基于双标准具的测速方法及测速系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双标准具的测速方法及测速系统。该测速方法通过测量激光光束经待测目标物的回波信号的多普勒频移来反演待测目标物的速度；激光光束经接收标准具形成频率上分立的若干窄频激光后照射在待测目标物上；回波信号分为两路，一路经接收标准具获得多普勒频移检测信号，另一路为参考光信号，通过对多普勒频移检测信号和参考光信号进行对比，得到待测目标物的速度。本发明专利技术测速系统结构简单，对激光线宽和频率稳定性要求低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种采用双标准具测量多普勒频移的方法和系统。
技术介绍
多普勒测风激光雷达利用光的多普勒效应，测量激光光束在大气中传输其回波信号的多普勒频移来反演空间风速分布。多普勒测风激光雷达的探测方式分两种：相干（外差）探测和非相干（直接）探测方式。外差探测是利用本振光与信号光的拍频信号来测量激光的多普勒频移，测量准确度比较高，但对激光线宽、频率稳定性以及光学对准的要求相当苛刻。直接探测方式主要是基于Fabry-Perot（F-P)干涉仪的边缘技术激光多普勒频移测量方法，其将光波频率的测量转化为对F-P透过率的测量，利用对源于同一激光脉冲的出射光与后向散射信号光通过F-P干涉仪透过率变化的测量得到多普勒频移量。直接探测方法对激光器和其它光学结构要求相对宽松，但却较难获得到很高的测量准确度和范围。目前多普勒测风激光雷达系统为了尽可能减少激光宽带多使用种子注入激光，但长期飘移和脉冲抖动必需纳入监测频率锁定系统，以测量每个脉冲的瞬时频率。此外，确定频率稳定性、激光光谱宽度和波长校正中接收机的合规性，以及在风场测量中需要一个适当的监测系统。不幸的是，在激光雷达应用中，由于系统采用平均激光雷达信号，脉冲的脉冲频率抖动不能被校正，并且其结构复杂，系统庞大，成本昂贵。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种结构简单，对激光线宽和频率稳定性要求低的测速系统。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种基于双标准具的测速方法，该测速方法通过测量激光光束经待测目标物的回波信号的多普勒频移来反演待测目标物的速度；激光光束经接收标准具形成频率上分立的若干窄频激光后照射在待测目标物上；回波信号分为两路，一路经接收标准具获得多普勒频移检测信号，另一路为参考光信号，通过对多普勒频移检测信号和参考光信号进行对比，得到待测目标物的速度。本专利技术还提供了一种基于双标准具的测速系统，包括：激光发射系统，用于发射频率上分立的几个窄频激光，照射在待测目标物上；激光接收系统，用于接收照射在待测目标物上的部分向后散射光后，将其分为两路，一路获得多普勒频移检测信号，另一路获得参考光信号；光电探测系统，用于采集所述多普勒频移检测信号和参考光信号，并进行对比分析，获得待测目标物的速度。其中，激光发射系统包括激光器、扩束器、反射镜和发射标准具；激光器发射激光依次经扩束器、反射镜和发射标准具照射在待测目标物上。激光发射系统包括接收透镜、准直镜、分束镜、反射镜、接收标准具、会聚镜b、会聚镜a；照射在待测目标物上的向后散射光依次经接收透镜、准直镜和分束镜后分为两路，一路经接收标准具和会聚镜b进入光电探测系统，另一路经会聚镜a进入光电探测系统。光电探测系统包括光电倍增管b、光电倍增管a、高速AD采集卡和电脑；光电倍增管a和光电倍增管b分别接收会聚镜a和会聚镜b的光信号，并通过高速AD采集卡与电脑相连。本专利技术相比现有技术具有以下优点：1、结构简单，成本降低。2、采用非种子注入激光，减少脉冲频率抖动。3、对激光线宽和频率稳定性要求降低，更容易进行测量。附图说明图1为本专利技术测速系统的结构示意图；图2为目标物在不同速度下测得的脉冲高度对比图。图1中，1-激光器，2-扩束镜，3-发射标准具，4-接收透镜，5-准直镜，6-分束镜，7-接收标准具，8-会聚镜b，9-会聚镜a，10-光电倍增管b，11-光电倍增管a，12-高速AD采集卡，13-电脑，14-目标物，M1、M2-反射镜。图2中，图2-a中，a1-多普勒频移检测信号，a2-参考光信号；图2-b中，b1-多普勒频移检测信号，b2-参考光信号；图2-c中，c1-多普勒频移检测信号，c2-参考光信号。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细说明。如图1所示，本专利技术基于双标准具的测速系统包括激光发射系统、激光接收系统和光电探测系统。激光发射系统包括激光器1、扩束镜2、反射镜M1、发射标准具3。激光接收系统包括接收透镜4、准直镜5、分束镜6、反射镜M2、接收标准具7、会聚镜b 8、会聚镜a 9。