本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种基于光电振荡的高精度多普勒测速系统。一种基于光电振荡的多普勒测速系统，所述光路部分包括激光器、耦合器一、偏振控制器、环形器、光纤透镜耦合器、强度调制器、第一掺饵光纤耦合器、第二掺饵光纤耦合器、耦合器二，所述的电路部分包括光电探测器、功分器、频谱仪、电脑处理器，经过耦合器二合成的光信号输出并进入光电探测器，所述的光电探测器将带有速度信息的光信号转变为微波信号，微波信号进入功分器并通过功分器将微波信号作为测试信号输入到频谱仪中，频谱仪将信号上传至电脑处理器，电脑处理器通过数据处理，实现待测数据的计算、存储、显示。本系统结构紧凑简单、稳定可靠。
1.一种基于光电振荡的多普勒测速系统，包括光路部分和电路部分，其特征在于，所述光路部分包括激光器(1)、耦合器一(3)、偏振控制器(2)、环形器(4)、光纤透镜耦合器(5)、强度调制器(7)、第一掺铒光纤耦合器(8)、第二掺铒光纤耦合器(9)、耦合器二(10)；
所述的激光器(1)输出偏振光进入耦合器一(3)中，经过耦合器一(3)将光信号分为两路，其中一路光信号通过第一端口进入环形器(4)，经过环形器(4)的第二端口连接光纤透镜耦合器(5)用于测试待测物体(6)的速度，在获得返回光信号后从环形器(4)的第三端口输出后进入到第一掺铒光纤(8)中进行放大，经放大的光信号输出进入耦合器二(10)中；第二路光信号则由偏振控制器(2)进入强度调制器(7)中，输出的光信号经第二掺铒光纤放大器(9)放大输出之后进入耦合器二(10)中；两路光信号经过耦合器二(10)合成的光信号输出并进入电路部分；
所述的电路部分包括光电探测器(11)、功分器(12)、频谱仪(13)、电脑处理器(14)，经过耦合器二(10)合成的光信号输出并进入光电探测器(11)，所述的光电探测器(11)将带有速度信息的光信号转变为微波信号，微波信号进入功分器(12)并通过功分器(12)将微波信号均分为两路，一路返回输入到强度调制器(7)的微波输入端口，另一路作为测试信号输入到频谱仪(13)中，频谱仪(13)将信号上传至电脑处理器(14)，电脑处理器(14)通过数据处理，实现待测数据的计算、存储、显示。
2.根据权利要求1所述基于光电振荡的多普勒测速系统，其特征在于，所述的耦合器一(3)的分光比为80比20，所述耦合器一(3)的80％的分端口与环形器(4)的第一端口连接，耦合器一(3)的20％的分端口与偏振控制器(2)的输入端口相连接。
3.根据权利要求1所述基于光电振荡的多普勒测速系统，其特征在于，所述激光器(1)为光纤激光器或者是半导体激光器。
4.根据权利要求1所述基于光电振荡的多普勒测速系统，其特征在于，所述耦合器二(10)的分光比为50比50。
5.根据权利要求1所述基于光电振荡的多普勒测速系统，其特征在于，所述的强度调制器(7)是铌酸锂(LiNbO3)材质的光电调制器，其工作波长与激光器(1)的波长相匹配。
6.根据权利要求1所述基于光电振荡的多普勒测速系统，其特征在于，所述功分器(12)的分光比为50比50，分端口一通过高频电缆连接到强度调制器(7)的微波调制输入端口，功分器的分端口二通过高频电缆连接到频谱仪(13)上。
一种基于光电振荡的多普勒测速系统
技术领域
[0001] 本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种基于光电振荡的高精度多普勒测速系统。
背景技术
[0002] 对于固体、流体的速度的测量，可以通过多种方式来实现，多普勒频移的测量方式是非接触式测量的较优方式，广泛应用在流体测量、航空航天等诸多领域，更高精度的速度测量无论是在军事还是民用领域都具有广阔的应用前景。由于之前的多普勒速度测量有依赖反射镜和棱镜等空间光信号处理实现物理量的测量的，但是使用了空间光路结构，稳定较差，同时结构复杂，往往设备比较笨重；也有基于全光纤的光频率调制多普勒测速结构，虽然存在结构上的创新，但是系统的稳定性、重复性、精度等实用性能并不好。
