专利名称：激光多普勒测速仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光多普勒测速仪，更具体而言涉及测量振动物体速度的仪器，其测量方式是将激光束投射于物体之上并对由该物体反射且因此而产生频率调制的光进行FM解调。
关于该激光多普勒测速仪的工作原理将进行简要的介绍。由激光源发出的激光束由第一光束分裂器分成两束，其中一束作为参考光并经过第一反射镜、光调制器及第二反射镜而入射到第二光束分裂器上。
另一方面，两光束中的另一个通过第二光束分裂器被投射到被测物体上，而由该物体反射的光束则又被投射到第一光束分裂器上。在第一光束分裂器中，由物体产生的反射光与参考光发生干涉而产生干涉光，该干涉光由光检测器所检测。
当被测物体振动时，来自其上的反射光根据振动而产生频率调制，从而对反射光进行FM解调就能测量出该物体的振动速度。应当指出，该被测物体的移动速度也可以测出。
下面，将简要介绍常规的激光多普勒测速仪。该测速仪包括含有上述光学单元的探头(即含有激光源的激光束发射/接收器)、光调制器、干涉单元等。该探头的输出被送至FM解调器，在该解调器中来自被测物体的反射光经过FM解调而获得关于该物体的速度信息，该信息经由集成滤波电路而送至输出端。
常规激光多普勒测速仪在其输出的高端范围存在相位滞后的问题，该问题通常由设置于FM解调器之后的低通滤波器而引起，而有时也可由高通滤波器、微分电路、积分电路等引起。
激光多普勒测速仪的功能实现是根据脉冲计数法、相位正交法或锁相环(PLL)法。
由于使用了FM解调器，则必须采用低通滤波器以消除载波。另外，具有某种截止频率的低通滤波器被用来保证对频率调制所特有的三角形噪声进行消除。
就低通滤波器而言，甚至从低于截止频率且振幅平坦区域内很早的某个频率点开始就发生了相位滞后。举例来说，包含简单电容电阻(CR)的一阶低通滤波器，其传输函数G(jω)由下式给出
G(jω)＝(1/CR)/(jω＋(1/CR))其幅度的绝对值|G|和相位argG分别为|G|＝1/(1＋(ωCR)2)n，n＝1/2argG＝-arch·tan(ωCR)在截止频率处(fc＝1/2πCR)，幅度绝对值|G|为1/21/2(＝0.0707…)，而相位argG却滞后45°。实际上，该低通滤波器的形式是8阶巴特沃兹低通滤波器，其中在截止频率处的幅度绝对值|G|实际上为零分贝，从而其相位argG滞后360°。
这样，甚至在保用输出幅度范围内，激光多普勒测速仪也会将其自身的相位滞后引入被测物体的相位特征，从而导致可能的测量错误。
然而，在通常情况下，由于在产品目录和说明书中缺少生产者对上述问题的详细说明，多数用户认为他们的激光多普勒测速仪在保用输出幅度范围内能给出正碱的幅/相矢量测量，因而其性能是令人满意的，但实际上他们的测量结果是不正确的。
部分用户意识到了上述问题，采用了一些测量方法以消除其激光多普勒测速仪所产生的相位滞后。最简单的方法是利用生产者提供的关于激光多普勒测速仪中低通、高通等滤波器幅/相频率特性的数据进行测量结果的反演。
然而，当利用人工进行时，这种方法的工作量相当大。另外，尽管使用计算机，这种方法也不能令人满意，因为测量的分辨率不总是恒定的，同时也不应要求所有的用户均通过模-数(AD)变换器、HP界面总线(HPIB)等在其计算机中输入关于伺服分析器、锁定放大器、示波器等的测量结果另一种方法如下。准备一套系统，包括伺服分析器、参考振动源，被测物体以及含有探头、FM解调器和集成滤波电路的激光多普勒测速仪。首先，来自伺服分析器输出端的激励或扫描信号被提供给参考振动源以通过激光多普勒测速仪测量由该参考振动源所产生的振动速度，再将其送至该伺服分析器的第二输入端。
