一种用于中远距离测速的激光多普勒测速仪的制作方法

1.本技术涉及激光多普勒速度测量技术领域，特别是涉及一种用于中远距离测速的激光多普勒测速仪。


背景技术：

2.激光多普勒技术自诞生以来，在理论研究、光学结构设计以及测量维度等方面得到了长足的发展，其可被广泛用于固体表面、流体的速度测量。该技术所具备的非接触测量、精度高、测量范围大等特点，使其在科学研究、工业生产等领域具有广阔的应用前景。可以看到，激光多普勒测速技术对于解决上面的高精度高信噪比远距离测速需求有巨大的潜力。
3.激光多普勒技术发展至今已经由很多公司开发出了较成熟的产品，其中知名的如美国mse公司的mini ldv系列，德国elovis公司的μspeed
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smart&smart
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eco ldv以及丹麦dantec dynamics公司的flexlda system系列等，但这些产品在使用时，测量系统与被测运动物体之间的距离局限于10m以内，而且通常这个距离是固定的，不能灵活调控，无法满足工作距离变化的远距离测速需求。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够应用于中远距离测速的一种用于中远距离测速的激光多普勒测速仪。
5.一种用于中远距离测速的激光多普勒测速仪，其特征在于，所述激光多普勒测速仪包括：激光器、分光片、反射镜、光电探测器、光学模块和信号处理系统；
6.所述激光器用于发出连续激光；
7.所述分光片用于将所述连续激光分成第一激光和第二激光，所述第一激光经所述反射镜反射后到达所述光电探测器表面，形成参考光；
8.所述光学模块包括扩束器、负透镜组、正透镜组、固定镜架、移动镜架、滑杆、步进电机和步进电机控制器；所述正透镜组安装在所述移动镜架上，所述步进电机控制器用于驱动所述步进电机控制所述移动镜架沿所述滑杆移动；所述光学模块用于由所述第二激光依次通过所述扩束器、所述双凹透镜和所述双凸透镜后输出测量光，所述测量光到达待测物体表面后向后散射沿原传播路径进入所述光学模块，经所述分光器反射至所述光电探测器表面，形成信号光；
9.所述光电探测器用于将所述参考光和所述信号光干涉形成的光信号转换为包含多普勒频率信息的电流信号；
10.所述信号处理系统用于对所述电流信号进行处理，得到所述待测物体的速度。
11.进一步地，所述光学模块还用于通过移动所述移动镜架，调整所述双凹透镜和所述双凸透镜之间的距离，使得所述测量光的束腰位置变换到所述待测物体表面。
12.进一步地，所述激光器的输出功率>50mw，激光线宽<10mhz。
13.进一步地，所述分光片的分光比设置在99：1～90：10之间。
14.进一步地，正透镜组为单个双凸或平凸透镜，或者组合焦距等于预设正透镜组焦距值的双胶合透镜，或者由多片透镜组成。
15.进一步地，负透镜组为单个双凹或平凹透镜，或者组合焦距等于预设负透镜组焦距值的双胶合透镜，或者由多片透镜组组成。
16.进一步地，所述正透镜组和所述负透镜组中的透镜组件镀有对应于所述激光器激光波长的增透膜，所述增透膜的透过率≥98％。
17.进一步地，所述光电探测器为雪崩二极管或单光子探测器。
18.进一步地，所述信号处理系统还用于输出表征所述激光多普勒测速仪信噪比的品质因子；所述品质因子为测得的多普勒频率与所有噪声频率平均值的振幅比。
19.进一步地，所述激光多普勒测速仪的测量距离为50～1000m。
20.上述用于中远距离测速的激光多普勒测速仪，在根据探测需求确定光学模块的组件参数后，通过调整光学模块中正透镜组和负透镜组之间的距离调整光学模块输出的测量光的束腰位置，进而根据参考光和信号光干涉形成的光信号转换为包含多普勒频率信息的电流信号，通过信号处理系统对电流信号进行处理，得到待测物体的速度，实现中远距离的速度测量。本发明所提供的激光多普勒测速仪可以突破当前测速仪测量距离短的问题，并同时在中远距离测量中保证测量结果的高精度和高信噪比。
附图说明
21.图1为本发明的总体结构框架图；
22.图2为本发明信噪比随变换至待测物体表面高斯光束束腰半径的变化关系；
23.图3为本发明中高斯光束穿过所述实例光学模块的示意图；
24.图4为本发明中变换至待测物体表面高斯光束束腰半径随高斯光束经扩束器扩束后的束腰半径的变化关系。
具体实施方式
25.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
