CN110133679A - 一种基于单片集成双频激光器的多普勒测速系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单片集成双频激光器的多普勒测速系统，包括：单片集成双频激光器、分束器、光纤环形器、光学收发天线、掺铒光纤放大器、合束器、光电探测器、低通滤波器和信号采集与处理模块；本发明使用单片集成的双频激光器作为光源，体积小，能耗少，可靠性高；信号提取部分由单个光电探测器和一个低通滤波器组成，对光电探测器的带宽要求低，结构简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于单片集成双频激光器的多普勒测速系统，涉及激光测量技术领域。
背景技术
激光多普勒测速技术是利用激光的多普勒效应来对物体速度进行测量的一种技术，因为其具有空间分辨率高、响应速度快、测量精度高、不需要接触测量等优点，获得了巨大的发展与广泛的应用。
激光多普勒测速技术分为单频测速与双频测速两种。单频激光多普勒测速系统采用单频激光器作为光源，单频激光多普勒测速系统具有直流漂移的问题,抗干扰能力差，易受环境扰动的影响，大大限制了其应用前景。双频激光多普勒测速系统采用双频激光器作为光源，能够克服单频激光多普勒测速系统易受测量环境影响的缺点，抗干扰能力强，具有较高的信噪比。
现有技术中能够利用可调谐、相干锁定的双频激光源在短距离和长距离范围内测量出低至26μm/s的速度，该测量方法的灵敏度相比传统方法有所提高，但是其双频激光源采用两个分离的单模分布式反馈半导体激光器，体积庞大，结构复杂，难以维护；其信号提取部分采用两个光电探测器，一个光电探测器用来产生两激光器的拍频信号，另一个光电探测器用来产生两激光器经过多普勒频移后的拍频信号，对光电探测器的带宽要求较高；它还需要通过混频器将两个拍频信号进行混频，才能得到运动物体的多普勒频移，混频器对信号功率要求较高，会对整个系统的测速效果造成影响；同时该系统对信号采集处理仪器的带宽要求较高。
综上所述，现有双频激光器测速装置具有体积庞大、结构复杂、硬件要求高、难以维护、不易应用等缺点。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种基于单片集成双频激光器的多普勒测速系统，其体积小、结构简单、硬件要求低、便于维护、适宜应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于单片集成双频激光器的多普勒测速系统，包括：单片集成双频激光器、分束器、光纤环形器、光学收发天线、掺铒光纤放大器、合束器、光电探测器、低通滤波器和信号采集与处理模块；
单片集成双频激光器，用于产生双频激光信号；
分束器，其输入端和单片集成双频激光器输出端连接，用于将双频激光信号分成第一光束信号和第二光束信号，所述第一光束信号从分束器的第一输出端口输出，所述第二光束信号从分束器的第二输出端口输出，第二光束信号作为参考光；
光纤环形器，光纤环形器的第一端口与分束器的第一输出端口连接，用于接收第一光束信号；光纤环形器的第二端口与光学收发天线连接，用于将第一端口接收的第一光束信号传入光学收发天线以及接收来自光学收发天线传递回来的测量光；光纤环形器的第三端口与掺铒光纤放大器连接，用于将测量光传递至掺铒光纤放大器；
光学收发天线，与光纤环形器第二端口连接，用于接收光纤环形器传来的第一光束信号发射向被测物体以及接收第一光束信号经被测物体反射回的测量光，并将测量光传回光纤环形器；
掺铒光纤放大器，其输入端与光纤环形器的第三端口连接，用于放大测量光；
合束器，合束器的第一输入端口与掺铒光纤放大器的输出端连接，用于接收被放大的测量光，合束器的第二输入端口和分束器的第二输出端口连接，用于接收参考光，合束器用于将被放大的测量光和参考光合成一路合成光信号，并输出至光电探测器；
光电探测器，与合束器的输出端连接，接收合成光信号并转换为多频率成分的交流电信号后输入低通滤波器；
低通滤波器，与光电探测器的输出端连接，提取特定交流电信号后输入信号采集与处理模块；
信号采集与处理模块，对接收的交流电信号进行频率分析，计算所述被测物体的运动速度。
