一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪及其测速方法技术

本发明专利技术涉及一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪及其测速方法，包括单模激光器、光纤隔离器、1×3光纤分束器、光纤环行器、声光移频器、1×2光纤分束器、2×1光纤合束器、光纤准直器和光电探测器，从单模激光器输出的激光通过光纤隔离器后被1×3光纤分束器分为3束，第二束光经光纤环行器和准直器，垂直照射在运动物体表面，携带运动信息反射回准直器后被分为两束，两束信号光分别与1×3光纤分束器的第一束本征光和经过声光移频器的第三束参考光合束干涉，并分别由两个探测器探测接收。本发明专利技术采用零差法得到多普勒移频量的大小，结合外差法判定方向，可在辨别速度方向的同时，突破常规外差法多普勒测速技术的速度上限。

An Optical Fiber Doppler Velocimeter without Speed Limit and Direction Discernibility and Its Velocity Measurement Method

The present invention relates to an optical Doppler velocimeter without upper speed limit and its velocity measurement method, including a single mode laser, an optical fiber isolator, a 1*3 optical fiber splitter, an optical fiber circulator, an acoustooptic frequency shifter, a 1*2 optical fiber splitter, a 2*1 optical fiber combiner, an optical fiber collimator and a photodetector. The laser output from a single mode laser is splitted by a 1*3 optical fiber after passing through the optical fiber isolator. The second beam is illuminated vertically by the optical fiber circulator and collimator. The motion information is reflected back to the collimator and divided into two beams. The two signal beams interfere with the first eigen beam of the 1*3 optical fiber splitter and the third reference photosynthetic beam of the acousto-optic frequency shifter, respectively, and are detected and received by two detectors. The method adopts the zero difference method to obtain the magnitude of Doppler frequency shift, and determines the direction by combining the heterodyne method. The method can break through the upper speed limit of the conventional heterodyne Doppler velocity measurement technology while identifying the velocity direction.