26.一种用于中远距离测速的激光多普勒测速仪，其特征在于，所述激光多普勒测速仪包括：激光器、分光片、反射镜、光电探测器、光学模块和信号处理系统；
27.激光器用于发出连续激光；
28.分光片用于将连续激光分成第一激光和第二激光，第一激光经反射镜反射后到达光电探测器表面，形成参考光；
29.光学模块包括扩束器、负透镜组、正透镜组、固定镜架、移动镜架、滑杆、步进电机和步进电机控制器；正透镜组安装在移动镜架上，步进电机控制器用于驱动步进电机控制移动镜架沿滑杆移动；光学模块用于由第二激光依次通过扩束器、双凹透镜和双凸透镜后输出测量光，测量光到达待测物体表面后向后散射沿原传播路径进入光学模块，经分光器反射至光电探测器表面，形成信号光；
30.光电探测器用于将参考光和信号光干涉形成的光信号转换为包含多普勒频率信息的电流信号；
31.信号处理系统用于对电流信号进行处理，得到待测物体的速度。
32.上述用于中远距离测速的激光多普勒测速仪，在根据探测需求确定光学模块的组件参数后，通过调整光学模块中正透镜组和负透镜组之间的距离调整光学模块输出的测量光的束腰位置，进而根据参考光和信号光干涉形成的光信号转换为包含多普勒频率信息的电流信号，通过信号处理系统对电流信号进行处理，得到待测物体的速度，实现中远距离的速度测量。本发明所提供的激光多普勒测速仪可以突破当前测速仪测量距离短的问题，并同时在中远距离测量中保证测量结果的高精度和高信噪比。
33.在一个实施例中，如图1所示，一种用于中远距离测速的激光多普勒测速仪，其特征在于，激光多普勒测速仪包括：激光器1、分光片2、反射镜3、光电探测器4、信号处理系统5、扩束镜6、双凹透镜7、双凸透镜8、步进电机9、步进电机控制器10、滑杆11、移动镜架12、固定镜架13、扩束器固定架14。
34.激光器1发出的连续激光通过分光片2后，被分成两束功率不同的激光，分别为第一激光和第二激光；其中第一激光经反射镜3反射后，再次通过分光片2到达光电探测器4表面，作为参考光，第二激光则依次通过光学模块中的扩束器6、双凹透镜7和双凸透镜8后输出，作为测量光；测量光到达待测物体表面后，测量光的后向散射光作为信号光沿原传播路径进入光学模块，再次通过双凸透镜8、双凹透镜7和扩束器6，进而经分光片反射至光电探测器4表面，与参考光发生干涉。
35.其中，参考光和信号光分别表示为：
[0036][0037][0038]
其中，f0和f
d
分别表示激光器1输出激光波长对应的频率和多普勒频率，和分别表示参考光和信号光携带的相位信息，e
r
和e
s
分别表示参考光和信号光的电场强度振幅，t表示时间。
[0039]
光电探测器4将发生干涉的光信号转换为包含多普勒频率信息的电流信号，干涉以后的光信号以及光电探测器4响应得到的电流信号可以表示为：
[0040][0041][0042]
信号处理系统5对电流信号进行采集，转换为数字信号，然后对数字信号进行傅里叶变换，得到频谱信息，从中可以提取得到多普勒频率f
d
，进而根据多普勒测速原理得到被测物体的速度v，本发明还定义了品质因子q(用于表征信噪比)信息，速度v和品质因子q可以表示为：
[0043]
[0044][0045]
其中，λ为激光器1输出激光的波长，p
d
为多普勒频率的振幅，p
i
为第i个噪声频率的振幅。
[0046]
进一步地，光学模块还用于通过移动移动镜架，调整双凹透镜和双凸透镜之间的距离，使得测量光的束腰位置变换到待测物体表面。
[0047]
在图1实例中，本发明测得信号的信噪比与变换至待测物体表面高斯光束束腰尺寸之间的关系为：
[0048][0049]
其中，p
t
是激光器1的功率，λ是激光器1输出激光的波长，β是待测物体的后向散射系数，nep是噪声等效功率，l是待测物体与激光多普勒测速仪光学模块出口之间的距离，ω是变换至待测物体表面高斯光束束腰半径。根据此关系式，将其他参数设置为常数，可以绘制图2所示的信噪比snr随变换至待测物体表面高斯光束束腰半径ω的变化关系，由图2可知，变换至待测物体表面高斯光束束腰半径ω越小，本发明测得的速度信号信噪比越高，所以在同一探测距离处选择一个合适的尽量小的数值是变换后的高斯光束束腰半径ω的确定原则。
[0050]
在本发明的测量系统中，当光学模块参数(负透镜组的焦距值，正透镜组的焦距值)确定后，负透镜组和正透镜组之间的距离d与光学模块发出的测量光的束腰所在位置存在一一对应关系，而当测量光的束腰位置在待测物表面时，系统信噪比最高。因此，已知待测物体的距离，通过调整负透镜组和正透镜组之间的距离，可以使得测量光束腰位置在待测物里表面，实现信噪比最高的测量。具体原理如下：
