CN109212551B - 一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪及其测速方法 - Google Patents

一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪及其测速方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪及其测速方法，包括单模激光器、光纤隔离器、1×3光纤分束器、光纤环行器、声光移频器、1×2光纤分束器、2×1光纤合束器、光纤准直器和光电探测器，从单模激光器输出的激光通过光纤隔离器后被1×3光纤分束器分为3束，第二束光经光纤环行器和准直器，垂直照射在运动物体表面，携带运动信息反射回准直器后被分为两束，两束信号光分别与1×3光纤分束器的第一束本征光和经过声光移频器的第三束参考光合束干涉，并分别由两个探测器探测接收。本发明采用零差法得到多普勒移频量的大小，结合外差法判定方向，可在辨别速度方向的同时，突破常规外差法多普勒测速技术的速度上限。

Description

一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪及其测速方法
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪及其测速方法。
背景技术
激光多普勒测速技术是伴随激光器的诞生产生的一种新的测量技术，它是利用激光的多普勒效应来对流体或固体速度进行测量的一种技术。激光多普勒测速的原理是利用光学多普勒效应，即当激光照射运动物体时，激光被跟随物体运动的粒子所散射，散射光的频率将发生变化，它和入射激光的频率之差称为多普勒频差或多普勒拍频。这个频差正比于速度，所以测出多普勒频差，就能够得到速度。传统的激光多普勒测速技术响应慢、测试精度低、可靠性差。结合激光多普勒测速技术与光纤器件的光纤多普勒测速***，光路结构简单灵活，整机***更为紧凑小巧，因此有着极大的发展潜力。
在全光纤多普勒测速技术中典型的探测方法有零差法和外差法。采用零差法时单模激光器输出的光经光纤隔离器后被1×2光纤分束器分为两束，一束作为本振光，另一束光经光纤准直器射出，垂直照射到运动物体后返回，作为信号光携带有运动信息，本振光与信号光进行合束干涉，得到多普勒频移量的绝对值，只能判定其大小而不能辨别其方向；采用外差法时单模激光器输出的光经光纤隔离器后被1×2光纤分束器分为两束，一束经声光移频器构成参考光，另一束光经光纤准直器射出，垂直照射到运动物体后返回，作为信号光携有运动信息，参考光与信号光进行外差干涉并被光电探测器探测接收，得到声光移频器移频量与多普勒移频量之差的绝对值，可以同时实现速度大小的测量与方向的判别，但由于多普勒频移量的最大值不能超过参考光相对于未经多普勒移频的初始信号光的固定频率差，其速度测量范围受到声光移频器移频量的限制。
发明内容
有鉴于此，本发明针对采用外差法的光纤多普勒测速***速度测量范围受到声光移频器移频量限制的问题，提出一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪及其测速方法，其可同时实现速度大小测量与方向判别，且无速度测量上限限制。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪，包括单模激光器、光纤隔离器、光纤环行器、光纤准直器、声光移频器、第一2×1光纤合束器和第一光电探测器，其特征在于：还包括1×3光纤分束器、1×2光纤分束器、第二2×1光纤合束器和第二光电探测器；所述的单模激光器输出端接光纤隔离器的输入端，光纤隔离器的输出端接1×3光纤分束器的输入端，1×3光纤分束器的第二输出端口与光纤环行器一端口连接，光纤环行器二端口接光纤准直器对准待测运动目标，光纤环行器三端口接1×2光纤分束器，1×2光纤分束器的一个输出端口与1×3光纤分束器的第一输出端口接第二2×1光纤合束器两个输入端，第二2×1光纤合束器输出端接第二光电探测器，1×3光纤分束器的第三输出端口接声光移频器，声光移频器输出端口与1×2光纤分束器另一个输出端口接第一2×1光纤合束器的两个输入端，第一2×1光纤合束器的输出端接第一光电探测器。
所述的单模激光器输出的连续单频激光由1×3光纤分束器分为3束，1×3光纤分束器第二输出端口的输出光输入至光纤环行器的一端口，并由光纤环行器的二端口输出至光纤准直器，垂直照射到待测运动物体表面，被运动物体反射后，作为信号光携带被测物体的运动信息由光纤环行器的三端口输出并分为两束，其中一束与1×3光纤分束器第一输出端口的本振光进行合束干涉，由第二光电探测器探测接收，另一束与1×3光纤分束器的第三端口经声光移频器移频的参考光进行合束干涉，由第一光电探测器探测接收。
所述的1×3光纤分束器的分光比为1:1:1，所述的1×2光纤分束器的分光比为1:1。
