脉冲式半导体激光测速仪的研究

    0　引　言

    脉冲激光测速仪的基本过程是通过测量接收和发射之间的距离及时间来间接计算出平均速度。为了准确地产生发射和接收激光脉冲基准,要求激光发射脉冲尽可能窄。目前激光脉冲宽度可做到10~20ns。国内半导体脉冲激光器产品能够满足中、近距离的测速仪的要求[1]。

    我国激光测速仪是从20世纪90年代初发展起来的,现主要有三方面的应用。

    (1)应用于各个行业。如内燃机、航天发动机、搅拌机等各种流动场合测量速度。采用连续激光多卜勒频移测速法测量速度。

    (2)应用于军事方面。用于各种激光雷达,可对目标的距离、速度、回波分布等做多向动态测量和数据分析,并可辨别其类型(如导弹、飞机、卡车等)。

    (3)应用于交通管理方面。用于各种汽车速度的测量,多采用连续激光多卜勒频移测速法。

    国产脉冲激光测速仪在作用距离、测量精度、成本等方面存在一些不足,而且用于道路管理工作中的激光测速仪约1000美元。

    1　脉冲式半导体激光测速仪原理

    由于大气的不均匀和非稳态特性,在工程上常把光束路径上大气的折射率用平均值-n来近似表示[2]。

    于是:

    式中,R为目标距离,C为真空中的光速(2·998×108m/s)。假定时钟是用振荡频率为f(每秒产生f个电脉冲)的时标振荡器统计脉冲个数来计时,则有:

    式中,m是时标振荡器在光往返过程的脉冲个数,-n值由大气实况决定。

    激光测速仪是在激光测距基础上,用直接探测方法来测速的,即在不同时刻t1、t2分别测量目标距离R1、R2,再计算径向平均速度。

    其表达式为 

    由于脉冲时间极短,可将径向平均速度看成瞬时速度。

    2　脉冲式半导体激光测速仪设计方案的整体框架图

    脉冲式半导体激光测速仪可分为四部分:激光发射系统,激光接收系统,计数系统(数据采集及信息处理、显示)及电源部分。如图1所示为前三部分整体框图。

    2·1　测速仪发射系统原理框架图及作用

    测速仪发射系统包括电源、脉冲式半导体激光器、光学准直扩束以及取样棱镜几部分。

    发射系统的作用是在电源控制下发出一串激光束,经过光学系统的调制后形成具有一定面积和强度的平行光束,发送到待测物体上。同时用分光镜反馈回少量激光能量,作为起始触发脉冲,通过取样器输送给激光探测器,在探测器中转变为电信号,并通过放大器和脉冲形成电路整形后,进入门控电路,作为门控电路的开门信号。门控电路在开门脉冲信号的控制下开门,石英振荡器产生的时钟频率脉冲便进入计数器,计数器开始计数。