[發(fā)明專利]一種超高速時(shí)頻傅里葉激光測速方法及系統(tǒng)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011281915.6
• 申請(qǐng)日: 2020-11-17
• 公開（公告）號(hào): CN112485459A
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾和平;王小月;閆明;胡夢云;葛錦蔓;李小軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華東師范大學(xué)重慶研究院;上海朗研光電科技有限公司;華東師范大學(xué);西安空間無線電技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): G01P3/36
• 分類號(hào): G01P3/36;G01P5/26
• 代理公司: 安徽濰達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 34166
• 代理人: 張?zhí)m

1.一種超高速時(shí)頻傅里葉激光測速方法，其特征在于：利用一個(gè)超短脈沖經(jīng)時(shí)頻傅里葉技術(shù)進(jìn)行時(shí)間展寬，被時(shí)間展寬的光脈沖經(jīng)光柵對(duì)實(shí)現(xiàn)光譜展寬，表面鍍有反射膜的一定大小的目標(biāo)物體以一定速度在寬帶光譜中運(yùn)動(dòng)；目標(biāo)物體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)將信號(hào)光s_1按原路返回，并再次通過光柵對(duì)后由光纖環(huán)行器輸出；透過的信號(hào)光s_2和s_3分別通過水平、豎直放置的光柵對(duì)后，由光纖耦合器輸出；信號(hào)光s_1、s_2與s_3均被高速響應(yīng)的光電探測器探測，并輸出高頻電脈沖信號(hào)，三路信號(hào)被示波器記錄；通過計(jì)算信號(hào)光s_1的脈沖序列中單位時(shí)間內(nèi)光脈沖延時(shí)量，可以得到目標(biāo)物體在y方向運(yùn)動(dòng)的速度分量v_y；通過測量信號(hào)光s_2和s_3的脈沖序列中第一個(gè)與最后一個(gè)帶有明顯強(qiáng)度凹陷的信號(hào)脈沖之間凹陷的距離，可以得到目標(biāo)物體分別在x、z方向運(yùn)動(dòng)的速度分量v_x、v_z；結(jié)合目標(biāo)物體的移動(dòng)速度v＝v_xi+v_yj+v_zk以及物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而獲得目標(biāo)物體的加速度a＝Δv/Δt、角速度ω＝dθ/dt以及角加速度α＝Δω/Δt等物理量。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高速時(shí)頻傅里葉激光測速方法，其特征在于：所述的時(shí)頻傅里葉系統(tǒng)，指的是利用群延遲色散元件擴(kuò)展光譜成分；并利用色散傅里葉變換將脈沖的時(shí)間頻譜映射到強(qiáng)度包絡(luò)與頻譜相似的時(shí)間波形；通過光電檢測將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)波形，然后通過實(shí)時(shí)的模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析后，光纖激光器的鎖模單脈沖光譜被映射到示波器上直接顯示的時(shí)間波形中。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高速時(shí)頻傅里葉激光測速方法，其特征在于：所述的光柵對(duì)工作波長1550nm，閃耀角為28.41°，光柵線數(shù)為600line/mm，衍射效率＞70％。激光以Littrow角入射衍射光柵，由于光柵的衍射效應(yīng)，激光中不同頻率的光衍射角度不同，即光束被分成一條連續(xù)的譜線。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高速時(shí)頻傅里葉激光測速方法，其特征在于：所述的一定大小是指該系統(tǒng)能檢測的目標(biāo)大小是根據(jù)光脈沖經(jīng)光柵展寬后并正交的兩路光譜空間范圍來確定的。光脈沖經(jīng)光柵展寬后的光譜在空間中傳播5cm后的譜線寬度約1cm，高度約0.2cm，兩路正交的光譜區(qū)域范圍約為1cm×1cm×0.2cm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高速時(shí)頻傅里葉激光測速方法，其特征在于：所述的一定速度是指該系統(tǒng)能檢測的運(yùn)動(dòng)速度范圍是根據(jù)鎖模脈沖激光器的重復(fù)頻率以及經(jīng)光柵展寬的光譜空間寬度(連續(xù)的譜線寬度)來確定的；重復(fù)頻率為50-MHz(對(duì)應(yīng)20ns)的鎖模脈沖序列，光脈沖經(jīng)光柵展寬后的光譜空間寬度為1cm，該方法可以測量的速度為500km/s。