[发明专利]一种基于多普勒频谱修正的运动目标运动特征测量方法

说明书

本发明公开了一种基于多普勒频谱修正的运动目标运动特征测量方法，涉及一种新型的激光测量技术。通过利用脉冲激光与单频连续激光的外差干涉，将未经待测目标调制的发射脉冲激光与单频连续波激光的外差干涉信号作为参考多普勒频谱，将发射脉冲激光经由待测目标调制后接收到的外差干涉信号的频谱，作为原始测量频谱，原始测量频谱经由参考频谱修正后的频谱作为真实目标多普勒频谱。本发明的技术方案所得到的目标多普勒频谱可以有效消除脉冲激光自身波动所引起的频谱干扰，获得更为准确的目标运动状态的多普勒信息，并具有测量速度快、精度高、性能可靠的特点。

技术领域

本发明涉及一种新型的激光测量技术，尤其涉及一种脉冲激光与单频激光外差干涉的运动目标运动特征测量方法。

背景技术

针对运动目标的激光测量技术已经得到了迅速发展，相关的技术包括对运动目标的距离、坐标、形状、运动速度等的测量，其中，针对运动目标速度的测量常利用激光频率的变化量来进行。根据多普勒原理，当测量主体与待测量目标之间存在相对运动时，从测量主体发射前往待测量目标的激光束在照射到待测量目标后，将部分反射或散射并回到测量主体所在的光学接收系统之中，并由光学接收系统汇聚到光电转换用的光电探测器上，所收集的反射或散射光将携带包含运动目标速度特性的多普勒信息。如果在光电探测器上同时施加一个参考用的激光，则回波激光与参考激光之间将产生外差干涉信号。合理设计的探测激光与参考激光以及相应的光电转换探测器将能给出有价值的目标多普勒信号，该多普勒信号将有助于分辨目标的运动特征。

与常规的利用二组连续波单频激光的外差干涉系统不同，利用脉冲激光器与连续波激光器的外差干涉系统具有很多特点。尤其适合于测量待测运动目标相对于其质量中心的微运动状态特征。这时，采用脉冲工作的激光器代替连续波工作的单频激光器作为探测用激光器具有显著的优点。第一，对于高速运动的目标，存在大量级的多普勒频移，高速运动目标自身的转动、振动、进动等运动造成的微多普勒频移信号，将混迹于大量级的多普勒频移之中，当采用多纵模的脉冲激光与连续波激光干涉时，回波信号中实际上包含众多激光纵模，这些激光纵模都会与本地的单频激光发生外差干涉，因此大量级的多普勒频移信号并不会导致外差信号中高频量的产生。这时，外差信号中，最大带宽的高频信号仍然受限于多纵模的脉冲激光自身的脉冲宽度，这将给外差信号的处理带来极大的便利。第二，多纵模的脉冲激光的能量在时间上集中，信噪比高，有利于目标探测，同时，多纵模的脉冲激光的放大更容易实现，可以获得更高的激光峰值功率。因此也更加有利于远距离目标的探测。

但是，与连续波单频激光不同，多纵模的脉冲激光在激光放大过程中会承受各种的线性和非线性的增益调制和相位调制，特别是脉冲簇结构的多纵模脉冲激光在放大过程中更容易产生较大的时域畸变，并因此导入相应的频域畸变。这种畸变对于目标的运动特性测量将会有较大影响。

发明内容

本发明的目的，是针对多纵模脉冲激光与连续波导频激光的外差干涉系统中，多纵模锁模脉冲激光的放大过程容易引入较大的时域和频域畸变、导致外差干涉测量的准确性问题，提出了一种脉冲激光与单频激光外差干涉的运动目标运动特征测量方法：多纵模脉冲激光器的脉冲激光经过光纤放大器放大，获得功率放大的脉冲激光，脉冲激光通过光学分光片和发射望远镜后向待测目标发射，待测目标反射或散射的激光脉冲信号经发射望远镜接收后，进入第一光电探测器。进入第一光电探测器的激光脉冲与单频连续激光器入射到第一光电探测器上的连续激光进行混频，混频信号由后端的第一信号处理器经傅里叶变换处理后得到原始多普勒频谱。此外，经由光学分光片后的部分激光脉冲进入第二光电探测器，进入第二激光探测器的激光脉冲与单频连续激光器入射到第二光电探测器上的连续激光进行混频，混频信号由后端的第二信号处理器经傅里叶变换处理后得到参考多普勒频谱。在第三信号处理器中将原始多普勒频谱经参考多普勒频谱修正，得到待测目标的运动特征。

进一步地，所述多纵模脉冲激光器的纵模频率与单频连续波激光器的频率相互锁定。

进一步地，所述光纤放大器为同时放大激光脉冲能量和激光功率的激光放大器，激光放大介质为稀土离子掺杂的保偏增益光纤，包括镱掺杂光纤、铒掺杂光纤和铥掺杂光纤。