專利名稱：多點分層型差動激光多普勒測速儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是設(shè)計一種高精度新型激光測速儀，主要用于車載慣性導(dǎo)航，為導(dǎo)航系統(tǒng)
提供精確的速度參數(shù)，屬于激光和精密測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，車載慣導(dǎo)系統(tǒng)中的速度參數(shù)主要是通過兩種方式來獲取。 一種是利用車載 加速度計測量載體相對于參考坐標系的加速度，計算得到載體速度變化量，結(jié)合初始值，得 到載體的速度參數(shù)。另一種是借助于全球定位系統(tǒng)(GPS)獲得載體的速度。這兩種測速方 式都有自身的缺點?，F(xiàn)用的加速度計都是基于測比力的原理，它雖然是自主測試裝置，但 (1)它測量的是運動體的視加速度，而不是絕對加速度，另外還需要通過計算引力場產(chǎn)生的 加速度，才能得到運動體的絕對加速度；(2)由于它是通過質(zhì)量體進行測量的，存在受過載 影響的誤差項；(3)測量的誤差項較多，需要復(fù)雜的計算進行修正。而GPS雖然具有全球 性、全天候、高精度、實時定位系統(tǒng)等優(yōu)點，但(1)它是美國國防部研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航 系統(tǒng)，屬于非自主式的系統(tǒng)，無法裝配于部隊的作戰(zhàn)武器；(2)它的動態(tài)性能和抗干擾能力 較差。 激光多普勒測速儀是基于激光多普勒效應(yīng)，利用運動微粒散射光的多普勒頻移來 獲得速度信息的。激光多普勒測速技術(shù)的研究始于1964年，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，日趨成熟， 同時信號處理技術(shù)、近代激光技術(shù)及微制造技術(shù)的發(fā)展給激光多普勒測速儀的研究提供了 有利條件。激光多普勒測速作為一種新型的速度傳感器，逐漸成為國內(nèi)外速度測量研究的 熱點。 自從1964年Yeh等人證實了可利用激光多普勒頻移技術(shù)來確定流體速度(Y. Yeh， H. Z. Cummings. Localized flow measurements with aHe-Ne laser spectrometer[J]， A卯l， Phys. lett， 176(4) : 176-178 (1964))，激光多普勒測速儀就以其精度高、線性度好、 動態(tài)響應(yīng)快、測量范圍大及非接觸測量等特點在航空、航天、機械、能源等領(lǐng)域得到快速的 發(fā)展。目前美國、英國、丹麥、奧地利等國均有成熟的激光多普勒測速產(chǎn)品。其中美國光動 公司的產(chǎn)品最具有代表性，開發(fā)出MCV-500、2002、3500、4000、5000激光多普勒測量儀等系 列的產(chǎn)品(徐潔蘭，劉艷.美國光動公司的新品首次亮相[J].制造技術(shù)與機床，2007，6， 17 18)，其質(zhì)量均達到ISO標準，可用于位置精度、直線度、轉(zhuǎn)臺精度、速度、加速度和振 動等多方面的測量。日本卡西歐及歐姆龍公司致力于多普勒光纖速度傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用 (Takahiro Ito， Renshi Sawada， and Eiji Higurashi. Integrated Microlaser Doppler Velocimeter[J]. Jo證alof Lightwave Technology, 1999， 17 (1) :30-34.)，如光纖血流 計，可以作高精度血液流速測量，可以測量靜脈、動脈、冠狀血管和皮膚毛細血管的血流速 度，用以診斷心血管疾病。 綜合目前已有激光多普勒測速儀，雙光束差動的類型較多，主要是因為其多普勒 信號與接收方向無關(guān)，探測器的孔徑可以任意增大，而且激光光強的波動只會影響信號的 信噪比，并不會影響測量精度。但是這些產(chǎn)品，其探頭的控制體(兩光束的相交區(qū))較小，測量范圍遠遠不能適應(yīng)車式載體的上下振動和地面高度的起伏等環(huán)境，是不能用于車載慣 性導(dǎo)航系統(tǒng)進行離焦測量的。