光电探测系统包括光电倍增管a 11、光电倍增管b 10、高速AD采集卡12和电脑13。激光器1发射激光通过扩束器2对激光进行扩束，激光经过反射镜M1入射到发射标准具3后将激光校准后射到运动的目标物14上，通过接收透镜4将目标物的部分后向散射收集，并使用准直镜5变为平行光，再经分束镜6将激光分为两部分，透射反射比为90:10，反射部分进入参考通道，透过部分用作多普勒频移检测。反射光经会聚镜a 9入射到光电倍增管a 11将光信号转化为电信号，透射光再次通过接收标准具7后进入光电倍增管b 10将光信号转化为电信号。光电倍增管a 11和光电倍增管b 10的电脉冲信号由高速AD采集卡12采集，电脑13实现高速AD采集卡12的采集模式控制，并将参考光和信号光进行拟合得到脉冲高度，获得两信号的幅度比，将该幅度比与标定结果进行对比，即可以得到待测目标物14的速度。其中，激光器1采用微型二极泵浦Dd：YAG固体激光器，工作波长为532nm，脉冲重复频率是11kHz，经倍频后单脉冲能量为20μJ。扩束器2为一个扩束10倍的光学系统，发射光源发出高准直的脉冲激光，以保证标准具能够很好地工作。发射标准具3和接收标准具7均采用口径25.4，自由光谱范围（FSR） 4GHz，精细度（Fe）12 @532nm。宽带的发射光通过发射标准具3时，发射标准具起到光梳的作用，产生窄带的发射光；激光接收系统中由于接收光对接收标准具的入射角度不同于出射光，因此，对接收到的后向散射光，其光谱有一个相对移动，根据熟知的多普勒检测方法中的边缘技术方法，利用该光谱移动可以判别多普勒频移的大小，进而得到待测物理的速度。光电倍增管a 11和光电倍增管b 10是R928，光谱响应为185-900nm，峰值波长为400nm，增益为1.0*107 ，该光电倍增管属于侧窗型光电倍增管，结构紧凑，响应快速。高速AD采集卡，采样率1GH，采样位数是10位，8路模拟输入。反射镜M1、M2为532nm全反射镜。具体测速方法如下：1）激光器1发射激光进入扩束镜2，使激光发散角从0.5mrad减小到0.05mrad，随后激光射到反射镜M1上，反射镜M1角度可调。2）激光经反射镜M1反射后进入发射标准具3，标准具起到光梳作用，将宽频的激光脉冲变为在频率上分立的几个窄频激光。3）经发射标准具3干涉的激光，照射在待测目标物14上，激光被待测目标物14散射。4）接收透镜4将部分后向散射收集，并使用准直镜5变为平行光。5）分束镜6将平行光分为两束，透射反射比为90：10，反射部分进入参考通道，透过部分用作多普勒频移检测。6）透射部分经反射镜M2反射进入接收标准具7中，反射镜M2角度可调，据此可以调整激光进入标准具的入射角。7）参考光和透过接收标准具7的信号光经汇聚后最终射到光电倍增管上，将光信号转化为电信号。8）光电倍增管的电脉冲信号由高速AD采集卡12采集，采样率1GH，采样位数是10位，8路模拟输入。9）电脑13实现AD的采集模式控制，并将参考光和信号光进行拟合得到脉冲高度，获得两信号的幅度比，将该幅度比与标定结果进行对比，即可以得到待测物体的速度。采用本专利技术系统和方法进行目标物速度测定，本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于双标准具的测速方法，其特征在于：所述测速方法通过测量激光光束经待测目标物的回波信号的多普勒频移来反演待测目标物的速度；所述激光光束经接收标准具形成频率上分立的若干窄频激光后照射在所述待测目标物上；所述回波信号分为两路，一路经接收标准具获得多普勒频移检测信号，另一路为参考光信号，通过对多普勒频移检测信号和参考光信号进行对比，得到所述待测目标物的速度。

【技术特征摘要】
1.基于双标准具的测速方法，其特征在于：所述测速方法通过测量激光光束经待测目标物的回波信号的多普勒频移来反演待测目标物的速度；所述激光光束经接收标准具形成频率上分立的若干窄频激光后照射在所述待测目标物上；所述回波信号分为两路，一路经接收标准具获得多普勒频移检测信号，另一路为参考光信号，通过对多普勒频移检测信号和参考光信号进行对比，得到所述待测目标物的速度。2.基于双标准具的测速系统，其特征在于：包括：激光发射系统，用于发射频率上分立的几个窄频激光，照射在待测目标物上；激光接收系统，用于接收照射在待测目标物上的部分向后散射光后，将其分为两路，一路获得多普勒频移检测信号，另一路获得参考光信号；光电探测系统，用于采集所述多普勒频移检测信号和参考光信号，并进行对比分析，获得所述待测目标物的速...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜令兵，张晋茹，黄兴友，郜海阳，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32