[0051]
在图1实例中，光学模块里的扩束镜6、双凹透镜7和双凸透镜8的参数是根据实际需求的最远探测距离和所期望变换后在最远探测距离处的待测物体表面高斯光束束腰尺寸所决定的；如图3所示为高斯光束穿过实例光学模块的示意图，将双凹透镜7和双凸透镜8简化为薄透镜模型，根据光学传输矩阵方法计算得到高斯光束依次通过扩束镜6、双凹透镜7以及双凸透镜8后，束腰所在位置距光学模块出射口的距离与束腰的大小之间关系的表达式为：
[0052][0053][0054]
[0055][0056][0057]
其中，ω0是激光器1出射的高斯光束经扩束器6扩束后的束腰半径，l0是到激光器1出射的高斯光束经扩束器6扩束后的束腰到双凹透镜7中心的距离，ω1是通过扩束后的高斯光束经双凹透镜7折射后的束腰半径，δ是双凹透镜7和双凸透镜8焦平面之间的距离，f1是双凹透镜7的焦距值，f2是双凸透镜8的焦距值，z1和z2为中间计算系数，l和ω与前文定义相同，其中，根据(10)，本实施例设定探测距离就是测量光束腰所在位置。
[0058]
根据实际需求选定测量上限l和ω的数值后，将选定的l和ω用于光学模块参数确定，相当于通过设定系统测量上限确定系统光学模块参数。设定l和ω具体数值后，(10)、(11)左侧已知，联立(10)、(11)可以解得满足条件的双凹透镜7和双凸透镜8焦距值，即确定光学模块参数f1和f2；将焦距值f1和f2带入(8)、(9)、(10)、(11)和(12)进行计算，可得到双凹透镜7和双凸透镜8之间距离d＝f1 f2 δ与探测距离之间的函数关系，其中，探测距离不大于选定的测量上限l的数值，即最远探测距离；根据(10)、(11)，当探测距离小于最远探测距离时，探测距离处对应的束腰半径也小于选定的ω上限，同时测量光的传播距离更短，经历的损耗更少，到达待测物体处的激光功率更高，作为信号光的后向散射光也就更强，因此，在最远距离范围内也可实现高精度高信噪比的测量。
[0059]
步进电机控制器10即可根据距离d与探测距离之间的函数关系，控制步进电机9驱动移动镜架12沿滑杆11移动改变双凹透镜7和双凸透镜8之间的距离，达到将测量高斯光束束腰变换至不同距离的目的。
[0060]
扩束器6的作用在于扩束准直激光器1出射的激光光束，其扩束倍率的确定原则可由如下解释：可取双凹透镜7焦距f1＝
‑
40mm、双凸透镜8焦距f2＝600mm、激光器1出射的高斯光束经扩束器6扩束后的束腰到双凹透镜7中心的距离l0＝0mm、激光器1输出激光的波长λ＝532nm和双凹透镜7和双凸透镜8焦平面之间的距离δ＝2mm作为实施特例，带入(8)、(9)、(11)和(12)计算得到变换至待测物体表面高斯光束束腰半径ω随激光器1出射的高斯光束经扩束器6扩束后的束腰半径ω0的变化趋势；如图4所示，随着ω0的增大ω呈不断减小的趋势，结合前文变换至待测物体表面高斯光束束腰半径ω越小，本发明测得的速度信号信噪比越高，可以得出扩束器6扩束倍率的确定原则应为：在满足双凹透镜7和双凸透镜8口径的条件下尽可能地选择大倍率的扩束器。
[0061]
在图1实例中，所用激光器1的激光线宽较窄，具有较长的相干长度，根据探测范围的不同可选用不同线宽，保证在探测范围内参考光和信号光能够发生干涉；激光器1的输出功率通常>50mw，激光线宽<10mhz。
[0062]
在图1实例中，分光片2的分光比设置在99：1～90：10之间。分光后，第一激光所分功率较小，第二激光所分功率较大。
[0063]
在图1实例中，光学模块中双凸透镜8的使用是为了解释本发明，也可由焦距相等的单个平凸透镜、组合焦距等于双凸透镜8焦距值的双胶合透镜、三片透镜组或n片透镜组(n为大于3的整数)等其他透镜组合代替；光学模块中双凹透镜7的使用是为了解释本发明，
也可由焦距相等的单个平凹透镜、组合焦距等于双凹透镜7焦距值的双胶合透镜、三片透镜组或n片透镜组(n为大于3的整数)等其他透镜组合代替。
[0064]
在图1实例中，光学模块中的扩束镜6、双凹透镜7和双凸透镜8都镀有对应于本发明中所用激光器激光波长的增透膜，透过率≥98％。
[0065]
在图1实例中，光电探测器4可为雪崩二极管、单光子探测器等灵敏度高的器件，可以提高对远距离散射回的信号光的探测效率。
[0066]
在图1实例中，步进电机9驱动移动镜架12移动的精度需达到0.1mm，以达到更准确的光束变化目的。
[0067]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0068]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。