目前世界上尚未有適用于車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的激光多普勒測 速儀研制成功的相關(guān)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服以往雙光束差動激光多普勒測速儀不能進行離 焦測量的缺點，提出了一種新型的多點分層型差動激光多普勒測速儀，大大增大了系統(tǒng)的 測量景深，使其能夠適應(yīng)車式載體的上下振動和地面高度的起伏等環(huán)境，將整個測速系統(tǒng) 安裝在車式載體上，實時地為車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供精確的速度參數(shù)。 本發(fā)明的基本原理是基于多點分層的思想，將整個測量區(qū)域劃分為若干個小的測 量區(qū)域，每一個測量區(qū)域由一個光學(xué)探頭探測，在垂直于地面的方向上將多個探頭依次分 層分布在車載系統(tǒng)中的不同部位，分別探測各自測量區(qū)域，無論車式載體如何振動、地面如 何凹凸起伏，地表總會位于某一個或多個光學(xué)探頭的測量區(qū)域，最后只需要對所有探頭的 輸出信號進行有效性判別，就可以提取有效的多普勒信號，進而求出車式載體相對于地面 的運動速度。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 傳統(tǒng)的單探頭激光多普勒測速系統(tǒng)主要由光學(xué)模塊和信號采集與處理模塊兩部 分組成。光學(xué)模塊是整個測速儀的核心，分為光發(fā)射系統(tǒng)和光接收系統(tǒng)，其中光發(fā)射系統(tǒng) 由固體激光器、準直鏡、分光棱鏡、光束壓縮鏡、光闌和聚焦透鏡組成；光接收系統(tǒng)由接收透 鏡、窄帶濾光片、針孔光闌和雪崩二極管模塊組成。激光器發(fā)出的一束激光經(jīng)過準直鏡準直 后，被分光棱鏡分成了等強度、等光程的兩束平行光，聚焦透鏡將兩束平行光會聚于地面， 當(dāng)載體運動時，部分散射光被接收透鏡會聚到探測器的光敏面上，輸出信號中包含與載體 運動速度成正比的多普勒頻率項，這樣通過探測多普勒頻率就可推算出車式載體的運動速 度。但是這種傳統(tǒng)的雙光束差動激光多普勒測速儀，其控制體的長度有限，即測量景深為/附=- (1)其中A是激光的波長，^是會聚透鏡的焦距，d是兩光束的間距，K是兩光束的
夾角。當(dāng)?shù)孛嬖谶@個高度范圍內(nèi)，則存在多普勒信號；當(dāng)?shù)孛嬖诓辉谶@個高度范圍內(nèi)，多普 勒信號就會丟失，無法進行速度測量。 針對這一特點，本發(fā)明提出了一種新型多點分層型差動激光多普勒測速儀。由于 通過選擇適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)參數(shù)，單個探頭的測量范圍可以達到厘米量級，甚至幾十厘米，所以可 以利用多個探頭，在垂直于地面的方向上將其依次分層分布在車載系統(tǒng)中的不同部位，即 固定探頭1使其測量范圍為0 lm，固定探頭2使其測量范圍為lm 21m……依此類推，固 定探頭n使其測量范圍為(n-l) lm nlm，這樣無論車式載體如何振動、地面如何凹凸起伏， 地表總會位于某一個或多個探頭的測量區(qū)域，最后只需要對所有探頭的輸出信號進行有效 性判別，就可以提取有效的多普勒信號，進而求出車式載體的運動速度，為 仏 "=， . ""、 (2) 2sm(x72)其中U是車式載體的運動速度，fD是多普勒頻率，K兩束光的夾角。
本發(fā)明的工作原理詳細分析如下 當(dāng)車式載體在平坦的地面上行駛時，由于載體本身的振動，使得地面離各個探頭 的距離不停的變化。若地面處于探頭1的測控體內(nèi)，只有探測器1輸出的信號為有效的多 普勒信號，其他探頭均處于離焦狀態(tài)，輸出的信號無效；若地面處于探頭2的測控體內(nèi)，只 有探測器2輸出的信號為有效的多普勒信號，同樣其他探頭均處于離焦狀態(tài)，輸出的信號 無效……只要對各個探頭輸出的信號實時地進行信號判別，就可以從中選出一組有效的多 普勒信號，對多普勒信號進行譜分析就可以提取出多普勒頻率，從而求出載體的運動速度。
