用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪

1.本实用新型涉及激光多普勒速度测量技术领域，具体是一种用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪。


背景技术：

2.精确的速度信息对于运动物体的定位导航是必不可少的。里程计、加速计和卫星定位系统是常用的速度测量设备，但里程计和加速计在测量中较多的误差来源，导致其精度欠佳；而卫星定位系统在城市等应用场景下，信号容易被干扰和遮蔽。当前，激光多普勒测速仪已被广泛安装在车辆载体上用于速度测量，其提供的高精度速度信息，极大的提高了车辆的导航定位精度。
3.当下的激光多普勒测速仪基本采用工作在连续模式的激光器作为测量光源，连续式的激光光源通常功率较低，外加传播过程中大气吸收和衰减等影响，致使激光多普勒测速仪的工作距离被大大限制。虽然可以对光学天线进行设计来改变光束聚焦点的位置，实现拓展工作距离的目标，受限于光学系统的衍射，通过这种方式拓展的工作距离也是有限的。
4.当前无人机等低空飞行器技术迅猛发展，其导航定位技术也受到了越来越多的关注，若能将激光多普勒测速仪部署在低空飞行器上，对于提升其定位精度是大有裨益的。但是这些飞行器的飞行高度通常在百米及公里量级，远超过目前激光多普勒测速仪的工作距离，因此还无法将激光多普勒测速仪用在低空飞行载体的速度测量应用中。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中的不足，本实用新型提供一种用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪，该激光多普勒测速仪能够输出极低重频长脉宽的激光进行测量。
6.为实现上述目的，本实用新型提供一种用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪，包括：
7.单频种子激光器，用于输出连续激光；
8.分光器，位于所述单频种子激光器的输出光路上，用于将所述连续激光分为功率不同的参考光束与测量光束；
9.声光调制器，位于所述测量光束的光路上，用于将所述测量光束调制成脉冲测量光；
10.功率放大器，位于所述脉冲测量光的光路上，用于放大所述脉冲测量光的功率；
11.光学天线，位于所述功率放大器的输出光路上，用于输出所述脉冲测量光，并接收所述脉冲测量光的散射光；
12.光电探测器，位于所述参考光束、所述散射光的光路上，用于将所述参考光束与所述散射光的干涉光信号转化为电信号；
13.信号处理系统，与所述光电探测器电连接，用于对所述电信号进行采样并转化为数字信号，再从所述数字信号中提取与速度相关的多普勒频率信息。
14.脉冲式激光多普勒测速仪还包括光环形器，所述光环形器上具有第一端口、第二端口与第三端口；
15.所述第一端口与所述功率放大器的输出端通过光纤相连，所述第二端口与所述光学天线通过光纤相连，所述第三端口与所述光电探测器通过光纤相连。
16.本实用新型的工作过程为：
17.单频种子激光器发出的连续激光被分光器分为功率不同的两束激光；其中一束直接照射至光电探测器光敏面上，作为参考光束，另一束经过声光调制器的调制成重复频率在10～100hz之间，脉冲宽度在10～20μs之间的脉冲，变成脉冲光后，经过功率放大器的功率放大，再经过光学天线后输出，作为测量光束；脉冲测量光在传播过程中被遇到的硬目标(如地面)散射，散射光后向传播进入光学天线，经由环形器进而传输至光电探测器光敏面，与参考光束发生干涉；光电探测器将干涉的光信号转化为电信号，信号处理系统对该电信号进行采样，转化为数字信号，然后经过数据处理从中提取与速度相关的多普勒频率信息。
18.在其中一个实施例，所述单频种子激光器的线宽小于15khz、波长为1550nm或532nm。
19.在其中一个实施例，所述参考光束的功率为1～2mw。
20.在其中一个实施例，当测速仪采用全光纤结构时，所述功率放大器为光纤激光放大器；
21.当测速仪采用空间光路结构时，所述功率放大器为平面波导激光放大器或板条激光放大器等。
22.在其中一个实施例，经过所述功率放大器后，所述脉冲测量光单脉冲的能量为1～2mj、峰值功率为50～100w。
23.在其中一个实施例，所述光学天线为收发一体式天线或收发分离式天线。收发一体式的光学天线可用聚焦式的镜头或准直式的镜头；收发分离式的光学天线当中的发射天线可用聚焦式的镜头或准直式的镜头，接收天线通常使用准直式的镜头。
