基于光学微腔与正负移频技术的多普勒频移测量系统

本发明属于多普勒频移测量设备领域，具体涉及一种基于光学微腔与正负移频技术的多普勒频移测量系统。

背景技术：

1、多普勒效应是指由于观察者和目标之间存在的相对运动而引起的发射波和回波之间的频率变化，这一频率变化就被称为多普勒频移。通过测量多普勒频移的大小与方向，可以进一步计算得出目标相对于观察者的速度大小与方向。因此，多普勒频移的测量在雷达、无线通信、高速铁路、电子速度检测、天体运动等领域有着广泛的研究。

2、随着激光在光学领域的飞速发展，激光测量多普勒频移的方法逐渐成为研究的热点，由于激光具有优异的相干性、良好的方向性等特点，激光多普勒测速仪具有精度高、抗干扰性强、响应速度快等特点并因此广泛应用于各类研究与工程应用中。激光多普勒测速仪主要实现方法分为两大类：相干多普勒频移探测与直接多普勒频移探测。相干多普勒频移探测通过测量出射激光信号与回波激光信号之间的拍频信号进而计算得出多普勒频移信息，但该方法要求出射信号与回波信号间始终保持相干性，并且要求回波信号具有较高强度，因此相干探测方法具有探测距离近等缺点。而随着量子传感技术的兴起，直接探测多普勒频移方法近年来日趋成熟，与传统的相干探测相比，直接探测技术具有测量精度高、探测距离远、空间覆盖范围大、时空分辨率高等优点，也正是因为这些独特的优势，直接探测方法在各个领域都受到了广泛关注。直接探测技术主要的想法就是利用鉴频元件将回波激光信号的频率变化转化为相对应的能量变化来计算得出多普勒频移量并因此诞生了单边缘探测技术、双边缘探测技术等方法。目前，采用法布里珀罗标准具的双边缘探测技术因其测量精度高、频移探测简便等优点逐渐成为主流方法，并且在此基础上衍生出了多种实施方案。然而，法布里珀罗标准具具有温度敏感性高，需要对内部压电陶瓷进行电压控制从而占据一定的体积不便于集成等特点，往往会影响激光多普勒测速仪的测量精度与使用便捷度。光学微腔因其高度集成化、制作成本低等优点，逐步成为研究热点，并且因其具有光频梳的特性，在较宽的频谱上都存在共振峰，所以光学微腔可以作为传统激光多普勒测速仪中鉴频器的良好替代，同时光学微腔制作简易、制作成本低，无需配合其他电压控制器、温度控制器使用，可以很大程度降低激光多普勒频移测速系统的复杂性与成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有激光多普勒测速仪系统中存在的温度敏感性高、不便于集成等问题，并提供一种基于光学微腔与正负移频技术的多普勒频移测量系统。

2、为实现上述发明目的，本发明具体采用的技术方案如下：

3、一种基于光学微腔与正负移频技术的多普勒频移测量系统，其包括双频激光发生装置、光学收发装置、光功率衰减装置、第一光交换机、第二光交换机、光学微腔、光学探测器和光学锁频模块：

4、所述双频激光发生装置，用于生成双频激光脉冲，所述双频激光脉冲为交替生成的单脉冲能量相同的正移频激光脉冲与负移频激光脉冲；

5、所述光学收发装置，用于发射所述双频激光脉冲并收集经探测目标反射的激光回波信号；

6、所述光功率衰减装置，用于衰减所述双频激光脉冲的能量，以使其适配光学锁频模块的光功率输入范围；

7、所述光学微腔，用于对所透过的激光信号的频率变化做出响应，其透过率曲线具有单一极值点且在极值点两侧的曲线满足对称分布，在激光频率等于光学微腔共振峰的中心频率时透过率达到极值；

8、所述第一光交换机内部通过可切换的两条通道控制光功率衰减装置、光学收发装置择一连通光学微腔；所述第二光交换机内部通过可切换的两条通道控制光学微腔择一连通光学探测器和光学锁频模块；整个多普勒频移测量系统通过所述第一光交换机和所述第二光交换机的配合，控制锁频光路与测量光路择一导通；

9、在锁频光路导通时，双频激光发生装置、光功率衰减装置、光学微腔和光学锁频模块之间的光路连通，光学收发装置和光学探测器被屏蔽，双频激光发生装置发射的双频激光脉冲经过光功率衰减装置进行能量衰减并透过光学微腔进入所述光学锁频模块，由光学锁频模块根据接收到的光信号强度反馈控制双频激光发生装置，将双频激光发生装置发射的激光中心频率与光学微腔中心频率锁定为保持一致；

10、在测量光路导通时，双频激光发生装置、光学收发装置、光学微腔和光学探测器之间的光路连通，光功率衰减装置和光学锁频模块被屏蔽，双频激光发生装置发射的双频激光脉冲经过光学收发装置被发射至探测目标，光学收发装置接收的激光回波信号透过光学微腔后由光学探测器进行光子计数，得到正移频回波信号光子数与负移频回波信号光子数，用于反演探测目标的速度。