當(dāng)載體在凹凸不平的地面上行駛時，地面上可能有不同的點處于不同探頭的控制 體內(nèi)，所以會有兩個或兩個以上的探頭輸出的多普勒信號有效。同樣對各個探頭輸出的信 號進行信號判別，選出信噪比較高多普勒信號，用于載體速度的測量。 這樣，無論載體如何振動，地面如何顛簸，總會有一組或多組有效的多普勒信號存 在，即這種多點分層型雙光束系統(tǒng)可以有效地進行離焦測量。
本發(fā)明與現(xiàn)有的激光多普勒測速儀相比優(yōu)點在于( — )利用多點分層技術(shù)，保留了雙光束差動激光多普勒測速儀原有的各項優(yōu)點， 并解決了其進行離焦測量的難題。 (二)充分運用高速的信號處理技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)實時測量的功能。本發(fā)明利用對多 個探頭輸出信號的有效性判別，代替自適應(yīng)地控制單個探頭與地面的距離。因為通過機械 裝置來調(diào)整探頭與地面的距離，反應(yīng)時間長，無法滿足車式載體的高速運動，而數(shù)字信號的 處理與判別，響應(yīng)時間短，完全可以適應(yīng)車式載體的高速運動。(三)用單縱模固體激光器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的He-Ne激光器或者半導(dǎo)體激光二極管，使激 光器同時具有線寬窄，功率大及體積小等諸多優(yōu)點，有利于提高多普勒信號的信噪比及空 間分辨率。


圖1為單探頭激光多普勒測速儀的光路結(jié)構(gòu)圖；
圖2為多點分層型差動激光多普勒測速儀的結(jié)構(gòu)圖； 圖中1為單縱模固體激光器，2為光束準直鏡，3為分光棱鏡，4為光束壓縮鏡，5為 光闌，6為聚焦透鏡，7為收集透鏡，8為窄帶濾光片，9為針孔光闌，10為雪崩二極管模塊，11 為光束分束器，12為1號光學(xué)探頭，13為1號雪崩二極管模塊，14為2號光學(xué)探頭，15為2 號雪崩二極管模塊，16為n號光學(xué)探頭，17為n號雪崩二極管模塊，18為地面，19為信號采 集與處理模塊，20為顯示模塊，21為車式載體，v為車式載體的運動速度。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個實施示例作詳細的說明。但不應(yīng)因此限制本發(fā)明的 保護范圍。 多點分層型差動激光多普勒測速系統(tǒng)包含多個光學(xué)探頭，每個探頭內(nèi)部的光路結(jié) 構(gòu)如圖1所示，單縱模固體激光器1發(fā)出的一束波長為532nm，功率為50mW激光，準直鏡2控 制激光束的發(fā)散角，分光棱鏡3將其分成了等強度、等光程的兩束平行光，光束壓縮鏡4壓 縮光束直徑，光闌5去除部分背景光，聚焦透鏡6將兩束平行光會聚于地面，當(dāng)載體運動時，部分散射光被接收透鏡7會聚到雪崩二極管模塊10的光敏面上，其中窄帶濾光片8和針孔 光闌9的作用是去除其它噪聲的干擾。這樣，當(dāng)探頭相對于地面運動時，雪崩二極管模塊10 的輸出信號中就包含與探頭運動速度成正比的多普勒頻率項，通過探測多普勒頻率就可推 算出探頭相對于地面的運動速度。由于兩光束的相交的區(qū)可以近似看成一個橢球，其長度 為lm，即單個探頭的測量范圍為0 lm。為了使測速儀能夠適應(yīng)車式載體的上下振動和地 面高度的起伏等復(fù)雜的環(huán)境，需要解決離焦測量的難題，本發(fā)明提出了多點分層的思想，將 整個測量區(qū)域劃分為若干個小的測量區(qū)域，每一個測量區(qū)域由一個探頭探測，如圖2所示。 在垂直于地面的方向上將多個探頭依次分層分布在車載系統(tǒng)中的不同部位，即固定1號探 頭12，使其測量范圍為0 lm，固定2號探頭14使其測量范圍為lm 21m……依此類推，固 定n號探頭16，使其測量范圍為(n-l)lm nlm，每個的雪崩二極管模塊探測相應(yīng)光學(xué)探頭 的散射光，即1號雪崩二極管模塊13探測1號光學(xué)探頭12的散射光，2號雪崩二極管模塊 15探測2號光學(xué)探頭14的散射光，……，n號雪崩二極管模塊17探測n號光學(xué)探頭16的 散射光。每個雪崩二極管模塊的輸出信號都傳送到信號采集與處理模塊19，由它來處理所 采集的信號，并根據(jù)信號的幅度與閾值的大小關(guān)系判斷哪個光學(xué)探頭的信號是有效的，最 后根據(jù)有效多普勒信號的頻率求得車式載體的運動速度，由顯示模塊20將結(jié)果顯示出來。 這樣無論車式載體21如何振動、地面18如何凹凸起伏，地表總會位于某一個或多個光學(xué)探 頭的測量區(qū)域，最后只需要對所有探頭的輸出信號進行有效性判別，就可以提取有效的多 普勒信號，然后通過快速傅立葉變換的方法從有效信號中提取多普勒頻率，進而求出車式 載體21的運動速度。
