阅读说明：本技术 一种应用于光纤多普勒测速仪的大景深光学天线装置 (Large depth-of-field optical antenna device applied to optical fiber Doppler velocimeter ) 是由 杨钰城 郝歌扬 吴国俊 吕沛 吕小鹏 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种应用于光纤多普勒测速仪的大景深光学天线装置,解决现有激光多普勒测量过程中存在空间光与光纤间耦合损耗较大、测量行程变小以及测量精度降低的问题。该装置包括镜头组件、光纤快速连接器组件、压圈、连接光纤和支座；镜头组件包括前镜筒、后镜筒、准直透镜、C透镜调节环和C透镜；前镜筒设置在支座上,准直透镜安装在前镜筒的一端,前镜筒的另一端与后镜筒连接,C透镜调节环安装在后镜筒内,C透镜安装在C透镜调节环内；光纤快速连接器组件包括插座及插头；插座包括母插座、第一楔形透镜和第一插针；插头包括公插头、锁紧螺母、第二插针、第二楔形透镜和光纤尾纤；插头和插座通过第二插针、第一插针连接。(The invention relates to a large depth-of-field optical antenna device applied to an optical fiber Doppler velocimeter, which solves the problems of large coupling loss between space light and optical fibers, small measuring stroke and low measuring precision in the existing laser Doppler measuring process. The device comprises a lens assembly, an optical fiber quick connector assembly, a pressing ring, a connecting optical fiber and a support; the lens component comprises a front lens barrel, a rear lens barrel, a collimating lens, a C lens adjusting ring and a C lens; the front lens cone is arranged on the support, the collimating lens is arranged at one end of the front lens cone, the other end of the front lens cone is connected with the rear lens cone, the C lens adjusting ring is arranged in the rear lens cone, and the C lens is arranged in the C lens adjusting ring; the optical fiber quick connector assembly comprises a socket and a plug; the socket comprises a female socket, a first wedge-shaped lens and a first contact pin; the plug comprises a male plug, a locking nut, a second contact pin, a second wedge-shaped lens and an optical fiber pigtail; the plug and the socket are connected through the second contact pin and the first contact pin.)

一种应用于光纤多普勒测速仪的大景深光学天线装置

技术领域

本发明涉及激光多普勒速度和加速度测量领域，具体涉及一种应用于光纤多普勒测速仪的大景深光学天线装置。

背景技术

目前，连续运动物体速度及加速度测量的方法主要有以下几种：数值模拟、微波干涉测量技术和激光多普勒技术等。数值模拟方法基于一系列假设条件通过理论推导得出相应的参数，其结果不精确，与实际相差较大。微波干涉测量技术受限于波长等因素，对运动速度低及行程短的物体测试精度相对较低，同时易受电磁干扰的影响。而激光多普勒技术具有高空间分辨率、不受运动物体状态影响、抗电磁干扰能力较强、测量精度高等特点，被广泛应用于军事、航空等领域。

针对应用激光多普勒测速的案例发现，其一般由激光器发出激光，通过光纤与透镜向空间出射，再经准直后到达被测物体表面，经漫反射后空间光再次进入光纤内，经后续系列处理，信号最终被采集卡接收。在发射与接收过程中，空间光与光纤间存在耦合损耗较大的问题，同时在光纤连接插拔处采用的光纤接头存在损耗大且每次插拔损耗不稳定的情况，导致测量行程变小，测量精度降低，影响最终的结果分析等。