来自伺服分析器输出端的激励信号输出同时也提供给该伺服分析器的第一输入端。根据输入到第一和第二输入端的信号，伺服分析器进行矢量分析以测量激励信号与测量信号之间的幅/相差，从而确定关于来自输出端激励信号的输出信号幅/相频特性，将该特性进行存储以作为参考值。
接着，来自伺服分析器输出端的激励信号被提供给被测物体。注意，在同样的时刻，该输出端的输出信号还被送到第一输入端。被测物体在激励信号的作用下发生振动。该振动的速度由激光多普勒测速仪进行测量，再将其输入给伺服分析器的第二输入端。
根据矢量分析方法，伺服分析器对来自第一输入端的激励信号和来自第二输入端代表振动速度的测量信号进行幅/相矢量测量，将其与参考值相比较以获得正确的测量值。
然而，这种方法只有当参考振动源的性能超过激光多普勒测速仪的性能时才能成立。因而，根据激光多普勒测速仪性能的最新进展，这种方法只能进行参考振动源与被测物体速度之间的相对评估。
再一种方法如下。这种方法与上述的另一种方法基本相同，只不过以如下方式用FM调制器代替了参考振动源。
伺服分析器的输出被提供给其第一输入端，同时提供给FM调制器以得到调频信号并送给FM解调器。FM解调信号经由集成滤波电路被输入到伺服分析器的第二输入端。
根据矢量分析方法，伺服分析器对输入到第一和第二输入端的信号进行矢量分析以确定FM解调后集成滤波电路的输入/输出幅/相频特性，该特性被作为参考值进行存储。在这种情况下，假设FM调制器和FM解调器对上述频率特性不产生影响。在实际上，采用高性能的FM调制器和激光多普勒测速仪可以防止对上述频率特性产生严重的影响。
接下来，以与上述另一种方法相同的方式，由伺服分析器输出的信号被提供给被测物体以通激光束投射而检测其振动或速度，该信息由探头接收并经由FM解调器和集成滤波电路提供给伺服分析器的第二输入端。根据这两个输入信号，伺服分析器进行幅/相矢量计算，将其与参考值相对比，再输出正确的幅/相矢量值。
这种方法比前面的两种方法更好，但它需要具有高性能因而高成本的FM解调器。
因此，本发明的目的在于提供一种没有上述缺陷并能以简单的结构进行高可靠性测量的激光多普勒测速仪。
根据本发明的一个方面，提供了一种测量物体速度的仪器，它包括激光束发生源，该激光束具有参考光束及物体投射光束；光检测器，用于检测该参考光束和物体反射光束的合成光并生成代表该被测合成光的信号；与该光检测器相接的FM解调器，该FM解调器用于对该信号进行FM解调；滤波电路装置，用于对该FM解调信号进行滤波；以及安装于该FM解调器与该滤波电路装置之间的选择开关，该选择开关用以保证在该FM解调输出与直接接收外部信号的端子之间进行切换。
本发明的另一个方面在于提供一种测量物体速度的仪器，它包括激光束发生装置，该激光束具有参考光束和物体投射光束；用以检测该参考光束与物体反射光束合成光并生成代表该被测合成光信号的装置；与该检测装置相接、用于对该信号进行FM解调的装置；用于对该FM解调信号进行滤波的装置；以及接于该FM解调装置与该滤波装置之间、用于保证在该FM解调装置的输出与直接接收外部信号的端子之间进行切换的装置。
图1为描述根据本发明激光多普勒测速仪第一优选方案的框图；图2与图1类似，它描述了与伺服分析器相连的激光多普勒测速仪；图3与图2类似，它描述了本发明的第二优选方案；图4与图3类似，它描述了图3中激光多普勒测速仪与伺服分析器相接的情形；图5与图4类似，它给出了集成滤波电路的一个实例。
首先参考图1，激光多普勒测速仪包括探头1、FM解调器2、集成滤波电路3、输出端4、选择开关5和输入端6。
探头1包括被测物体投射激光束发生源、关于参考光的光调制器、用于使由物体反射而因此被调频的激光与参考光发生干涉以获得干涉光的干涉单元、用于将干涉及光信号变换成电信号的光电变换器，等等。
