基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法及装置。采用三角波函数对激光器的驱动电压进行调制；激光器发射出的激光耦合进入到光纤分束器中，被光纤分束器分成两束激光，一束经光纤准直器射到待测物体表面，被待测物体表面反射或后向散射后，再返回到激光器的谐振腔中发生激光自混合干涉；另一束输入至光电探测器中。光电探测器检测激光器的输出功率，获取激光自混合干涉时的时域信号，将该时域信号转换为频域信号；根据激光自混合干涉的频域信号，求得待测物体的运动速度及到光纤准直器出射端面的距离。本发明专利技术无需复杂的信号分离提取和额外的电光频移，即能实现速度和距离的同步测量，具有结构简单、成本低、校准方便等特点。

Method and apparatus for synchronous measurement of velocity and distance based on laser self mixing interference

The invention relates to a method and a device for synchronously measuring velocity and distance based on laser self mixing interference. The driving voltage is modulated by triangular wave function of the laser; laser emitting laser coupled into the optical fiber splitter, fiber beam splitter into two beams of laser beam through optical fiber collimator, a shot to the object surface to be tested and the surface reflected or backward scattering, and then return to the laser self mixing interference occurs in the laser cavity; the other beam input to the photodetector. The output power of laser detection photoelectric detector, laser self mixing interference signal acquisition time, converts the time domain signal into frequency domain signal; based on laser self mixing interference signal in frequency domain, the velocity of the object to be tested and the fiber collimator exit surface distance. The invention does not need complicated signal separation and extraction and additional electro-optic frequency shift, and can realize synchronous measurement of speed and distance. The utility model has the advantages of simple structure, low cost and convenient calibration.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光测量
，具体涉及一种基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法与装置。
技术介绍
激光自混合多普勒测速技术是一种基于激光自混合干涉的速度测量技术，激光自混合干涉是指激光器输出光被待测物体反射或散射后，部分光反馈回激光器谐振腔内，引起激光器模式发生变化的现象。通过分析激光器模式的变化，获得速度引起的多普勒频率，从而得到待测物体的速度信息。相比较于传统的双光束干涉系统，基于激光自混合现象的干涉系统不需要参考光，只有一个光学通道，具有结构简单、易准直等优点。在军事、机动车超速监测、高精度检测等许多领域，仅获得待测物体的速度信息不能满足实际需求，速度测量的同时实现距离测量具有极其重要的意义和作用。单通道激光自混合系统由于光学通道数目有限，存在难以同步测量速度和距离的问题。