具体实施方式

：

实施例1

本实施例，结合图1所示，提供一种激光多普勒测速装置，所述装置包括：依次光纤连接的种子激光器1、第一分束器2、调制器模块3、光纤放大器模块4、环形器模块5和光学天线模块6；第一分束器2与光纤衰减器7、耦合器模块8、平衡光电探测器模块9依次光纤连接；环形器模块5与耦合器模块8光纤连接。平衡光电探测器模块9和信号处理模块10电连接。

其中，信号处理模块10与调制器模块3电连接；信号处理模块10用于对平衡光电探测器模块9发送的信号进行解算得到多普勒频移，并根据多普勒频移计算加载到调制器模块3的射频信号，以声光调制器模块3的频移量。

作为本实施例的优选实施方式之一，调制器模块3包括至少一个调制器，所述调制器可以为声光调制器或电光调制器。

具体地，本实施例，调制器模块3包括至少一个声光调制器。其中，结合图4和图5所示，声光调制器包括入射端光纤、第一透镜30、声光晶体31、第二透镜32和出射端耦合光纤；

第一透镜30与入射端光纤构成第一光纤准直器；第二透镜32与出射端光纤构成耦合系统；声光晶体31分别与第一光纤准直器、耦合系统空间耦合；

第二透镜32用于接收声光晶体31调制后的光束并耦合进入光纤。

本实施例，所述的声光调制器基于声光布拉格衍射原理，如图4所示，入射光矢量k1、声波矢量k2和衍射光矢量k3满足布拉格条件，因此，若改变声波频率以改变声光调制器频移量，则衍射光矢量k3的大小及方向将发生变化。传统声光调制器结构如图5(a)所示，5-1为入射端光纤、31为声光晶体、5-3为出射端耦合光纤；5-4和5-5均为自聚焦透镜或球面透镜。5-1和5-4、5-3和5-5分别构成光纤准直器，用于将光信号准直后入射到声光晶体中，同时将声光晶体中衍射光束耦合到光纤中。传统声光调制器工作在特定声波频率下，k3方向固定，对应衍射光的方向和位置固定，采用光纤准直器耦合的方式可以得到较理想的耦合效率，但若改变声波频率，衍射光的方向和位置均发生变化，必将导致光纤耦合效率急剧下降，甚至无光输出，实测某型号声光调制器功率下降90％对应的调制频率范围为22MHz。因此，声光调制器的调制频率只能在很小的范围内变化，限制了闭环方案的应用。

为了扩大声光调制器的调制频率变化范围，本实施例，提出如图5(b)的改进方案，将5-3、5-5构成的光纤准直器更改为出射端耦合光纤5-3与第二透镜32构成的耦合系统，以提高调制频率变化时的光纤耦合效率。第一透镜30为自聚焦透镜或球面透镜，5-1与30构成光纤准直器。

具体地，本实施例，第二透镜32可以为组合透镜系统，也可以为单一透镜，其输入具有较大的通光口径及数值孔径，输出与光纤的数值孔径及模场相匹配。

进一步地，第二透镜32的通光口径及数值孔径大于第一透镜30，且第二透镜32输出的光斑不大于2倍的光纤模场直径、第二透镜32的数值孔径不大于2倍的光纤数值孔径。

作为本实施例的优选实施方式之一，种子激光器1的激光器功率10～100mW。

作为本实施例的优选实施方式之一，结合图1所示，环形器模块5包括一个环形器、光学天线模块6包括一个光学天线、耦合器模块8包括一个耦合器、平衡光电探测器模块9包括一个平衡光电探测器、光纤放大器模块4包括一个光纤放大器。

种子激光器1、第一分束器2、声光调制器、光纤放大器、环形器、光学天线顺序连接；耦合器输入1端与环形器三端口相连接，光纤衰减器7输入端与第一分束器2另一输出端相连且输出端与耦合器输入2端相连；耦合器两输出端与平衡光电探测器相连，平衡光电探测器与信号处理模块10相连。信号处理模块10与种子激光器1、声光调制器、光纤放大器通过电接口相连，用于供电，当然也可以其他方式进行供电。上述光器件间均通过保偏光纤熔接或使用FC/APC等接头通过法兰对接。

作为本实施例的优选实施方式之一，结合图6所示，所述装置还包括第二分束器和第三分束器；第一分束器2与耦合器模块8之间连接有第三分束器12；环形器模块5包括多个环形器、光学天线模块6包括多个光学天线、耦合器模块8包括多个耦合器、平衡光电探测器模块9包括多个平衡光电探测器；调制器模块3包括多个声光调制器。光纤放大器模块4包括多个光纤放大器。