本发明的目的是解决现有激光多普勒测量过程中存在空间光与光纤间耦合损耗较大、测量行程变小以及测量精度降低的问题，提供一种应用于光纤多普勒测速仪的大景深光学天线装置，可实现激光多普勒完成低损耗、大行程、远距离、高精度的速度及加速度测量，同时测试时操作简单，易于实施。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种应用于光纤多普勒测速仪的大景深光学天线装置，包括镜头组件、光纤快速连接器组件、压圈、连接光纤和支座；所述镜头组件包括前镜筒、后镜筒、准直透镜、C透镜调节环和C透镜；所述前镜筒设置在支座上，所述准直透镜安装在前镜筒的一端，所述前镜筒的另一端与后镜筒连接，所述C透镜调节环安装在后镜筒内，所述C透镜安装在C透镜调节环内；所述光纤快速连接器组件包括插座及插头；所述插座包括母插座、第一楔形透镜和第一插针；所述母插座通过压圈安装在后镜筒的末端，所述第一楔形透镜安装在母插座的轴向通孔内，且第一楔形透镜通过连接光纤与C透镜连接；所述插头包括公插头、锁紧螺母、第二插针、第二楔形透镜和光纤尾纤；所述第二楔形透镜设置在公插头的轴向通孔内上，且其楔形面与第一楔形透镜的楔形面平行且相邻设置；所述第一插针的一端***母插座内，另一端***公插头内，所述第二插针的一端***公插座内，另一端***母插头内；所述锁紧螺母套装在公插头和母插头上，用于将公插头和母插头连接；所述光纤尾纤设置在公插头的轴向通孔内，且与第二楔形透镜连接。

进一步地，所述公插头的末端设置有挡螺母，防止锁紧螺母从公插头上滑脱，所述准直透镜通过透镜压圈被安装在前镜筒的一端。

进一步地，所述第一楔形透镜为第一8°楔形透镜，所述第二楔形透镜为第二8°楔形透镜。

进一步地，所述C透镜与准直透镜之间的间距为252.8mm。

进一步地，所述前镜筒上设置有法兰盘，所述前镜筒通过法兰盘安装在支座上。

进一步地，所述后镜筒及C透镜调节环上沿圆周均布三个注胶孔，通过环氧树脂胶将C透镜及C透镜调节环粘结固定在后镜筒上，所述公插头和母插头上沿圆周均设置有三个螺纹孔，通过环氧树脂胶将第一楔形透镜环粘结固定在母插头上，通过环氧树脂胶将第二楔形透镜环粘结固定在公插头上。

进一步地，所述第一插针和第二插针两端设置为导向锥形面，便于***到公插头和母插头的盲孔内，所述第一插针和第二插针与公插头和母插头的盲孔为过盈配合。

进一步地，所述母插座上设置有两个沿圆周分布的凸台，所述凸台沿后镜筒末端的凹槽滑入，用于母插座和后镜筒的定位限位。

进一步地，所述C透镜的口径3.5mm，球面半径R4＝2.8mm，长度3.4mm，材料为N-SF11。

进一步地，所述准直透镜为双胶合消色差透镜，口径为40mm，焦距250mm，半径分别为R1＝153.435mm，R2＝-111.75mm，R3＝-329.39，中心厚度8.6mm，边缘厚度6.7mm，双胶合消色差透镜中的双凸透镜材料为H-K9，双凹透镜的材料为H-ZF2。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明提供一种全光纤式激光多普勒测速光学收发天线装置，该装置能够实现稳定、可靠的光路收发传输，并且有较低的空间光与光纤耦合损耗，可实现大距离的传输测量，装置中的光纤快速连接组件可使光纤每次插拔损耗值小且稳定，同时整个系统装调、使用操作简单方便，易于实现。

附图说明

图1为本发明应用于光纤多普勒测速仪的大景深光学天线装置的剖视图；

图2为本发明应用于光纤多普勒测速仪的大景深光学天线装置的外形图；

图3为本发明镜头组件的剖视图；

图4a为本发明光纤快速连接器组件剖视图；

图4b为本发明光纤快速连接器组件外形图；

图5为本发明插座剖视图；

图6为本发明插头剖视图；

图7为本发明后镜筒剖视图；

图8a为本发明公插头主视图；

图8b为图8a的B-B剖视图。

附图标记：1-镜头组件，2-光纤快速连接器组件，3-压圈，4-连接光纤，5-支座，6-螺钉，101-前镜筒，102-后镜筒，103-准直透镜，104-透镜压圈，105-C透镜调节环，106-C透镜，201-插座，202-插头，2011-母插座，2012-第一楔形透镜，2013-第一插针，2021-公插头，2022-锁紧螺母，2023-挡螺母，2024-第二插针，2025-第二楔形透镜，2026-光纤尾纤。

