量，還能有效的解決多通道激光自混合干涉系統復雜和信號提取困難，單通道激光自混合干涉系統難以同步測量速度和距離的問題。

以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。