中国专利技术专利CN102292646公开了一种调节用于测量车辆速度的自混合激光传感器系统方法，该测量方法的原理是：确定从待测物体表面反射回并再次进入激光器腔内的多普勒相移造成的振荡频率，根据激光自混合干涉发生时的自混合强度振荡的频率(即多普勒频率)计算速度，但由于只获取多普勒频率无法分析待测物体的距离信息。中国专利技术专利CN103337776公布了一种全光纤型激光自混合测距系统，该测距系统的原理是：通过激光自混合干涉引起可协调光纤激光器的波动频率计算待测物体的距离信息，但是无法获取待测物体的速度信息。将激光自混合速度测量与距离测量方法结合，通过在光路中添加额外的光源和分光器件，增加光学系统的光学通道，可以分别实现不同待测物体的速度和距离测量。但是由于采用多个光源和分光器件，并且多个光源的波长和相位存在差异，不仅难以实现同一待测物体距离与速度的同步测量，而且存在多个速度与距离的信号相互叠加、信号难以提取、系统负载加重、结构复杂、光路难以调整等问题，引入的分光器件提高了系统的复杂程度，基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量技术难以得到充分的发展和应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法与装置，该方法与装置无需复杂的信号分离提取和额外的电光频移，即能实现速度和距离的同步测量，具有结构简单、成本低、校准方便等特点。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量的方法，该方法包括以下步骤：(1)采用激光调制模块产生的三角波函数对激光器的驱动电压进行调制。(2)经驱动电压调制后的激光器发射出的激光耦合进入到光纤分束器中，被光纤分束器分成两束激光，其中一束激光经光纤准直器射到待测物体表面，被待测物体表面反射或后向散射后，再经光纤准直器和光纤分束器返回到激光器的谐振腔中，在谐振腔中发生激光自混合干涉；另一束激光输入至光电探测器中。(3)光电探测器检测激光器的输出功率，获取激光器谐振腔中发生激光自混合干涉时的时域信号，采用傅里叶变换模块将该时域信号转换为频域信号。(4)根据激光自混合干涉的频域信号，获得该频域信号的上升沿频峰和下降沿频峰。(5)采用以下公式求得待测物体的运动速度V：V＝λ(v1+v2)/(4cosθ)其中，λ为激光器发射出的激光的波长，v1、v2分别是激光自混合干涉频域信号的下降沿频峰和上升沿频峰的峰值频率，θ是入射角，即待测物体运动速度方向与激光入射方向的夹角。(6)采用以下公式求得待测物体到光纤准直器出射端面的距离L：L＝c(v2-v1)/(8ηfTAT)其中，c表示光速，v1、v2分别是激光自混合干涉频域信号的下降沿频峰和上升沿频峰的峰值频率，η是激光器光频调制系数，fT和AT分别是三角波函数的频率和幅度。本专利技术还涉及一种实施上述基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法的装置，该装置包括激光器、光纤分束器、光纤准直器、放置有待测物体的电动平移台、电动马达、激光调制模块、光电探测器、傅里叶变换模块和计算机。所述激光调制模块的输出端接激光器的输入端，激光器的输出端接光纤分束器的输入端，光纤分束器的输出端分别接光纤准直器及光电探测器的输入端，光电探测器的输出端接傅里叶变换模块的输入端，傅里叶变换模块的输出端接计算机的输入端，计算机的输出端分别接电动平移台及电动马达的输入端，电动马达的输出端接待测物体。当电动马达运转时，待测物体会随着电动马达进行同一速度的运动。当电动平移台发生平移时，放置在电动平移台上的待测物体会随电动平移台一起平移，从而使待测物体到光纤准直器出射端面的距离发生相应改变。所述激光调制模块产生三角波函数对激光器的驱动电压进行调制；激光器发出的激光，经光纤分束器分成两束激光，其中一束激光经光纤准直器照射到待测物体表面上，经待测物体表面反射后，再经光纤准直器和光纤分束器回到激光器的谐振腔中，并在谐振腔中发生激光自混合干涉；另外一束激光输入至光电探测器中，光电探测器根据该束激光检测激光器的输出功率，获取激光自混合干涉的时域信号，并将该时域信号发送至傅里叶变换模块；所述傅里叶变换模块，将激光自混合干涉的时域信号转换成频域信号；所述计算机，用于调节电动马达的运动速度以及电动平移台的平移距离，还用于根据激光自混合干涉的频域信号，计算出待测物体的运动速度以及待测物体到光纤准直器出射端面的距离。进一步的，所述激光调制模块产生的三角波函数为不对称度为50％的三角波函数。进一步的，所述激光器为调制特性稳定的半导体激光器，所述激光调制模块对激光器进行内调制。和现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术采用单个激光器和光电探测器，利用单通道激光自混合干涉效应，实现速度和距离的非接触同步测量，结构简单，易于实现。(2)本专利技术对待测物体表面类型没有要求，同时适用于镜面反射表面和漫反射表面，且不需要放置额外的反射镜，适用性广。