24.在其中一个实施例，所述光电探测器为单个雪崩二极管或平衡探测器等高灵敏度探测器。
25.与现有技术相比，本实用新型的具有如下有益技术效果：
26.1、本实用新型可以实现将激光多普勒测速仪安装在低空飞行器上进行飞行器自身的速度高精度测量，用于飞行器的导航定位；
27.2、在常规的脉冲式测量系统中都存在一个最大不模糊距离的约束，其代表了分辨出返回的信号是来自第一个发射脉冲还是另外一个发射脉冲的能力，该距离由系统的脉冲重复频率决定，而对于本实用新型中的激光多普勒测速仪来说，不需要区别信号来自哪个脉冲的散射，其只要从返回的光信号中提取速度信息即可，所以本本实用新型中的脉冲式激光多普勒测速仪不用考虑最大不模糊距离的限制；
28.3、本实用新型中的信号处理系统可采取探测到回波信号即可进行采集和提取多普勒频率信息，不需要对采集的回波信号在时域上进行距离门划分等操作；另外本实用新型中的激光多普勒测速仪利用的是硬目标散射信号进行速度测量，信噪比高，故不需要对
脉冲进行叠加来提高信号的信噪比；同时本实用新型采用μs量级的长脉冲进行探测，降低了对信号处理系统中采集卡的采集频率要求，还可以保证在一个脉冲内采集到足够多的数据点用于后续数据处理，提高速度反演的精度。以上三点大大简化的数据处理的过程，有利于降低系统的硬件要求和复杂度；
29.4、本实用新型相较现有的激光多普勒测速仪最大的改进在于：由于使用了脉冲激光作为测量光，配合光学天线对测量光束的变换，可以在百米量级至公里量级的距离上对速度进行测量，极大拓展激光多普勒测速仪的工作范围，使激光多普勒测速仪应用在无人机等的低空飞行载体上成为可能，进而利用激光多普勒测速仪提供的高精度速度信息，来提高低空飞行载体的导航定位精度。
附图说明
30.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
31.图1为本实用新型实施例中脉冲式激光多普勒测速仪的总体结构框架图；
32.图2为本实用新型实施例中脉冲式激光多普勒测速仪安装到低空飞行器上后的示意图。
33.附图标号：单频种子激光器1、光纤分光耦合器2、声光调制器3、光纤放大器4、环形器5、收发一体准直式光学天线6、平衡探测器7、信号处理系统8。
34.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
35.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
36.另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
37.为本实施例公开了一种用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪，主要用于无人机等低空飞行载体的测速，以及配合低空飞行载体上的惯导器件完成飞行器的导航定位。
38.参考图1，本实施例中测速仪具体为全光纤结构的极低重频长脉冲式激光多普勒测速仪，包括单频种子激光器1、光纤分光耦合器2、声光调制器3、光纤放大器4、环形器5、收发一体准直式光学天线6、平衡探测器7与信号处理系统8。
39.单频种子激光器1发出的连续激光通过光纤分光耦合器2后，被分成两束功率不同的激光；一束经耦合器达到平衡探测器7表面，作为系统的参考光束，另一束首先经声光调制器3的调制后，最后经过环形器5、光学天线6输出，作为测量光束；测量光束在空气中传播
遇到硬质目标散射，后向散射光沿原路径反向传播进入光学天线6，经由单向传输的环形器5到达平衡探测器，与前述参考光束发生干涉；干涉光信号由平衡探测器7转换为电信号，经过信号处理系统8即可提取出速度信息。
40.在图1所示的实施例中，单频种子激光器1的激光线宽较窄，通常《15khz，以保证系统输出的测量光束具有较长的相干长度，激光波长λ为1550nm；经光纤分光耦合器分束得到的参考光束功率为1mw本实施例中；经声光调制器调制，分光耦合器分束得到的另一束光被调制成为重频100hz、脉宽10μs的脉冲光；经声光调制器调制得到的脉冲光，通过光纤放大器4的放大，单脉冲能量增大至1mj，此时脉冲的峰值功率为100w；光学天线体制为收发一体准直式。
41.本实施例中，信号处理系统中的采集卡速率为100mhz，在单脉冲持续时间内的回波电信号中，可以采集1000个数据点，频谱分辨率δf＝0.1mhz。如图2所示，为脉冲式激光多普勒测速仪安装在飞行器上的示意图，脉冲式激光多普勒测速仪9经过稳定云台10与无人机11固定，安装角度在飞行过程中由稳定云台10保持稳定，高精度三轴陀螺仪12用于测量无人机姿态变化，进而获取光束与地面之间夹角θ变化情况，对速度解算做出修正；假设光束与地面的夹角θ为60