进一步的，所述单片集成双频激光器为单片光子集成的两段式DFB激光器，两个激光器之间设有电隔离区，保证两个DFB能够独立运转。单片光子集成的两段式DFB激光器，其制作过程采用两次金属有机化学气相沉积工艺完成。首先利用金属有机化学气相沉积工艺生长出激光器的一次外延基片，一次外延基片最高层为光栅层。然后利用全息曝光技术、电子束曝光技术或者纳米压印技术分别制作两个DFB激光器的光栅结构，并通过控制光栅结构参数来精确两个DFB激光器的输出频率，从而控制双频激光器的频率差。光栅制作完成后利用金属有机化学气相沉积工艺进行二次外延生长。二次外延生长完成后进行芯片制备的后续工艺，分别是脊波导工艺、隔离区工艺、开窗工艺、减薄和电极工艺，最后在激光器两端面镀增透膜，完成芯片制备。
进一步的，所述的单片集成双频激光器中其中一个DFB激光器与射频信号源连接，所述的射频信号源向与其连接的DFB激光器注入射频信号，射频信号的频率等于两个激光器频率差，或者射频信号的频率等于两个激光器频率差的1/2、1/4、1/8和1/16，射频信号的注入是为了完成两个DFB激光器相位的同步，压窄拍频信号的线宽提高测试精度。
进一步的，单片集成双频激光器中的两个DFB激光器共用同一个波导，两个DFB激光器输出光束频率不同，两个DFB激光器输出光束偏振方向相同。
进一步的，所述特定交流电信号为频率成分与被测物体速度成正比的交流电信号。
本发明单片集成双频激光器将生成的激光束输入所述分束器，得到第一光束信号和第二光束信号；第二光束信号从所述分束器的第二输出端口输出，第二光束信号为参考光；第一光束信号从所述分束器的第一输出端口输出，并从光纤环形器的第一端口输入，再经过光纤环形器的第二端口输出至光学收发天线；经光学收发天线照射于被测物体上并反射回光学收发天线的第一光束信号为测量光，测量光从所述光纤环形器的第二端口输入并从第三端口输出至掺铒光纤放大器，测量光经过放大后与参考光分别输入至合束器中，得到合成光信号；合成光信号经光电探测器转换为多频率成分的交流电信号后输入低通滤波器，将低通滤波器提取得到频率成分与被测物体速度成正比的交流电信号输入至信号采集与处理模块，经数据计算和分析后，得到被测物体的运动速度。
本发明合成光信号的探测与提取由一个光电探测器和低通滤波器完成，从所述低通滤波器提取得到的交流电信号进入所述信号采集与处理模块后，对所述交流电信号进行频率分析，可以计算得到所述被测物体的运动速度。
有益效果：使用单片集成的双频激光器作为光源，体积小，能耗少，可靠性高；信号提取由单个光电探测器和一个低通滤波器实现，对光电探测器的带宽要求低，结构简单，易于实现；信号采集处理部分对硬件的带宽要求低，只需要进行低速的信号处理；同时抗干扰能力强，分辨率更高，可以测量小到μm/s量级的速度，测量结果更精准。
附图说明
图1是本发明实施例提供的结构示意图；
图2是本发明的单片集成双频激光器的结构示意图；
图3是本发明的单片集成双频激光器的光谱图；
图4是本发明的所包含频率成分的原理示意图；
图5是本发明实施例测量不同速度的运动物体时所得到的频谱图；
图6是本发明实施例测量结果的误差分析曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供了:一种基于单片集成双频激光器1的多普勒测速系统，包括：单片集成双频激光器1、分束器2、光纤环形器3、光学收发天线4、掺铒光纤放大器6、合束器7、光电探测器8、低通滤波器9和信号采集与处理模块10；
单片集成双频激光器1，用于产生双频激光信号，所述单片集成双频激光器1为单片光子集成的两段式DFB激光器，两个激光器之间设有电隔离区，保证两个DFB能够独立运转。单片光子集成的两段式DFB激光器，其制作过程采用两次金属有机化学气相沉积工艺完成。首先利用金属有机化学气相沉积工艺生长出激光器的一次外延基片，一次外延基片最高层为光栅层。然后利用全息曝光技术、电子束曝光技术或者纳米压印技术分别制作两个DFB激光器的光栅结构，并通过控制光栅结构参数来精确两个DFB激光器的输出频率，从而控制双频激光器的频率差。光栅制作完成后利用金属有机化学气相沉积工艺进行二次外延生长。二次外延生长完成后进行芯片制备的后续工艺，分别是脊波导工艺、隔离区工艺、开窗工艺、减薄和电极工艺，最后在激光器两端面镀增透膜，完成芯片制备；