1×3光纤分束器第一输出端口输出的本振光与垂直照射运动物体后携运动信息返回的信号光进行零差干涉，得出多普勒移频量的绝对值|fd|，经声光移频器移频的参考光和垂直照射运动物体后携运动信息返回的信号光进行外差干涉，得到声光移频器移频量与多普勒移频量之差的绝对值|fl-fd|，由|fd|得出多普勒频移量的大小，结合|fl-fd|判定方向，进而同时求得速度的大小和方向。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明构成了一种全光纤多普勒测量光路，通过对本振光和信号光进行零差干涉，对信号光和参考光进行外差干涉，同时采用零差法和外差法确定多普勒频移，进而确定被测运动物体速度的大小和方向；
本发明同采用零差法的全光纤多普勒测速技术相比可以在测量范围不受限制的基础上实现对速度方向的判别；
本发明同采用外差法的全光纤多普勒测速技术相比可以在判断速度方向的前提下，实现更大范围的速度的测量，不再受到声光移频器移频量大小的限制。
附图说明
图1本发明实施例的结构示意图；
图2是传统外差法测速装置的结构示意图。
标记说明:1-单模激光器，2-光纤隔离器、3-1×3光纤分束器、4-光纤环行器，5-光纤准直器，6-运动物体，7-第一2×1光纤合束器，8-第一光电探测器，9-1×2光纤分束器，10-声光移频器，11-第二2×1光纤合束器，12-第二光电探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明属于全光纤多普勒测速方法，同时采用零差法和外差法进行测量，提出一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪。对信号光和本振光进行合束干涉，由零差法得到多普勒移频量的大小，信号光和经声光移频器移频的参考光进行合束干涉，由外差法判定方向，可在辨别速度方向的同时，突破外差法全光纤多普勒测速技术的测速范围上限。
实施例：如图1所示：
一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪，包括单模激光器1、光纤隔离器2、1×3光纤分束器3、光纤环行器4、光纤准直器5、运动物体6、第一2×1光纤合束器7和第一光电探测器8，1×2光纤分束器9、声光移频器10、第二2×1光纤合束器11和第二光电探测器12；所述的单模激光器1输出端接光纤隔离器2的输入端，光纤隔离器2的输出端接分光比为1:1:1的1×3光纤分束器3的输入端，1×3光纤分束器3的第二输出端口与光纤环行器4一端口连接，光纤环行器4二端口接光纤准直器5对准待测运动目标，光纤环行器4三端口接分光比为1:1的1×2光纤分束器9，1×2光纤分束器9的一个输出端口与1×3光纤分束器3的第一输出端口接第二2×1光纤合束器11两个输入端，第二2×1光纤合束器11输出端接第二光电探测器12，1×3光纤分束器3的第三输出端口接声光移频器10，声光移频器10输出端口与1×2光纤分束器9另一个输出端口接第一2×1光纤合束器7的两个输入端，第一2×1光纤合束器7的输出端接第一光电探测器8。
单模激光器1输出的连续单频激光由1×3光纤分束器3分为3束，1×3光纤分束器3第二输出端口的输出光输入至光纤环行器4的一端口，并由光纤环行器4的二端口输出至光纤准直器5，垂直照射到待测运动物体表面，被运动物体反射后，作为信号光携带被测物体的运动信息由光纤环行器4的三端口输出并分为两束，其中一束与1×3光纤分束器3第一输出端口的本振光进行合束干涉，由第二光电探测器12探测接收，另一束与1×3光纤分束器3的第三端口经声光移频器10移频的参考光进行合束干涉，由第一光电探测器8探测接收。
使用本发明装置进行测速的方法是：先将光纤准直器5垂直对准目标运动物体6。装置中的单模激光器1输出的连续单频激光由1×3光纤分束器3等分为3束光，其中一束光由1×3光纤分束器3的第二输出端口输出至光纤环行器4的一端口，并由二端口输出至光纤准直器5，由光纤准直器5垂直照射运动目标物体6的表面，该反射光作为信号光携带目标物体的运动信息由光纤环行器4三端口输出，三端口输出的信号光接1×2光纤分束器9分为两束，其中一束移频光与1×3光纤分束器3的第一输出端口输出的本振光由第二2×1光纤合束器11合束进行外差干涉，并由第二光电探测器12探测接收，1×3光纤分束器3的第三端口输出的光经声光移频器10移频并与1×2光纤分束器9的另一束移频光经第一2×1光纤合束器8合束进行外差干涉，并由第一光电探测器8探测接收。
假设激光的本振频率为fo，声光移频器10的移频量为fl，从声光移频器10输出的光束其频率为f0+fl，被测目标物体产生的多普勒频移量为fd，光纤环行器4三端口输出光束频率为f0+fd，本振光与光纤环行器4三端口输出的光束经第二2×1光纤合束器11混频后被第二光电探测器12接收到，此时的频移量为|fd|，从声光移频器10出来的光束与光纤环行器4三端口的出射光束经过第一2×1光纤合束器7混频后被第一光电探测器8接收到，此时的频移量为|fl-fd|。