第一分束器2与每个声光调制器之间连接有第二分束器；每个声光调制器与多个光纤放大器对应连接；多个光纤放大器、多个环形器、多个光学天线依次一一对应连接。多个环形器与多个耦合器、多个平衡光电探测器依次一一对应连接。

此外，若第三分束器连接于第一分束器2光纤衰减器7之间时，所述装置包括多个光纤衰减器7；多个光纤衰减器7与多个耦合器一一对应连接。

作为本实施例的优选实施方式之一，所述的光纤衰减器7可以为任意原理的光功率衰减器或任意分数比的光纤分束器。所述光学天线可以是聚焦工作模式，也可以是准直工作模式。

作为本实施例的优选实施方式之一，光学天线模块6包括一个可以同时发射和接收多个不同视场角激光信号的光学天线；该光学天线与多个环形器连接。

本实施例的工作原理：种子激光器1发出的激光经第一分束器2分成两束光，一束进入声光调制器作为信号光，另一束进入光纤衰减器作为本振光。信号光经声光调制器调制成脉冲信号后进入光纤放大器，经放大后进入环形器，通过环形器二端口进入光学天线，随后被发射到空气中或目标物上。被空气散射或目标反射的信号经光学天线进入环形器，从环形器三端口进入耦合器，并与从光纤衰减器输出的本振光共同进入耦合器，实现光混频。随后混频后的信号经耦合器分成功率相等的两束光分别进入平衡探测器的两个输入端实现外差探测，平衡光电探测器输出的外差信号进入信号处理模块。本实施例，信号处理模块为声光调制器提供调制信号以及反馈控制信号。

实施例2

本实施例，结合图3所示，提供一种激光多普勒测速方法，利用实施例1所述的测量装置，所述测量方法包括以下步骤：

信号处理模块10对平衡光电探测器模块9发送的信号进行解算得到信号频率f1；设定声光调制器的工作频点为f0；则信号处理模块10的反馈量为(f1-f0)*K；

将反馈量作为负反馈信号叠加到声光调制器调制信号上，使声光调制器实际加载的调制信号频率为f0+∑[K×(f0-f1)]；

经多次反馈，至信号处理模块10对平衡光电探测器模块9发送的信号进行解算得到的信号频率接近工作点f0为止；

最终的多普勒频移为各次反馈量的累加值Δf＝∑[K×(f0-f1)]，计算目标的运动速度V，计算公式为其中为λ激光波长。

具体地，本实施例，基于所述的基于激光多普勒测速原理的闭环控制方法：种子激光器功率10～100mW，发出激光经分束比90/10～50/50的分束器，通常功率大的一端作为信号光进入声光调制器模块对信号进行调制，产生一定的频移量f0，频移量大小20MHz～100MHz，信号可调制成脉冲，也可保持连续方式，而后进入光纤放大器；功率小的一端作为本振光进入光纤衰减器经一定幅值衰减后进入50/50耦合器，经光纤放大器光信号进入环形器，而后进入光学天线发射到运动体上。信号光遇到运动体后发生散射，其后向散射信号重新进入光纤天线，并经环形器后进入50/50耦合器。此时，本振光与信号光共同进入50/50耦合器，经耦合器分束后分别进入平衡光电探测器的两个光输入端口，在平衡光电探测器中最终完成外差混频探测，经平衡光电探测器输出的中频信号进入信号采集、处理及驱动电路进行信号处理并输出反馈信号给声光调制器进行闭环控制。

具体闭环控制方法为：设置声光调制器的工作频点为f0，信号处理模块10对平衡光电探测器模块9发送的信号进行解算得到信号频率f1，如图2所示，计算信号的功率谱密度(PSD)，并估计信号的频率f1。则信号处理模块10的反馈量为(f1-f0)×K，K为反馈系数。将该多普勒频移量乘以一定的反馈系数K后作为负反馈信号叠加到声光调制器调制信号上，此时声光调制器实际加载的调制信号频率为f0+∑[K×(f0-f1)]。经过多次反馈，至信号处理模块10对平衡光电探测器模块9发送的信号进行解算得到的信号频率接近工作点f0为止；最终的多普勒频移为各次反馈量的累加值Δf＝∑[K×(f0-f1)]，计算目标的运动速度V，计算公式为其中为λ激光波长。

作为本实施例的优选实施方式之一，反馈系数K取值为0.01-0.5。反馈系数取值较小控制稳定性好，但闭环速度慢，频带窄，反馈系数大闭环速度快，频带高，但稳定性差，有时控制过程容易发散。

设定工作频点可方便的判断出所测量速度的方向，有时考虑去除低频噪声对信号解算的影响以及受限于测量速度范围，工作频点f0取值为20～100MHz。