[发明专利]激光多普勒测速仪的多普勒信号周期分布解调方法

说明书

技术领域

本发明属于激光多普勒测速技术领域，主要涉及一种激光多普勒测速仪的多普勒信号时域解调方法，尤其涉及一种对固定运动目标速度进行测量的外差式干涉计的多普勒信号周期分布解调方法。

背景技术

光源与物体相对运动时会产生多普勒效应，激光多普勒测速仪是依靠运动微粒散射光与照射光之间的频移获得速度信息的，常用的参考光模式的光学外差干涉计原理见附图1。单一频率f₀的激光束照射到一个运动物体上时，接收到的散射光频率为f₀+Δf_D，其中Δf_D为散射光与照射光之间的频移。另一束参考光通过分光器取自同一发射光束，经布喇格声光单元(Bragg-cell)引入40MHz的附加频移，这一参考光束与接收的散射光束相调制，光检测器(例如光电倍增管)接收调制光的光强变化，外差干涉计产生的多普勒电信号频率为：

f_det＝40MHz+Δf_D            (1)

对该多普勒信号进行频率解调处理，即可以获得散射光频率Δf_D，从而得到运动物体的速度V：

V=λΔFD2cosβ---(2)]]>

式中，λ为发射的激光光源的光波波长，β为投射光束与物体运动方向的夹角。

多普勒信号处理可以采用多种方法，时域处理的周期计数法直接计算每个给定时间段t_g内的信号周期数N，则

ΔfD=Ntg---(3)]]>

其原理简单，处理简便，是目前激光多普勒测速仪常用的硬件信号处理方法，但是，这种采用周期计数方式的多普勒时域解调方法的抗干扰能力较差。

在实际的激光多普勒测速应用中，运动物体表面微粒分布不均匀或微粒重叠、激光束的会聚点因物体振动而偏离散射面、激光发射和接收器本身的振动、光束路径空间的微尘等外部因素都会影响接收到的散射光波的稳定性，使采集的多普勒频移信号中形成周期变宽或变窄、信号局部丢失和噪声，从而增大频移量处理的动态误差，影响物体运动速度的测量精度。实验证实：采用侧向投射和接收光束测速方法时散射光波的稳定性更差。某气炮激励高冲击校准系统采用双路侧向激光多普勒测速方法测量固体目标的运动速度，示意图见附图2，图中P为运动目标，S1和S2为位于运动目标后侧向的两个激光束投射及散射光接收点。该系统采用两路互相独立的参考光模式外差多普勒测速仪获取目标速度V0在侧后向的速度分量V1和V2，两路测量光束与目标运动方向的夹角分别为β1和β2。附图3为通过外差多普勒测速仪硬件对多普勒信号解调处理后获取的两条速度曲线，图中为了便于观察，将速度分量V2倒置显示，可见所获取的速度曲线存在许多突变的毛刺。观察外差干涉计输出的多普勒信号，其中增速时段内的1μs时间间隔的信号波形在图4中显示，上部为40MHz附加频移信号曲线，中部为S1方向的多普勒信号曲线，下部为S2方向的多普勒信号曲线，可见这一时间段内S2方向的多普勒信号存在周期长度突变。由于采用多普勒信号的周期计数解调方法求出的是一定时间段t_g内全部周期N的平均频率，这种散射光波不稳定引起的信号周期变化会影响到频率解调结果，这就是周期计数解调方法抗干扰能力较差并会形成速度测量曲线毛刺的本质原因。

发明内容