°
，利用载体速度分辨率δv与激光载波的多普勒频移分辨率δf之间的关系δf＝(2δvcosθ)/λ，即能解算得到的速度分辨率δv＝δf
·
λ/2cosθ＝0.155m/s。
42.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪，其特征在于，包括：单频种子激光器，用于输出连续激光；分光器，位于所述单频种子激光器的输出光路上，用于将所述连续激光分为功率不同的参考光束与测量光束；声光调制器，位于所述测量光束的光路上，用于将所述测量光束调制成脉冲测量光；功率放大器，位于所述脉冲测量光的光路上，用于放大所述脉冲测量光的功率；光学天线，位于所述功率放大器的输出光路上，用于输出所述脉冲测量光，并接收所述脉冲测量光的散射光；光电探测器，位于所述参考光束、所述散射光的光路上，用于将所述参考光束与所述散射光的干涉光信号转化为电信号；信号处理系统，与所述光电探测器电连接，用于对所述电信号进行采样并转化为数字信号，再从所述数字信号中提取与速度相关的多普勒频率信息。2.根据权利要求1所述的用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪，其特征在于，还包括光环形器，所述光环形器上具有第一端口、第二端口与第三端口；所述第一端口与所述功率放大器的输出端通过光纤相连，所述第二端口与所述光学天线通过光纤相连，所述第三端口与所述光电探测器通过光纤相连。3.根据权利要求1所述的用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪，其特征在于，所述脉冲测量光的重复频率为10～100hz、脉冲宽度为10～20μs。4.根据权利要求1至3任一项所述的用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪，其特征在于，所述单频种子激光器的线宽小于15khz、波长为1550nm或532nm。5.根据权利要求1至3任一项所述的用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪，其特征在于，所述参考光束的功率为1～2mw。6.根据权利要求1至3任一项所述的用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪，其特征在于，当测速仪采用全光纤结构时，所述功率放大器为光纤激光放大器；当测速仪采用空间光路结构时，所述功率放大器为平面波导激光放大器或板条激光放大器。7.根据权利要求1至3任一项所述的用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪，其特征在于，经过所述功率放大器后，所述脉冲测量光单脉冲的能量为1～2mj、峰值功率为50～100w。8.根据权利要求1至3任一项所述的用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪，其特征在于，所述光学天线为收发一体式天线或收发分离式天线。9.根据权利要求1至3任一项所述的用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪，其特征在于，所述光电探测器为单个雪崩二极管或平衡探测器。

技术总结
本实用新型公开了一种用于低空飞行载体速度测量的脉冲式激光多普勒测速仪，包括连续单频种子激光器；分光器，用于将连续种子激光分为参考光与测量光；声光调制器，用于将测量光调制成脉冲光；功率放大器，用于放大脉冲测量光的功率；光学天线，用于输出脉冲测量光，并接收脉冲测量光的散射光；光电探测器，用于将干涉光信号转化为电信号；信号处理系统，用于将电信号转化为数字信号，再从数字信号中提取与速度相关的多普勒频率信息。本实用新型应用于激光多普勒速度测量领域，相较现有的激光多普勒测速仪，工作距离可达百米及公里量级，可安装在低空飞行器上进行飞行器自身速度的高精度测量，系统硬件要求低，且不用考虑最大不模糊距离的限制。模糊距离的限制。模糊距离的限制。


技术研发人员：周健 陈兰剑 聂晓明 王琦 金世龙 黄荣 席崇宾 向志毅
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/28