发明内容
[0003] 本发明的目的是针对现有技术中存在的问题提供一种基于光电振荡的多普勒测速系统，该系统基于高性能激光源，具有较高的性能指标，可以实现高精度的实时参量测量。
[0004] 本发明提供的技术方案是：
[0005] 一种基于光电振荡的多普勒测速系统，包括光路部分和电路部分，所述光路部分包括激光器、耦合器一、偏振控制器、环形器、光纤透镜耦合器、强度调制器、第一掺铒光纤耦合器、第二掺铒光纤耦合器、耦合器二；
[0006] 所述的激光器输出偏振光进入耦合器一中，经过耦合器一将光信号分为两路，其中一路光信号通过第一端口进入环形器，经过环形器的第二端口连接光纤透镜耦合器用于测试待测物体的速度，在获得返回光信号后从环形器(4)的第三端口输出后进入到第一掺铒光纤中进行放大，经放大的光信号输出进入耦合器二中；第二路光信号则由偏振控制器进入强度调制器中，输出的光信号经第二掺铒光纤放大器放大输出之后进入耦合器二中；两路光信号经过耦合器二合成的光信号输出并进入电路部分；
[0007] 所述的电路部分包括光电探测器、功分器、频谱仪、电脑处理器，经过耦合器二合成的光信号输出并进入光电探测器，所述的光电探测器将带有速度信息的光信号转变为微波信号，微波信号进入功分器并通过功分器将微波信号均分为两路，一路返回输入到强度调制器的微波输入端口，另一路作为测试信号输入到频谱仪中，频谱仪将信号上传至电脑处理器，电脑处理器通过数据处理，实现待测数据的计算、存储、显示。
[0008] 具体的，所述的耦合器一的分光比为80比20，所述耦合器一的80％的分端口与环形器的第一端口连接，耦合器一的20％的分端口与偏振控制器的输入端口相连接。
[0009] 优选的，所述激光器为光纤激光器或者是半导体激光器。
[0010] 具体的，所述耦合器二的分光比为50比50。
[0011] 具体的，所述的强度调制器是铌酸锂(LiNbO3)材质的光电调制器，其工作波长与激光器的波长相匹配。
[0012] 具体的，所述功分器的分光比为50比50，分端口一通过高频电缆连接到强度调制器的微波调制输入端口，功分器的分端口二通过高频电缆连接到频谱仪上。
[0013] 本发明具体原理如下所述
[0014] 一束Ein(t)的激光输入进强度调制器中，其中光信号可表示如下[0015] Ein1(t)＝E0exp(jωct) (1)
[0016]
[0017] 加载在强度调制器上的电压信号为刚开始两路光的拍频信号，表示为ν0(t)[0018]
[0019] 强度调制器上加载的射频微波信号将作用于一路光信号上，使得相应光路上的激光相位增加φ0(t)，
[0020]
[0021] 则可调谐标准激光通过光强度调制器后的输出光学函数为Eout(t)，[0022]
[0023]
[0024] ωRFO＝ω4/4
[0025] ωRF0＝2V/λ (7)
[0026] 如公式(5)所示，经过强度调制器的载波光信号，由于光电作用产生了n倍的边带，再和第一路光信号产生拍频，有拍频原理可知，返回强度调制器中，形成稳定光电振荡，由于光电探测器的相应频率的限制，在拍频中滤去和频项及二倍频项，紧保留差频项，因此可以得到n倍的ωRF0信号，另一路光信号由光电探测器接收，并输入进频谱仪中，观测差频信号。
[0027] 在多普勒移频系统中，一般都可以观查到一倍频信号，本发明提供的多普勒测速系统基于光电振荡原理，可以实现高倍频微波信号输出，将测量精度提高了4倍，本系统中可以设计电路采集和处理单元，空间探测采用了光纤透镜耦合器，改变传统空间光传输结构，系统使用方便，结构紧凑简单、稳定可靠。可以获得高精度的测量结果。
附图说明
[0028] 图1是本发明多普勒测速系统结构图；
[0029] 图2是待测物体在速度1时频谱仪的4倍频谱图；