FM解调器2用于对经过物体移动或振动速度调制的信号进行解调以获取速度信息。集成滤波电路3用于从FM解调器2输出端的频率成份中得到所需频段信号。集成滤波电路3可以包含用于消除出现在FM解调器2输出端载波频率分量的滤波器。
选择开关5用于实现集成滤波电路3的输入在FM解调器2的输出与输入端子6的输入之间的切换。输入端子6用于向集成滤波电路3直接输入外部信号。
接着参考图2，将介绍图1所示激光多普勒测速仪的测量过程。首先，电路的连接方式为，来自伺服分析器7的激励信号被提供给被测物体，且同时也提供给该伺服分析器7的第一输入端INA。
激光多普勒测速仪置于物体8附近，并与伺服分析器7相连以直接接收其在输入端子6处的输出。激光多普勒测速仪的输出端子4与伺服分析器7的第二输入端INB相接。测量时，选择开关5切换到输入端子6一侧以便直接将来自伺服分析器7输出端OUT的激励或扫描信号传送到集成滤波电路3。
集成滤波电路3的输出被提供给伺服分析器7的第二输入端INB，其中集成滤波电路3的输入/输出幅/相频特性根据所传输激励信号和所接收集成滤波电路3输出信号而确定，该特性被作为参考值进行存储。
接下来，选择开关5进行切换致使FM解调器2的输出与集成滤波电路3的输入相连。这时，由于来自伺服分析器7的激励信号被传送给物体8，则物体8被激励而产生振动。在激光多普勒测速仪中，探头1将激光束投射到物体8，并接收根据物体8振动速度而调制的反射光，该反射光被交换成电信号，并被提供给FM解调器2。
经FM解调的物体8速度信息信号在集成滤波电路3中被过滤，再被送到伺服分析器7的第二输入端INB。伺服分析器7对该速度信息信号进行矢量分析，与参考值进行比较，从而得到正确的幅/相矢量值。
参考图3和图4，将介绍激光多普勒测速仪的第二优选方案。第二优选方案与第一方案基本相同，只不过其中设置了两个集成滤波电路。第一集成滤波电路3A用与第一方案相同的方式对FM解调器2的输出进行滤波。
另一方面，第二集成滤波电路3B为参考滤波电路，它具有与第一集成滤波电路3A同样的输入/输出幅/相频特性。第二集成滤波电路3B配置了与上述测量相互独立的环路，并具有其自身的输入和输出端9和10。
参考图4，将介绍如图3所示激光多普勒测速仪进行测量的过程。在测量之前，电路的连接方式为伺服分析器7的输出端OUT与第二集成滤波电路3B的输入端9相连，而第二集成滤波电路3B的输出端10与伺服分析器7的第一输入端INA相连。
伺服分析器7的输出端OUT同时与物体8相连。物体8适当地相对于探头1而放置以便探头1将激光束投射于物体8之上并能够接收由其而产生的反射光。因此可以认为，在光学上物体8与探头1相互连接在一起。
另外，电路的连接还使得探头1的输出被送至FM解调器2，再被送至第一集成滤波电路3A，然后又传输给伺服分析器7的第二输入端INB。
在这种状态下，来自伺服分析器7输出端0UT的激励或扫描信号被提供给物体8，同时也被提供给第二集成滤波电路3B。经过第二集成滤波电路3B之后，激励信号被送到伺服分析器7的第一输入端INA。
另一方面，由探头1输出的关于物体8的速度信息信号在FM解调器2中被解调。FM解调器2的输出被提供给第一集成滤波电路3A以消除其中不需要的频率成份，然后再将其提供给伺服分析器7的第二输入端INB。
根据矢量分析法，伺服分析器7对两输入信号，即经由第二集成滤波电路3B而提供的激励信号和由激光多普勒测速仪的输出而提供的信号的幅/相频特性进行矢量分析。在这种情况下，激光多普勒测速仪中第一集成滤波电路3A的影响被作为参考的第二集成滤波电路3B所抵消，从而可获得正确的幅/相矢量测量。
一般而言，激光多普勒测速仪中的集成滤波电路包含低通滤波器，或高通滤波器，或微分电路，或积分电路，或其某种组合电路。
