激光多普勒速度计制造技术

一种激光多普勒速度计使用光纤激光器作为激光介质而形成。在速度计内，传输和接收的所有光信号通过光纤传送。放大器放大源激光，其随后传输至一个或更多收发器。一个或更多收发器的每一个沿不同轴发射，并且具有单一的光纤输入／输出界面的每一个作为在目标区域聚焦辐射的传输装置，并作为用于收集所反射的辐射的接收系统。收发器的每一个包括放大器，从而进一步放大从激光源接收的辐射。一个或更多收发器将辐射同时传输至目标区域，并可以与激光源远程设置。分析由接收系统所收集的反射辐射的部分，从而确定在一个或更多收发器的焦点由目标引起的多普勒频移。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及激 光多普勒速度计，尤其涉及用于测量风或固体物的速度同时补偿 激光多普勒速度计平台的运动的激光多普勒速度计。
技术介绍
常规的激光多普勒速度计(“LDV”)将光传输至目标区域(例如，进入大气) 并在其已经从目标区域或目标区域中的散射体散射或反射后接收该光的一部分。所接收 的光由LDV处理，以获得多普勒频移fD。随后LDV通过关系式ν = (0.5)cfD/ft传送目 标相对于LDV的速度V，其中ft是传输光的频率，以及c是LDV和目标之间的介质中的 光的速率。LDV非常有用并且具有广泛的应用范围，包括但不限于血流测量、限速实 施、飞船导航、炮弹追踪和空气速率测量。在后者的情况中，目标包括气溶胶(aerosols) (引起米氏散射)，或空气分子本身(引起瑞利散射)。常规的空气速率LDVlO的示例如图1所示，并且如美国专利第5,272,513号所公 开的，其公开的内容以引用的方式结合入本申请。LDVlO包括如果需要可以是偏振的相 干光源20。光源20将第一相干光束30发射入光束形成器40。光束形成器40扩展并准 直光束30，然后光束30进入望远镜60。望远镜60将光束30以近准直的形式发射至目 标区域45。准直的光束在目标区域45中碰撞空中的散射体(或空气分子)，引起后向反射 或后向散射光束50。后向散射光束50 —部分由相同的传输光束30的望远镜60收集或 收集至相邻的接收器望远镜(未示出)。相同的望远镜传输并接收光的情况已知为单站 (monostatic)配置，而分开传输和接收的望远镜的情况已知为双站(bistatic)配置。单站 配置只接收后向散射的光。双站配置可以设置为接收大致后向散射的或在相对于传输光 束30的其它任何角度下的光。随后望远镜60收集的光50与分离的参考光束70结合入光学混频器80。理想的 光学混频器结合两束光，使得它们具有相同的偏振并占有相同域，并将结果定向至光电 探测器上，该光电探测器具有足够的带宽以探测所测量的多普勒频移。光电探测器产生 电流85，电流85包括频率是参考光束70的频率和后向散射光束50的频率的数学差的分 量。然后由信号处理器90(例如电光谱分析仪或频率计)分析电流85，以确定频率差并 计算沿着LDVlO和目标区域45之间的望远镜60的轴的相对速度分量。关于测量的相对频率是正还是负的歧义可以通过使用本领域已知的“同相与正 交”探测方法解决。解决这些歧义的另一种途径是为传输光束30或参考光束70提供稳 定的、恒定的频移(例如，通过使用声光单元)。这在电信号85中建立了交流电分量， 其具有的频率为恒定的频移和多普勒频移之和，消除了定向歧义。其中传输光束30的频 率和参考光束70的频率完全相同的LDV据说使用零差探测。当传输光束30和参考光束 70的频率不同时，使用外差探测。选择参考光束70，以具有容许与传输光束30的恒定相位关系的限定明确并稳定 的光频。这被称作相干。需要的相干易于通过使用激光器作为源20并分接源20以借助 光学分束器(未示出)产生参考光束70而获得。源20可以是C02、Nd:YAG、或氩离子激光器(优选在基横模和单纵模中发射激 光)。但是，空气速率目标(气溶胶和/或分子)与固体物相比产生很弱的反馈信号。 因此空气速率LDV结合这些工作范围在几千或甚至几十米的激光源，需要大激光功率， 因而其在很多类似直升机空气速率确定的期望应用中过于巨大、笨重、沉重、不牢固并 可能使用危险。然而，源20也可能是重量轻、成本低、效率高、稀土掺杂玻璃光纤(下面称作 光纤激光器)。光纤激光器较其他激光源具有几个显著的优点。光纤激光器可以由发 射波长因稀土掺杂激发而最优化的激光二极管有效泵浦。