[0030] 图3是待测物体在速度2时频谱仪的4倍频谱图；
[0031] 图4是待测物体在速度3时频谱仪的4倍频谱图。
[0032] 1激光器 2偏振控制器 3耦合器一 4环形器 5光纤透镜耦合器 6待测物体 7强度调制器 8第一掺铒光纤放大器 9第二掺铒光纤放大器 10耦合器二 11光电探测器 12功分器 13频谱仪 14电脑。
具体实施方式
[0033] 如图1所示为一种基于光电振荡的多普勒测速系统的结构示意图，包括光路部分和电路部分，所述光路部分包括激光器1、耦合器一3、偏振控制器2、环形器4、光纤透镜耦合器5、强度调制器7、第一掺铒光纤耦合器8、第二掺铒光纤耦合器9、耦合器二10,激光器1为光纤激光器；所述的电路部分包括光电探测器11、功分器12、频谱仪13、电脑处理器14。分光比为80比20耦合器一3的输入端与光纤激光器1连接，80％的分端口连接环形器4的第一端口，20％的分端口连接偏振控制器2的输入端，偏振控制器2的输出端连接强度调制器7；环形器4的第二端口连接光纤透镜耦合器5用于测试待测物体6的速度，环形器4的第三端口连接第一掺铒光纤放大器8；强度调制器7的输出端连接第二掺铒光纤放大器9，第一掺铒光纤放大器8和第二掺铒光纤放大器9的输出端等功率的输入进50比50耦合器二10的两个分端口，耦合器二10的合束端连接到光电探测器11的光输入端；光电探测器11的电输出端口连接50比50微波功分器12的公共端口，功分器12的一个分端口通过高频电缆连接到强度调制器7的微波调制输入端口，功分器的另一个分端口通过高频电缆连接到频谱仪13上，频谱仪与电脑连接，实现数据通信。
[0034] 所述的激光器1输出偏振光进入耦合器一3中，经过耦合器一3将光信号分为两路，其中一路光信号通过第一端口进入环形器4，经过环形器4的第二端口连接光纤透镜耦合器5用于测试待测物体6的速度，在获得返回光信号后从环形器4的第三端口输出后进入到第一掺铒光纤8中进行放大，经放大的光信号输出进入耦合器二10中；第二路光信号则由偏振控制器2进入强度调制器7中，输出的光信号经第二掺铒光纤放大器9放大输出之后进入耦合器二10中；两路光信号经过耦合器二10合成的光信号输出并进入电路部分,所述的耦合器一3的分光比为80比20，所述耦合器一3的80％的分端口与环形器4的第一端口连接，耦合器一3的20％的分端口与偏振控制器2的输入端口相连接；
[0035] 经过耦合器二10合成的光信号输出并进入光电探测器11，所述的光电探测器11将带有速度信息的光信号转变为微波信号，微波信号进入功分器12并通过功分器12将微波信号均分为两路，一路返回输入到强度调制器7的微波输入端口，另一路作为测试信号输入到频谱仪13中，频谱仪13将信号上传至电脑处理器14，电脑处理器14通过数据处理，实现待测数据的计算、存储、显示,所述功分器12的分光比为50比50，分端口一通过高频电缆连接到强度调制器7的微波调制输入端口，功分器的分端口二通过高频电缆连接到频谱仪13上。
[0036] 由于涉及到空间光耦合，从环形器4的第三端口输出的信号光功率比较微弱，系统中添加了第一掺铒光纤放大器8，对信号光进行合理放大，同样，第二光路中的强度调制器7输出的光信号由于系统中器件的衰减作用，偏振光通过第二掺铒光纤放大器9将光信号放大到等同于第一光路输出的光功率的值，两路光在耦合器二10处耦合输出，将拍频信号输入到光电探测器11进行微波转换。
[0037] 系统在工作中，第一路光Ein2(t)和第二路光Ein1(t)经过耦合器二10耦合后进入光电探测器11，经过光电探测器11微波转换为频率为ωRF0的信号，ωRF0信号输入进强度调制器7，对光进行强度调制，获得n倍的ωRF0信号和第一光路信号耦合后，获得稳定的4倍频微波信号。
[0038] 最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