【技术实现步骤摘要】
一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪及其测速方法
本专利技术属于光学测量
，具体涉及一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪及其测速方法。
技术介绍
激光多普勒测速技术是伴随激光器的诞生产生的一种新的测量技术，它是利用激光的多普勒效应来对流体或固体速度进行测量的一种技术。激光多普勒测速的原理是利用光学多普勒效应，即当激光照射运动物体时，激光被跟随物体运动的粒子所散射，散射光的频率将发生变化，它和入射激光的频率之差称为多普勒频差或多普勒拍频。这个频差正比于速度，所以测出多普勒频差，就能够得到速度。传统的激光多普勒测速技术响应慢、测试精度低、可靠性差。结合激光多普勒测速技术与光纤器件的光纤多普勒测速系统，光路结构简单灵活，整机系统更为紧凑小巧，因此有着极大的发展潜力。在全光纤多普勒测速技术中典型的探测方法有零差法和外差法。采用零差法时单模激光器输出的光经光纤隔离器后被1×2光纤分束器分为两束，一束作为本振光，另一束光经光纤准直器射出，垂直照射到运动物体后返回，作为信号光携带有运动信息，本振光与信号光进行合束干涉，得到多普勒频移量的绝对值，只能判定其大小而不能辨别其方向；采用外差法时单模激光器输出的光经光纤隔离器后被1×2光纤分束器分为两束，一束经声光移频器构成参考光，另一束光经光纤准直器射出，垂直照射到运动物体后返回，作为信号光携有运动信息，参考光与信号光进行外差干涉并被光电探测器探测接收，得到声光移频器移频量与多普勒移频量之差的绝对值，可以同时实现速度大小的测量与方向的判别，但由于多普勒频移量的最大值不能超过参考光相对于未经多普勒移频的初始信号光的固定频率差，其速度测量范围受到声光移频器移频量的限制。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术针对采用外差法的光纤多普勒测速系统速度测量范围受到声光移频器移频量限制的问题，提出一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪及其测速方法，其可同时实现速度大小测量与方向判别，且无速度测量上限限制。为解决现有技术存在的问题，本专利技术的技术方案是：一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪，包括单模激光器、光纤隔离器、光纤环行器、光纤准直器、声光移频器、第一2×1光纤合束器和第一光电探测器，其特征在于：还包括1×3光纤分束器、1×2光纤分束器、第二2×1光纤合束器和第二光电探测器；所述的单模激光器输出端接光纤隔离器的输入端，光纤隔离器的输出端接1×3光纤分束器的输入端，1×3光纤分束器的第二输出端口与光纤环行器一端口连接，光纤环行器二端口接光纤准直器对准待测运动目标，光纤环行器三端口接1×2光纤分束器，1×2光纤分束器的一个输出端口与1×3光纤分束器的第一输出端口接第二2×1光纤合束器两个输入端，第二2×1光纤合束器输出端接第二光电探测器，1×3光纤分束器的第三输出端口接声光移频器，声光移频器输出端口与1×2光纤分束器另一个输出端口接第一2×1光纤合束器的两个输入端，第一2×1光纤合束器的输出端接第一光电探测器。所述的单模激光器输出的连续单频激光由1×3光纤分束器分为3束，1×3光纤分束器第二输出端口的输出光输入至光纤环行器的一端口，并由光纤环行器的二端口输出至光纤准直器，垂直照射到待测运动物体表面，被运动物体反射后，作为信号光携带被测物体的运动信息由光纤环行器的三端口输出并分为两束，其中一束与1×3光纤分束器第一输出端口的本振光进行合束干涉，由第二光电探测器探测接收，另一束与1×3光纤分束器的第三端口经声光移频器移频的参考光进行合束干涉，由第一光电探测器探测接收。所述的1×3光纤分束器的分光比为1:1:1，所述的1×2光纤分束器的分光比为1:1。1×3光纤分束器第一输出端口输出的本振光与垂直照射运动物体后携运动信息返回的信号光进行零差干涉，得出多普勒移频量的绝对值|fd|，经声光移频器移频的参考光和垂直照射运动物体后携运动信息返回的信号光进行外差干涉，得到声光移频器移频量与多普勒移频量之差的绝对值|fl-fd|，由|fd|得出多普勒频移量的大小，结合|fl-fd|判定方向，进而同时求得速度的大小和方向。与现有技术相比，本专利技术的优点如下：本专利技术构成了一种全光纤多普勒测量光路，通过对本振光和信号光进行零差干涉，对信号光和参考光进行外差干涉，同时采用零差法和外差法确定多普勒频移，进而确定被测运动物体速度的大小和方向；本专利技术同采用零差法的全光纤多普勒测速技术相比可以在测量范围不受限制的基础上实现对速度方向的判别；本专利技术同采用外差法的全光纤多普勒测速技术相比可以在判断速度方向的前提下，实现更大范围的速度的测量，不再受到声光移频器移频量大小的限制。附图说明图1本专利技术实施例的结构示意图；图2是传统外差法测速装置的结构示意图。标记说明:1-单模激光器，2-光纤隔离器、3-1×3光纤分束器、4-光纤环行器，5-光纤准直器，6-运动物体，7-第一2×1光纤合束器，8-第一光电探测器，9-1×2光纤分束器，10-声光移频器，11-第二2×1光纤合束器，12-第二光电探测器。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术属于全光纤多普勒测速方法，同时采用零差法和外差法进行测量，提出一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪。对信号光和本振光进行合束干涉，由零差法得到多普勒移频量的大小，信号光和经声光移频器移频的参考光进行合束干涉，由外差法判定方向，可在辨别速度方向的同时，突破外差法全光纤多普勒测速技术的测速范围上限。实施例：如图1所示：一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪，包括单模激光器1、光纤隔离器2、1×3光纤分束器3、光纤环行器4、光纤准直器5、运动物体6、第一2×1光纤合束器7和第一光电探测器8，1×2光纤分束器9、声光移频器10、第二2×1光纤合束器11和第二光电探测器12；所述的单模激光器1输出端接光纤隔离器2的输入端，光纤隔离器2的输出端接分光比为1:1:1的1×3光纤分束器3的输入端，1×3光纤分束器3的第二输出端口与光纤环行器4一端口连接，光纤环行器4二端口接光纤准直器5对准待测运动目标，光纤环行器4三端口接分光比为1:1的1×2光纤分束器9，1×2光纤分束器9的一个输出端口与1×3光纤分束器3的第一输出端口接第二2×1光纤合束器11两个输入端，第二2×1光纤合束器11输出端接第二光电探测器12，1×3光纤分束器3的第三输出端口接声光移频器10，声光移频器10输出端口与1×2光纤分束器9另一个输出端口接第一2×1光纤合束器7的两个输入端，第一2×1光纤合束器7的输出端接第一光电探测器8。单模激光器1输出的连续单频激光由1×3光纤分束器3分为3束，1×3光纤分束器3第二输出端口的输出光输入至光纤环行器4的一端口，并由光纤环行器4的二端口输出至光纤准直器5，垂直照射到待测运动物体表面，被运动物体反射后，作为信号光携带被测物体的运动信息由光纤环行器4的三端口输出并分为两束，其中一束与1×3光纤分束器3第一输出端口的本振光进行合束干涉，由第二光电探测器12探测接收本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪，包括单模激光器(1)、光纤隔离器(2)、光纤环行器(4)、光纤准直器(5)、声光移频器(10)、第一2×1光纤合束器(7)和第一光电探测器(8)，其特征在于：还包括1×3光纤分束器(3)、1×2光纤分束器(9)、第二2×1光纤合束器(11)和第二光电探测器(12)；所述的单模激光器(1)输出端接光纤隔离器(2)的输入端，光纤隔离器(2)的输出端接1×3光纤分束器(3)的输入端，1×3光纤分束器(3)的第二输出端口与光纤环行器(4)一端口连接，光纤环行器(4)二端口接光纤准直器(5)对准待测运动目标，光纤环行器(4)三端口接1×2光纤分束器(9)，1×2光纤分束器(9)的一个输出端口与1×3光纤分束器(3)的第一输出端口接第二2×1光纤合束器(11)两个输入端，第二2×1光纤合束器(11)输出端接第二光电探测器(12)，1×3光纤分束器(3)的第三输出端口接声光移频器(10)，声光移频器(10)输出端口与1×2光纤分束器(9)另一个输出端口接第一2×1光纤合束器(7)的两个输入端，第一2×1光纤合束器(7)的输出端接第一光电探测器(8)。