權(quán)利要求
一種多點分層型差動激光多普勒測速儀，其特征在于利用多點分層技術(shù)，將整個測量區(qū)域劃分為若干個小的測量區(qū)域，每一個測量區(qū)域由一個光學(xué)探頭探測，在保留差動激光多普勒測速儀諸多優(yōu)點的同時，實現(xiàn)離焦測量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層型差動激光多普勒測速儀，其特征在于由光學(xué)模塊和信 號采集與處理模塊兩部分組成，其中光學(xué)模塊含有多個光學(xué)探頭，每個光學(xué)探頭都是雙光 束差動模式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的分層型差動激光多普勒測速儀，其特征在于車式載體的 運動速度與多普勒頻率之間的關(guān)系為2sin(/f/2)其中U是車式載體的運動速度，fD是多普勒頻率，K兩束光的夾角。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層型差動激光多普勒測速儀，其特征在于信號處理是在頻 域內(nèi)基于快速傅立葉變換，根據(jù)峰值譜對應(yīng)的數(shù)字頻率值求得多普勒頻率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的分層型差動激光多普勒測速儀，其特征在于用單縱模固 體激光器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的He-Ne激光器或者半導(dǎo)體激光二極管，使激光器同時具有 線寬窄，功 率大及體積小等諸多優(yōu)點，有利于提高多普勒信號的信噪比及空間分辨率。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的分層型差動激光多普勒測速儀，其特征在于利用對多個 探頭輸出信號的有效性判別，代替自適應(yīng)地控制單個探頭與地面的距離，大大減小響應(yīng)時 間，足以適應(yīng)車式載體的高速運動。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層型差動激光多普勒測速儀，其特征在于將整個測速系統(tǒng) 裝置在車式載體上，以大地為參考物，為車載自主慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供精確的速度參數(shù)。
全文摘要
多點分層型差動激光多普勒測速儀屬于激光和精密測量技術(shù)領(lǐng)域，由光學(xué)模塊和信號采集與處理模塊兩部分組成。所述的光學(xué)模塊含有多個光學(xué)探頭，每個光學(xué)探頭都是雙光束差動模式。將整個光學(xué)系統(tǒng)裝置在車式自主慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，在垂直于地面的方向上將多個探頭依次分層分布在車載系統(tǒng)中的不同部位，分別探測各自測量區(qū)域，無論車式載體如何振動、地面如何凹凸起伏，地表總會位于某一個或多個光學(xué)探頭的測量區(qū)域，對所有探頭的輸出信號進行有效性判別，就可以提取有效的多普勒信號，通過快速傅立葉變換的方法從有效的多普勒信號中提取多普勒頻率，進而求出車式載體的運動速度。本發(fā)明多點分層型差動激光多普勒測速儀是利用多點分層技術(shù)，將整個測量區(qū)域劃分為若干個小的測量區(qū)域，每一個測量區(qū)域由一個光學(xué)探頭探測，在保留差動激光多普勒測速儀諸多優(yōu)點的同時，實現(xiàn)離焦測量，具有精度高、線性度好、動態(tài)響應(yīng)快、測量范圍大及非接觸測量等特點。
文檔編號G01S17/58GK101788565SQ20101906002
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月1日
發(fā)明者周健, 魏國, 龍興武 申請人:龍興武;周健;魏國