[发明专利]基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，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。

背景技术

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。中国发明专利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。中国发明专利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。

发明内容

本发明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，本发明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)/(8ηf_TA_T)

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，f_T和A_T分别是三角波函数的频率和幅度。

本发明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。