这使光纤激光器非常节省能 量并且很紧凑，消除了对冷却系统、闪光灯和高电流源的需要。而且，玻璃光纤作为 光的柔性波导，消除了类似镜子和透镜的笨重的光学部件的需要，其在具有严格对准容 差的直线上需要严格的机械量。光纤激光器也比固态激光器更适合于脉冲重复频率 (“PRF”)，并且光纤激光器中的脉宽可以变化“很快”，而固态激光器的PRF和脉宽 限于窄范围或甚至被固定。尽管常规LDV中的优点，其仍需要改进。有时，期望激光源20设置于较望远 镜60不同的、更容易达到的位置。例如，在风力涡轮发电机(“WTG”)应用中，望 远镜可以设置于涡轮上，而其激光源和控制电子器件最好设置于机舱内或在支撑WTG的 塔的底座上，以易于维修。在航海应用中，源优选置于船的船身内，保护其不暴露于元 件。通过使用光纤连接激光源20和望远镜60可以方便地进行这些远程配置。然而 问题出现了，因为空气速率测量所需的高光功率变得被发生在光纤中的称为受激布里渊 散射(“SBS”)的非线性效应所限制。实际上，光纤越长，该限制变得越低。SBS功 率限制依赖于本领域技术人员已知的其他因素，但这是光通过透明介质传输的基本物理 性质，不能忽略。
技术实现思路
除了上面描述的关于光纤激光器的缺点，也期望使用具有多于一个望远镜，并 优选三个或更多望远镜的LDV，在此所有望远镜同时在目标区域内传送光束。多个望远 镜每一个瞄准目标区域的不同区，允许沿着多个不同轴的同时速度测量，因而允许多维 速度确定。用于气象测量或应用的常规的LDV—般包括顺序沿不同轴进行测量的单驱动 望远镜，或使用三个望远镜，从一个切换至下一个等等，以允许沿不同轴的顺序测量。 通过同时将光传送至目标区域的不同区，读取的准确度大大提高了，同时消除了任何移 动部分的需要，并且提高了测量及时性。也期望常规LDV的任何这种改进，仍产生人眼 安全辐射源的使用，优选在1.4-1.6微米范围。附图说明图1例示了常规的激光多普勒速度 计的方框图2例示了激光多普勒速度计的一个实施方式的方框图；图3例示了图2的激光多普勒速度计的辐射源模块的一个实施方式的方框图；图4例示了图2的激光多普勒速度计的收发器模块的一个实施方式的方框图；图5例示了图2的激光多普勒速度计的接收器模块的一个实施方式的方框图；图6例示了图2的激光多普勒速度计的运动补偿原理的矢量图；图7例示了激光多普勒速度计的一个实施方式的方框图；以及图8例示了激光多普勒速度计的一个实施方式的方框图。具体实施例方式所公开的速度计系统满足了上面指出的需要并且提供了不具有移动部分的 LDV,并且其足够轻可用于在该点上对于LDV不可行的很多不同应用。所公开的LDV 包括用于产生并放大相干光能量的光束的活性激光介质，诸如掺铒玻璃光纤放大器，和 耦合至该光束的光学系统，从而将光束定向至辐射能量的散射体的预定距离。反射光束 与光束的参考部分混合，用于确定散射体的速度。在使用该装置测量望远镜焦体积(focal volume)中的风速中，所测量的速度分量 是沿着望远镜的轴的分量。因此，对于速度的“η”个分量的测量，η个独立的测量必 须沿着η个非共线轴进行(其中，η是整数)。为了完成该任务，公开了 η个完全一样 的收发器，每一个载有连续波(“CW”)光束，或者同时由共用种子激光器脉冲调制 (pulse)。通过η个收发器的同时脉冲调制和传输具有优点每个速度测量在时间的同一 时刻发生，替代了在时间的顺序时刻发生。因此，替代顺序传输的同时脉冲调制和传输本文档来自技高网...

【技术保护点】
要求美国专利法保护的新的权利要求是：　　一种激光多普勒速度计，包括：　　激光源；　　至少一个收发器模块，其经至少第一光纤耦合至所述激光源，以接收来自所述激光源的光，所述收发器模块包括用于放大从所述激光源接收的所述光的第一放大器，并且还包括用于将所放大的光传输至目标区域并用于接收从所述目标区域反射的光的收发器；以及　　接收器模块，其经至少第二光纤耦合至所述至少一个收发器模块，以接收来自所述至少一个收发器模块的所述反射光，并且所述接收器模块还经至少第三光纤耦合至所述激光源，以接收来自所述激光源的参考光束，从而确定所述反射光中的多普勒频移。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：菲利皮L罗杰斯，贾陈昌，普里雅瓦丹麦密迪普蒂，兰斯勒克莱尔，皮特盖切尔，丹尼尔达金，伊莉莎白A达金，
申请(专利权)人：奥普提克艾尔数据系统有限公司，
类型：发明
国别省市：US