单片集成双频激光器中的两个DFB激光器共用同一个波导，两个DFB激光器输出光束频率不同，两个DFB激光器输出光束偏振方向相同；且所述的单片集成双频激光器中其中一个DFB与射频信号源连接，所述的射频信号源向与其连接的一个DFB激光器注入射频信号，以稳定两激光器的频差，获得窄线宽、低相位噪声的拍频信号，使得测速更精准；射频信号的频率等于两个激光器频率差，或者射频信号的频率等于两个激光器频率差的1/2、1/4、1/8、1/16；同时该激光器内部自带隔离器，以确保反射光不会返回激光器造成激光器损伤；
分束器2，其输入端和单片集成双频激光器1输出端连接，用于将双频激光信号分成第一光束信号和第二光束信号，所述第一光束信号从分束器2的第一输出端口输出，所述第二光束信号从分束器2的第二输出端口输出，第二光束信号作为参考光；
光纤环形器3，光纤环形器3的第一端口a与分束器2的第一输出端口连接，用于接收第一光束信号；光纤环形器3的第二端口b与光学收发天线4连接，用于将第一端口接收的第一光束信号传入光学收发天线4以及接收来自光学收发天线4传递回来的测量光；光纤环形器3的第三端口c与掺铒光纤放大器6连接，用于将测量光传递至掺铒光纤放大器6；
光学收发天线4，与光纤环形器3第二端口b连接，用于接收光纤环形器3传来的第一光束信号发射向被测物体5以及接收第一光束信号经被测物体5反射回的测量光，并将测量光传回光纤环形器3，被测物体5沿光线方向匀速运动；光纤环形器3第二端口出射光束的出射方向和光学收发天线4的入射方向在同一直线，光学收发天线4的出射方向与被测物体5在同一直线上，且被测物体5面对光学收发天线4的一侧装有反射镜；
掺铒光纤放大器6，其输入端与光纤环形器3的第三端口c连接，用于放大测量光；
合束器7，合束器7的第一输入端口与掺铒光纤放大器6的输出端连接，用于接收被放大的测量光，合束器7的第二输入端口和分束器2的第二输出端口连接，用于接收参考光，合束器7用于将被放大的测量光和参考光合成一路合成光信号，并输出至光电探测器8；
合成光信号的探测与提取由一个光电探测器8和低通滤波器9构成，光电探测器8与合束器7的输出端连接，接收合成光信号并转化为多频率成分的交流电信号后输入低通滤波器9；低通滤波器9与光电探测器8的输出端连接，提取频率成分与被测物体5速度成正比的交流电信号后输入信号采集与处理模块10；从所述低通滤波器提取得到的交流电信号进入所述信号采集与处理模块10后，对所述交流电信号进行频率分析，可以计算得到所述被测物体5的运动速度。
如图2所示，单片集成双频激光器为单片光子集成的两段式DFB激光器。该激光器两段中一段激光器DFB1输出激光的波长为λ1＝1548.36nm，另一段激光器DFB2输出激光的波长为λ2＝1548.49nm，该激光器的输出光谱如图3所示，且两段激光器输出的光束偏振方向相同；用热电冷却器控制集成在一起的两个DFB激光器工作在25摄氏度；分别给DFB1、DFB2加直流偏置I1、I2(I1＝70mA、I2＝50mA)，同时用微波频率合成器(即射频信号源)给其中一个激光器注入15.42GHz的射频信号RF，调整光纤环形器b端口出射光束的出射方向和光学收发天线的入射方向在同一直线上，并使光学收发天线的出射方向对准被测物体，尽可能保证光束全部通过光学收发天线，射入自由空间，照射在被测物体5上；同时，被测物体5面对激光发射天线的一侧装有反射镜，它由驱动器驱动以产生沿光线方向匀速运动。
分束器2将激光器输出的光分成两路，包括：第一光束信号和第二光束信号，第二光束信号作为参考光，且含有频率成分f1、f2(分别对应于λ1、λ2)；第一光束信号从光纤环形器3的第一端口a输入，第二端口b输出，且含有频率成分f1、f2，两频率的第一光束信号入射到匀速运动的被测物体5上将产生多普勒频移，频移后的光信号频率成分为f1′＝f1±γ1，f′2＝f2±γ2，经被测物体5反射从光学收发天线进入光纤环形器的第二端口b，从第三端口c输出，第一光束信号作为测量光，该测量光再输入掺铒光纤放大器6进行放大作用；参考光和放大后的测量光经合束器7合成一路，进入光电探测器8产生含有多种频率成分的拍频信号，如图4所示，其频率成分包含|f1-f2|，|(f1+γ1)-(f2+γ2)|，2γ1，2γ2，γ1+γ2，γ1，γ2，|γ1-γ2|；将该拍频信号通过低通滤波器，即可获得仅含有单一频率Δγ＝|γ1-γ2|的交流电信号；利用此交流电信号，根据多普勒测速原理，计算出被测物体5的运动速度为其中Δf＝|f1-f2|。