11、作为优选，所述双频激光发生装置包括可调谐激光器、光学斩波装置、第三光交换机、第一光学移频装置、第二光学移频装置、光功率调节装置、第四光交换机和脉冲放大装置：

12、所述可调谐激光器，用于产生波长可调谐的连续波激光；

13、所述光学斩波装置，用于将所述连续波激光斩波为高斯激光脉冲；

14、所述第三光交换机，用于将所述光学斩波装置择一连通第一光学移频装置和第二光学移频装置；

15、所述第一光学移频装置，用于对激光脉冲进行正向光学移频，生成正移频激光脉冲；

16、所述第二光学移频装置，用于对激光脉冲进行负向光学移频，且移频量大小与所述第一光学移频装置相等，进而生成负移频激光脉冲；

17、所述光功率调节装置，用于调节第二光学移频装置输出的负移频激光脉冲能量大小，使得传输至所述第四光交换机的正移频激光脉冲与负移频激光脉冲能量相等；

18、所述第四光交换机，用于将第一光学移频装置和光功率调节装置择一连通脉冲放大装置，并与所述第三光交换机配合控制光路切换，在每个激光脉冲生成周期内交替输出数量和大小均相等但方向相反的正移频激光脉冲和负移频激光脉冲；

19、所述脉冲放大装置，用于将接收到的正移频激光脉冲或负移频激光脉冲进行能量放大后输出。

20、进一步的，所述双频激光发生装置选用双频高斯激光脉冲发生器，其中可调谐激光器采用连续波调谐激光器，光学斩波装置采用光纤电光调制器，第三光交换机采用1×2双向磁光开关，第一光学移频装置采用+200 mhz移频声光调制器，第二光学移频装置采用-200 mhz移频声光调制器，光功率调节装置采用0-30 db光纤光衰减器，第四光交换机采用2×1双向磁光光开关，脉冲放大装置采用光纤脉冲放大器。

21、作为优选，所述光学收发装置采用光纤准直器与扩束镜的组合。

22、作为优选，所述光功率衰减装置采用电动可调衰减器。

23、作为优选，所述第一光交换机采用2×1机械式光开关，第二光交换机采用1×2机械式光开关。

24、作为优选，所述光学微腔采用微环谐振腔。

25、作为优选，所述光学探测器采用ingaas单光子雪崩二极管。

26、作为优选，所述光学锁频模块采用光学探头和i/o模块的组合，先使用光学探头将第二光交换机输出的光信号转换为电信号并输入到i/o模块，再根据所述电信号生成相应的反馈控制信号并传输至上述双频激光发生装置进行波长调谐，当第二光交换机输出的光信号强度最弱时，停止波长调谐，完成频率锁定。

27、作为优选，还包括数据处理控制模块，用于对系统内其他器件模块进行自动控制，并自动计算探测目标速度；所述数据处理控制模块中执行的控制和计算流程为：首先，通过第一光交换机和第二光交换机配合控制锁频光路导通，由光学锁频模块对双频激光发生装置发射的激光中心频率进行调整，使其锁定至与光学微腔的中心频率保持一致；然后通过第一光交换机和第二光交换机配合控制测量光路导通执行目标探测，并由光学探测器记录正移频回波信号光子数n+与负移频回波信号光子数n-，再结合多普勒频移计算模型(t+/t-)=(n+/n-)，得到激光脉冲经过探测物体反射产生的多普勒频移；其中t+和t-分别为正移频激光脉冲和负移频激光脉冲的激光回波信号在光学微腔中的透过率，由使用洛伦兹曲线拟合得到的吸收型单边透过率曲线计算得到，拟合曲线中的唯一变量为多普勒频移。

28、相对于现有技术而言，本发明的有益效果如下：

29、本发明的多普勒频移测量系统在每产生一定数量的双频激光脉冲后，双频激光发生装置将光信号传输至上述光功率衰减装置进行能量衰减，并经由上述第一光交换机、光学微腔和上述第二光交换机进入上述光学锁频模块，上述光学锁频模块根据双频激光脉冲经过光学微腔后产生的能量变化，计算双频激光发生装置因温度变化产生的频率漂移并输出相应的反馈控制信号对上述可调谐激光器的出射光进行波长调谐，使其中心频率与光学微腔的中心频率重新对准，以便于消除每次测量过程中因温度变化导致的测量误差。

30、本发明的多普勒频移测量系统只使用单通道光学微腔作为鉴频装置，避免了传统激光多普勒测速仪中使用双通道法布里珀罗标准具存在的鉴频器受振动和温度影响引起通道间频率不同步变化的问题，极大程度提高了测量系统的准确性与鲁棒性，同时与单通道的法布里珀罗标准具相比，光学微腔具有体积小、造价低、易集成等优点，为激光多普勒频移测速仪的高度集成化提供可能。

31、本发明的多普勒频移测量系统采用了全光纤器件，并且使用了制造成本低、高度集成化的光学微腔，因此整个系统具有体积小、便携性高、造价低、抗振动能力强等优点，同时由于上述锁频光路的设计，系统具有在大温差的恶劣环境下稳定工作的能力，极大程度提高了系统的鲁棒性。