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高速時(shí)頻傅里葉激光測速方法，其特征在于：所述的帶有明顯強(qiáng)度凹陷是指目標(biāo)物體在寬帶光譜中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)遮擋部分激光，從而產(chǎn)生強(qiáng)度凹陷；由于運(yùn)動(dòng)速度很快，運(yùn)動(dòng)過程中相鄰光脈沖之間信號(hào)強(qiáng)度的凹陷較弱，因此在運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)與終點(diǎn)處信號(hào)凹陷最明顯，起點(diǎn)和終點(diǎn)處信號(hào)凹陷的距離d通過測量得到；因此，目標(biāo)物體在x方向運(yùn)動(dòng)的速度分量v_x＝d/((n-1)T)，在z方向運(yùn)動(dòng)的速度分量v_z＝d’/((n-1)T)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高速時(shí)頻傅里葉激光測速方法，其特征在于：所述的單位時(shí)間，指的是一秒鐘內(nèi)發(fā)射n個(gè)光脈沖，則目標(biāo)物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為1/nT。n為脈沖個(gè)數(shù)，T為鎖模光纖激光器發(fā)射的脈沖序列的重復(fù)頻率，即周期T。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高速時(shí)頻傅里葉激光測速方法，其特征在于：所述的光脈沖延時(shí)量指的是第一個(gè)脈沖與第n個(gè)脈沖之間的時(shí)間為nT，但是由于物體在運(yùn)動(dòng)，所以實(shí)際測量的時(shí)間為nT’，那么n個(gè)脈沖后的延時(shí)量就是n(T-T’)，對(duì)應(yīng)的移動(dòng)距離為n(T-T’)×c。因此，目標(biāo)物體在y方向運(yùn)動(dòng)的速度分量v_y＝(n(T-T’)×c)/nT。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高速時(shí)頻傅里葉激光測速方法進(jìn)行測量的系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式如下：系統(tǒng)包括一臺(tái)鎖模光纖激光器、時(shí)頻傅里葉系統(tǒng)、光纖環(huán)行器、光纖耦合器、分束片、二分之一波片、光柵對(duì)、反射鏡、高速運(yùn)動(dòng)物體、光電探測器和示波器。鎖模脈沖激光經(jīng)過經(jīng)時(shí)頻傅里葉系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間展寬后通過光纖環(huán)行器，隨后由耦合器準(zhǔn)直輸出，信號(hào)光經(jīng)分束片分為兩路；兩路信號(hào)光均經(jīng)過二分之一波片后以Littrow角入射光柵對(duì)；由于光柵的衍射效應(yīng)，激光中不同頻率的光衍射角度不同，即光束被分成一條連續(xù)的譜線后再入射下一個(gè)光柵；此時(shí)，水平與豎直放置的光柵對(duì)給目標(biāo)物體提供了一個(gè)三維測量范圍；表面鍍有反射膜的目標(biāo)物體以一定速度在寬帶光譜中運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)物體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)將信號(hào)光s_1按原路返回，并再次通過光柵對(duì)后由光纖環(huán)行器輸出；透過的信號(hào)光s_2和s_3分別通過后面的光柵對(duì)，經(jīng)反射鏡后由光纖耦合器輸出；由光纖環(huán)形器輸出的信號(hào)光s_1以及光纖耦合器輸出的信號(hào)光s_2與s_3分別被探測器響應(yīng)，所產(chǎn)生的電信號(hào)由一臺(tái)示波器記錄并測量。根據(jù)示波器所測量的信號(hào)光s_1、s_2與s_3，計(jì)算起止脈沖個(gè)數(shù)n，以及測量起止脈沖之間強(qiáng)度凹陷的距離d，則可以計(jì)算出目標(biāo)物體的移動(dòng)速度v，以及獲取物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。