【技术特征摘要】
1.一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪，包括单模激光器(1)、光纤隔离器(2)、光纤环行器(4)、光纤准直器(5)、声光移频器(10)、第一2×1光纤合束器(7)和第一光电探测器(8)，其特征在于：还包括1×3光纤分束器(3)、1×2光纤分束器(9)、第二2×1光纤合束器(11)和第二光电探测器(12)；所述的单模激光器(1)输出端接光纤隔离器(2)的输入端，光纤隔离器(2)的输出端接1×3光纤分束器(3)的输入端，1×3光纤分束器(3)的第二输出端口与光纤环行器(4)一端口连接，光纤环行器(4)二端口接光纤准直器(5)对准待测运动目标，光纤环行器(4)三端口接1×2光纤分束器(9)，1×2光纤分束器(9)的一个输出端口与1×3光纤分束器(3)的第一输出端口接第二2×1光纤合束器(11)两个输入端，第二2×1光纤合束器(11)输出端接第二光电探测器(12)，1×3光纤分束器(3)的第三输出端口接声光移频器(10)，声光移频器(10)输出端口与1×2光纤分束器(9)另一个输出端口接第一2×1光纤合束器(7)的两个输入端，第一2×1光纤合束器(7)的输出端接第一光电探测器(8)。2.根据权利要求1所述的一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪，其特征在于：所述的单模激光器(1)输出的连续单频激光由1×3光纤分...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雄星，冯嘉双，黄西瑞，高明，陈海滨，王伟，王可宁，郭子龙，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61