参考图5，将对构成激光多普勒测速仪的集成滤波电路实例进行说明。该集成滤波电路的构造是以多级的形式将滤波单元连接于输入与输出端21和34之间。图5给出了两级连接，其中各级滤波单元包含三个并联设置并可通过选择开关进行切换的滤波器。
输入端21通过放大器或缓冲器22与选择开关23的固定接点0相连。选择开关23的第一接点A接于低通滤波器24的输入端，而其第二和第三接点B和C则分别接于低通滤波器25和26的输入端。
低通滤波器24-26的输出接于选择开关27的转换接点，以便在其间切换而保证滤波器24-26之一与选择开关27输出侧固定接点相连。第一级滤波单元的输出与第二级输入侧选择开关28的固定接点相连，以便能与高通滤波器29-31之一进行切换连接。
高通滤波器29-31的输出可通过选择开关32与输出侧固定接点相接。第二级滤波单元的输出通过放大器或缓冲器33与输出端子34相接。该集成滤波电路的作用是，利用同时切换选择开关23和27而选择低通滤波器24-26中之一，利用同时切换选择开关28和32而选择高通滤波器29-31中之一，以便得到某种滤波器组合而产生某种集成滤波特性。
作为参考，将给出关于截止频率的滤波单元频率特性。对低通滤波器24-26而言，滤波器24为12KHz，滤波器25为120KHz，滤波器26为1.2MHz，而对高通滤波器29-31而言，滤波器29为零或可供直通电流，滤波器30为0.5Hz，滤波器31为100Hz。
结合上述优选方案介绍了本发明之后，可以注意到，在不脱离本发明精髓的前提下可进行各种变化和改进。举例而言，在第二方案中，为了能只修正第一集成滤波电路3A中低通滤波器(其对激光多普勒测速仪的测量结果影响最大)的频率特性，第二集成滤波电路3B可以只包含低通滤波器，该低通滤波器具有与第一集成滤波电路3A中低通滤波器基本相同的特性。
另外，由于探头、FM解调器以及混频器和带通滤波器等器件(如果有的话)处的信号滞后，可引入具有相同滞后的延迟线以得到更精确的测量。
权利要求
1.物体速度测量仪包括激光束发生源、该激光束具有参考光束和物体投射光束；光电检测器，用于检测该参考光束与物体反射光束的合成光并产生代表该被测合成光的信号；FM解调器，它与该光电检测器相接，用于对该信号进行FM解调；滤波电路装置，用于对该FM解调信号进行滤波；以及选择开关，它装于该FM解调器与该滤波电路装置之间，用于保证在该FM解调器输出端与直接接收外部信号的端子之间进行切换。
2.根据权利要求1的仪器，其中该滤波电路装置包括如下器件之一低通滤波器、高通滤波器、微分电路、积分电路及其组合电路。
3.根据权利要求1的仪器，其中进一步包括另一个滤波电路装置，它用于滤除激励物体的信号，配备有独立的输入与输出端。
4.根据权利要求1的仪器，其中该另一个滤波电路装置具有与该滤波电路装置基本相同的特性。
5.根据权利要求4的仪器，其中该另一个滤波电路装置只包含具有与该滤波电路装置低通滤波器基本相同特性的低通滤波器。
6.物体速度测量仪器包括激光束产生装置，该激光束具有参考光束和物体投射光束；用于检测参考光束与物体反射光束的合成光并生成代表该被测合成光的信号的装置；与该检测装置相连、用于对该信号进行FM解调的装置；用于对该FM解调信号进行滤波的装置；以及接于该FM解调装置与该滤波装置之间、用于保证在该FM解调装置的输出与直接接收外部信号的端子之间进行切换。
全文摘要
激光多普勒测速仪包括激光源、光电检测器、FM解调器以及集成滤波电路。选择开关装于FM解调器与集成滤波电路之间，以便保证在FM解调器的输出端和直接接收外部信号的端子之间进行切换。
文档编号G01S17/58GK1149135SQ9610966
公开日1997年5月7日 申请日期1996年9月6日 优先权日1995年9月6日
发明者野上朝彦 申请人:索尼磁石股份有限公司