一种实时输出测速结果的多通道激光测速装置的制作方法

本发明涉及激光测速装置领域，具体是一种实时输出测速结果的多通道激光测速装置。

背景技术：

1、在冲击波和爆轰物理、炸药研究、强激光、脉冲功率、超高速实验、兵器等研究领域中，速度一直是关键问题和需要诊断的主要参数：飞片速度和粒子速度的测量是冲击波物理和爆轰波物理研究中非常关心的问题，需要连续的、非接触的测量各种材料在冲击波作用下的自由面速度历史；诊断炸药爆速、不同加载条件下炸药驱动飞片的速度、爆轰波阵面等炸药爆轰信息；对炮管子弹的出口速度进行测量以评判炮管质量和输出能力。

2、激光测速技术，尤其是全光纤多普勒速度干涉仪(photonic dopplervelocimetry，pdv，国内也称dps或disar)，具有非接触测量、时间分辨率高、准确度高、使用简单、免调试等优点，在上述领域得到广泛应用，已成为主要的测速手段。

3、目前国内外使用pdv测试的设备或装置均是利用干涉方法获取待测目标的速度信息，即将测速探头收集到的待测目标表面回光(带有待测目标速度信息)作为信号光，将不带速度信息的另一束光作为参考光(一般直接来自于光源)，两束光在光路后端进行干涉，干涉光再通过光电探测器转换为电信号，和示波器进行数据采集后，利用数据处理便可得到待测目标的速度信息。

4、目前针对pdv测试设备的使用主要有两种方式，第一种是将各单位分模块组装连接，使用时分别控制，可分为：激光光源模块、相干探测模块、光电转换模块，测量时使用高频示波器进行采集，如国内科研院所的机柜式pdv设备、新西兰quantifiphotonics的pxie模块式pdv；第二种是将激光光源、相干探测模块和光电转换模块集成在一起，测量时再使用高频示波器进行采集，如美国孚光精仪公司的紧凑型pdv设备。

5、这两种方式的设备在使用时均需要根据测量场景选择高频示波器连接设备进行触发采集，采集测量目标返回的信号光干涉后的电信号。示波器采集到信号后将信号数据保存导出，然后再导入到分析软件或计算机中进行分析解算，然后得到对应的速度数据。

6、这种离线处理的方式虽然能够根据原始信号数据进行自主分析，但是无法进行实时地持续性地测量，只能依据示波器得存储容量进行瞬态测量，而且无法作为一个速度传感器以实现速度反馈得效果。同时使用时需要配合高频示波器，增加了设备的数量和体积，使用成本也较高。因此实际使用时，无法较高频次地被使用，每次使用的操作处理时间都较长，对测试工作的效率影响较大。

7、综上所述，目前还没有能集成pdv所需全部模块的紧凑型便携式设备，需要一个能持续地实时输出测速结果的激光测速装置。

技术实现思路

1、本发明提供了一种实时输出测速结果的多通道激光测速装置，以解决现有技术激光测速时采用示波器结合离线处理方式存在的无法实时持续性测量、无法作为速度传感器的问题。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种实时输出测速结果的多通道激光测速装置，包括光学模块、信号采集与实时处理模块，其中：

4、所述光学模块包括多个光学测量通道，每个光学测量通道中分别形成有信号光及参考光，其中光学测量通道的信号光分别输出至各自对应的待测目标，由每个光学测量通道接收对应的待测目标的返回光并将返回光与参考光进行相干耦合后再转换为电信号；

5、所述信号采集与实时处理模块包括多个信号调理模块、ad采集模块和fpga，多个信号调理模块一一对应接收光学测量通道输出的电信号，由每个信号调理模块对对应的电信号进行滤波、增益放大后输出至ad采集模块，并由ad采集模块进行模数转换后输出至fpga，所述fpga对接收的各个光学测量通道对应的数字信号实时处理，得到每个光学测量通道对应的待测目标的速度数据。

6、进一步的，所述光学模块还包括光源、第一功分器，由第一功分器将光源的输出光分为多路光信号；每个光学测量通道分别包括第二功分器、环形器、耦合器、光电探测器，由各个光学测量通道中的第二功分器一一对应接收第一功分器形成的多路光信号，并由第二功分器将接收的光信号分为信号光和参考光，其中参考光输出至对应的耦合器，信号光通过对应的环形器输出至待测目标，并由环形器接收待测目标的返回光并输出至对应的耦合器，由此每个光学测量通道中的参考光与接收的返回光通过耦合器相干耦合后输出至对应的光电探测器，并由光电探测器转换为电信号。

7、进一步的，所述光学模块中，光源输出光通过功率放大器进行功率放大后输出至第一功分器。

8、进一步的，每个光学测量通道中，第二功分器输出的信号光经过功率放大器进行功率放大后输出至对应的环形器。

9、进一步的，所述光学模块中，电源、第一功分器、各个光学测量通道集成一体。

10、进一步的，所述信号调理模块包括高通滤波器、两级增益放大器、低通滤波器，每个光学测量通道输出的电信号依次经高通滤波器滤波、两级增益放大器进行增益放大、低通滤波器滤波后输出至ad采集模块。

11、进一步的，所述信号调理模块中，其中一级增益放大器为可变增益放大器，另一级增益放大器为固定增益放大器。

12、进一步的，所述fpga获取各个光学测量通道对应的数字信号的主频，然后根据多普勒频移原理计算得到每个光学测量通道对应的待测目标的速度数据。

13、进一步的，还包括控制与显示模块，所述控制与显示模块包括主控板、交换机、显示器，主控板通过交换机与fpga电连接，显示器与主控板电连接，由主控板实时接收fpga计算得到的速度数据并显示于所述显示器。

14、本发明中，通过多个光学测量通道，结合对应的信号调理模块、fpga，具有实时测速以及实时输出测速结果的功能，并利用fpga实时解算速度结果后输出的方式，能够实现速度传感器的功能。

15、本发明中，信号调理模块采用二级滤波及自适应增益设计的信号调理方法，可实现ad采集模量对不同强度信号的最高信噪比的信号采集。

16、本发明中，光学模块中电源、第一功分器、各个光学测量通道集成为一体，可减小整机装置的体积和功耗。

17、由此，本发明解决了目前国内外的激光测速设备在使用时需要配合高频示波器采集，且需要数据分析处理软件离线处理的问题，满足了在炸药研究、爆轰物理等测速等场景中实时反馈速度信息的要求。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果为：

18、1、真正实现了具备实时输出的集成式的激光测速设备，而非目前通常采用的外接示波器采集且离线处理分析才能得到速度结果。

19、2、多通道光路及光学系统集成定制为一个光学模块，在保证控制、测量等功能和性能的前提下，大幅度减少体积，优化了结构要求和散热要求。

20、3、信号调理模块根据前端的光电探测器性能和后端的ad采集模块性能进行适应性分析设计，除了两级滤波去噪外，自动增益控制的设计能够在信号较弱时进行高增益放大，在信号较强时进行低增益放大，且均已最佳幅度范围匹配ad采集模块的采集范围，使得转换后的数字信号具有最佳的信噪比。

21、4、fpga处理板设计有缓存空间，可以对ad采集模块输出的原始数据进行一定时间的缓存，同时支持软件端控制导出，可便于使用者进行数据追溯和自分析。

22、5、fpga实时解算的速度数据可在通过主控板进行实时显示，并且同时以模拟信号方式输出可作为速度传感器使用。