当激光光束照射运动物体表面被反射，由于物体处于运动状态，根据多普勒效应，反射光较入射光会产生多普勒频移量fd，运动速度为v，激光同物体运动方向之间的夹角为θ，则激光的多普勒频移量为：
Figure BDA0001864233130000061
在光电探测器12处，可以得到|fd|，光电探测器8处可以得到|fl-fd|，并且已知fl的值。根据理论分析，有以下三种情况：
1.若fl+|fd|＝|fl-fd|，则fd为负值；
2.若|fd|-fl＝|fl-fd|，则fd为正值且fd大于fl；
3.若fl-|fd|＝|fl-fd|，则fd为正值且fd小于fl。
对于上述两路探测信号解调分析对比处理即可确定fd，进而求得速度的大小和方向。
另一种只采用外差法的传统速度测量方法，如图2所示，从激光器1产生的频率为fo的激光光束，经过光纤隔离器2后被1×2光纤分束器3分为两束光。其中一束经光纤环行器4接准直器5垂直对准被测物体6，携带运动信息返回准直器5，由于多普勒效应，此时该光束作为信号光，频率为fo+fd；另一束光经声光移频器10后作为参考光，频率为fo+fl。参考光和信号光接2×1光纤合束器混频后到达光电探测器，混频后的光束频率为|fl-fd|。由外差法测得的量是多普勒频移量fd与参考光频移量fl之差即|fl-fd|，从|fl-fd|式中无法得出fd的实际大小，默认多普勒移频量的绝对值小于参考移频量的绝对值即外差法测量量为fl-fd，由此式可知多普勒频移量的取值范围为[-fl,+fl]，对应的速度v的可测量范围为
Figure BDA0001864233130000071
在上述两种测量方法中：只采用传统外差法时，多普勒频移量的测量范围受到参考移频量大小的限制；本发明基于外差法和零差法提出的全光纤多普勒测速方法，可以实现测速范围不受该参考移频量的限制，进而实现对速度的更大范围的测量及判向。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪，包括单模激光器(1)、光纤隔离器(2)、光纤环行器(4)、光纤准直器(5)、声光移频器(10)、第一2×1光纤合束器(7)和第一光电探测器(8)，其特征在于：还包括1×3光纤分束器(3)、1×2光纤分束器(9)、第二2×1光纤合束器(11)和第二光电探测器(12)；所述的单模激光器(1)输出端接光纤隔离器(2)的输入端，光纤隔离器(2)的输出端接1×3光纤分束器(3)的输入端，1×3光纤分束器(3)的第二输出端口与光纤环行器(4)一端口连接，光纤环行器(4)二端口接光纤准直器(5)对准待测运动目标，光纤环行器(4)三端口接1×2光纤分束器(9)，1×2光纤分束器(9)的一个输出端口与1×3光纤分束器(3)的第一输出端口接第二2×1光纤合束器(11)两个输入端，第二2×1光纤合束器(11)输出端接第二光电探测器(12)，1×3光纤分束器(3)的第三输出端口接声光移频器(10)，声光移频器(10)输出端口与1×2光纤分束器(9)另一个输出端口接第一2×1光纤合束器(7)的两个输入端，第一2×1光纤合束器(7)的输出端接第一光电探测器(8)。
2.根据权利要求1所述的一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪，其特征在于：所述的单模激光器(1)输出的连续单频激光由1×3光纤分束器(3)分为3束，1×3光纤分束器(3)第二输出端口的输出光输入至光纤环行器(4)的一端口，并由光纤环行器(4)的二端口输出至光纤准直器(5)，垂直照射到待测运动物体表面，被运动物体反射后，作为信号光携带被测物体的运动信息由光纤环行器(4)的三端口输出并分为两束，其中一束与1×3光纤分束器(3)第一输出端口的本振光进行合束干涉，由第二光电探测器(12)探测接收，另一束与1×3光纤分束器(3)的第三端口经声光移频器(10)移频的参考光进行合束干涉，由第一光电探测器(8)探测接收。
3.根据权利要求1或2所述的一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪，其特征在于：所述的1×3光纤分束器(3)的分光比为1:1:1，所述的1×2光纤分束器(9)的分光比为1:1。
4.根据权利要求1所述的一种无速度上限可辨向的光纤多普勒测速仪的测速方法，其特征在于：1×3光纤分束器(3)第一输出端口输出的本振光与垂直照射运动物体后携运动信息返回的信号光进行零差干涉，得出多普勒移频量的绝对值|fd|，经声光移频器(10)移频的参考光和垂直照射运动物体后携运动信息返回的信号光进行外差干涉，得到声光移频器移频量与多普勒移频量之差的绝对值|fl-fd|，由|fd|得出多普勒频移量的大小，结合|fl-fd|判定方向，进而同时求得速度的大小和方向。
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