如图5所示，为本实施例测量不同速度的运动物体时所得到的频谱图，本实施例可以精确地测量出小到μm/s量级的速度。
如图6所示，为本实施例测量结果的误差分析曲线图，误差很小，说明该实施例测量精度高，分辨率高。
本发明使用单片集成的双频激光器作为光源，体积小，能耗少，可靠性高；信号提取由单个光电探测器和一个低通滤波器完成，对光电探测器的带宽要求低，结构简单，易于实现；信号采集处理部分对硬件的带宽要求低，只需要进行低速的信号处理；同时抗干扰能力强，分辨率更高，可以测量小到μm/s量级的速度，测量结果更精准。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于单片集成双频激光器的多普勒测速系统，其特征在于，包括：单片集成双频激光器、分束器、光纤环形器、光学收发天线、掺铒光纤放大器、合束器、光电探测器、低通滤波器和信号采集与处理模块；
单片集成双频激光器，用于产生双频激光信号，包括射频接口；
分束器，其输入端和单片集成双频激光器输出端连接，用于将双频激光信号分成第一光束信号和第二光束信号，所述第一光束信号从分束器的第一输出端口输出，所述第二光束信号从分束器的第二输出端口输出，第二光束信号作为参考光；
光纤环形器，光纤环形器的第一端口与分束器的第一输出端口连接，用于接收第一光束信号；光纤环形器的第二端口与光学收发天线连接，用于将第一端口接收的第一光束信号传入光学收发天线以及接收来自光学收发天线传递回来的测量光；光纤环形器的第三端口与掺铒光纤放大器连接，用于将测量光传递至掺铒光纤放大器；
光学收发天线，与光纤环形器第二端口连接，用于接收光纤环形器传来的第一光束信号发射向被测物体以及接收第一光束信号经被测物体反射回的测量光，并将测量光传回光纤环形器；
掺铒光纤放大器，其输入端与光纤环形器的第三端口连接，用于放大测量光；
合束器，合束器的第一输入端口与掺铒光纤放大器的输出端连接，用于接收被放大的测量光，合束器的第二输入端口和分束器的第二输出端口连接，用于接收参考光，合束器用于将被放大的测量光和参考光合成一路合成光信号，并输出至光电探测器；
光电探测器，与合束器的输出端连接，接收合成光信号并转换为多频率成分的交流电信号后输入低通滤波器；
低通滤波器，与光电探测器的输出端连接，提取特定交流电信号后输入信号采集与处理模块；
信号采集与处理模块，对接收的特定交流电信号进行频率分析，计算所述被测物体的运动速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于单片集成双频激光器的多普勒测速系统，其特征在于，所述单片集成双频激光器为单片光子集成的两段式DFB激光器，两个激光器之间设有电隔离区，两个激光器保持独立运转。
3.根据权利要求2所述的一种基于单片集成双频激光器的多普勒测速系统，其特征在于，所述的单片集成双频激光器中其中一个DFB激光器与射频信号源连接，所述的射频信号源向与其连接的DFB激光器注入射频信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于单片集成双频激光器的多普勒测速系统，其特征在于，所述的射频信号的频率等于所述两段式DFB激光器之间频率差的1/2n，n＝[0,4]。
5.根据权利要求2所述的一种基于单片集成双频激光器的多普勒测速系统，其特征在于，所述的单片集成双频激光器中的两个DFB激光器共用同一个波导，两个DFB激光器输出信号频率不同，两个DFB激光器输出光束偏振方向相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于单片集成双频激光器的多普勒测速系统，其特征在于，所述特定交流电信号为频率成分与被测物体速度成正比的交流电信号。
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