(3)本专利技术将激光调制应用到激光自混合干涉多普勒频率测速中，多普勒频率分成两个频率——上升沿频率与下降沿频率，利用上升沿频率与下降沿频率之和进行速度测量，利用上升沿频率与下降沿频率之差进行距离测量，提高了测量精度和系统响应。(4)本专利技术所采用的激光器是光纤尾纤的单纵模半导体激光器，激光调制模块输出的调制信号是线性度较好的三角波函数，这能够有效减少激光自混合干涉效应中的频谱展宽现象，减小测量误差，提高系统分辨率。附图说明图1是本专利技术中基于激光自混合干涉速度和距离的同步测量装置的结构示意图；图2是激光自混合干涉的典型频域信号，横坐标为频率f，纵坐标为功率P；图3是运动速度测量值随上升沿频率和下降沿频率之和的变化分布，横坐标为上升沿与下降沿频率之和f1，纵坐标为速度V；图4是距离测量值随上升沿频率和下降沿频率之差的变化分布，横坐标为下降沿与上升沿频率之差f2，纵坐标为距离L。其中：1、激光器，2、光纤分束器，3、光纤准直器，4、电动平移台，5、待测物体，6、激光调制模块，7、光电探测器，8、傅里叶变换模块，9、计算机，10、电动马达。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明：如图1所示的一种基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量的装置，该装置包括激光器1、光纤分束器2、光纤准直器3、放置有待测物体5的电动平移台4、电动马达10、激光调制模块6、光电探测器7、傅里叶变换模块8和计算机9。具体地说，所述激光调制模块6的输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量的方法，其特征在在于：该方法包括以下步骤：(1)采用激光调制模块产生的三角波函数对激光器的驱动电压进行调制；(2)经驱动电压调制后的激光器发射出的激光耦合进入到光纤分束器中，被光纤分束器分成两束激光，其中一束激光经光纤准直器射到待测物体表面，被待测物体表面反射或后向散射后，再经光纤准直器和光纤分束器返回到激光器的谐振腔中，在谐振腔中发生激光自混合干涉；另一束激光输入至光电探测器中；(3)光电探测器检测激光器的输出功率，获取激光器谐振腔中发生激光自混合干涉时的时域信号，采用傅里叶变换模块将该时域信号转换为频域信号；(4)根据激光自混合干涉的频域信号，获得该频域信号的上升沿频峰和下降沿频峰；(5)采用以下公式求得待测物体的运动速度V：V＝λ(v1+v2)/(4cosθ)其中，λ为激光器发射出的激光的波长，v1、v2分别是激光自混合干涉频域信号的下降沿频峰和上升沿频峰的峰值频率，θ是入射角；(6)采用以下公式求得待测物体到光纤准直器出射端面的距离L：L＝c(v2‑v1)/(8ηfTAT)其中，c表示光速，v1、v2分别是激光自混合干涉频域信号的下降沿频峰和上升沿频峰的峰值频率，η是激光器光频调制系数，fT和AT分别是三角波函数的频率和幅度。...

【技术特征摘要】
1.基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量的方法，其特征在在于：该方法包括以下步骤：(1)采用激光调制模块产生的三角波函数对激光器的驱动电压进行调制；(2)经驱动电压调制后的激光器发射出的激光耦合进入到光纤分束器中，被光纤分束器分成两束激光，其中一束激光经光纤准直器射到待测物体表面，被待测物体表面反射或后向散射后，再经光纤准直器和光纤分束器返回到激光器的谐振腔中，在谐振腔中发生激光自混合干涉；另一束激光输入至光电探测器中；(3)光电探测器检测激光器的输出功率，获取激光器谐振腔中发生激光自混合干涉时的时域信号，采用傅里叶变换模块将该时域信号转换为频域信号；(4)根据激光自混合干涉的频域信号，获得该频域信号的上升沿频峰和下降沿频峰；(5)采用以下公式求得待测物体的运动速度V：V＝λ(v1+v2)/(4cosθ)其中，λ为激光器发射出的激光的波长，v1、v2分别是激光自混合干涉频域信号的下降沿频峰和上升沿频峰的峰值频率，θ是入射角；(6)采用以下公式求得待测物体到光纤准直器出射端面的距离L：L＝c(v2-v1)/(8ηfTAT)其中，c表示光速，v1、v2分别是激光自混合干涉频域信号的下降沿频峰和上升沿频峰的峰值频率，η是激光器光频调制系数，fT和AT分别是三角波函数的频率和幅度。2.实施权利要求1所述的基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法的装置，其特征在于：该装置包括激光器、光纤分束器...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙悟，张开银，武山，赵书涛，王秋玲，张朋，张燕凯，
申请(专利权)人：阜阳师范学院，
类型：发明
国别省市：安徽;34