具体实施方案

以下结合附图和

具体实施方式

对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明提供一种应用于光纤多普勒测速仪的大景深光学天线装置，测量景深大于25米，可实现对被测目标的速度与加速度的连续精确测量。该光学天线装置能够实现稳定、可靠的激光发射与接收，使25米景深范围内回波信号都具有较高的信噪比，并且有较低的空间光与光纤耦合损耗，可实现远距离的传输测量。装置中的光纤快速连接组件不仅使光纤每次插拔损耗值小且稳定，同时降低了高功率激光输出情况下光纤接头处烧坏的风险，提高了系统可靠性，使整个系统装调、使用操作简单方便，易于实现。

如图1和图2所示，本发明提供的全光纤式激光多普勒测速光学收发天线装置包括镜头组件1、光纤快速连接器组件2、压圈3、连接光纤4、支座5和螺钉6。其中连接光纤4将镜头组件1中的C透镜106与光纤快速连接器组件2连接，保证光路正常传输，在将光纤快速连接器装入镜筒后，使用压圈3压紧固定。

如图3、图7所示，镜头组件1包括前镜筒101、后镜筒102、准直透镜103、透镜压圈104、C透镜调节环105、C透镜106等。透镜压圈104可将准直透镜103固定在前镜筒101的前端凸台上。前镜筒101上设置了法兰盘，可与支座5连接固定，前镜筒101的后端与后镜筒102连接，C透镜调节环105安装在后镜筒102内，C透镜106安装在C透镜调节环105内；后镜筒102及C透镜调节环105沿圆周均布三个注胶孔，利用五轴调节镜架调整C透镜106及C透镜调节环105的位置，使从C透镜106出射的激光沿镜筒轴向发射，同时保证C透镜106与准直透镜103的间距为252.8mm。在调节完成后，使用环氧树脂胶对C透镜106及C透镜调节环105的位置进行粘结固定，空气中晾置24h，保证粘结强度。镜头组件1的作用是将光纤内的激光发射并准直，同时将接收的空间光耦合进入光纤。C透镜106的作用完成末端激光的发射与接收，准直透镜103是将发出去的激光进行准直与接收到的回波信号进行汇聚。

如图4a和4b所示，光纤快速连接器组件2包括插座201及插头202；测试使用时，可直接将插头202的插针***到插座201对应孔内，保证光路传输稳定。

如图5所示，插座201包括母插座2011、第一楔形透镜2012和第一插针2013，第一楔形透镜2012可为第一8°楔形透镜或其他角度的楔形透镜。母插座2011通过压圈3安装在后镜筒102的末端，第一8°楔形透镜安装在母插座2011的轴向通孔内，且第一8°楔形透镜通过连接光纤4与C透镜106连接。母插座2011沿圆周分布三个螺纹孔，对第一8°楔形透镜使用环氧树脂胶进行粘结固定。第一插针2013两端为导向锥形面，便于***到母插座2011的盲孔内。同时，第一插针2013与母插座2011的盲孔应实现过盈配合，防止插拔时出现松动滑落。母插座2011上设置了两个沿圆周分布的凸台，其可沿后镜筒102末端的凹槽滑入，起到定位限位作用。

如图6、图8a、图8b所示，插头202包括公插头2021、锁紧螺母2022、挡螺母2023、第二插针2024、第二楔形透镜2025、光纤尾纤2026，第二楔形透镜2025可为第二8°楔形透镜或其他角度的楔形透镜。第二8°楔形透镜设置在公插头2021的轴向通孔内上，且其楔形面与第一8°楔形透镜的楔形面平行且相邻设置；第一插针2013的一端***母插座2011内，另一端***公插头2021内，第二插针2024的一端***公插座201内，另一端***母插头202内；锁紧螺母2022套装在公插头2021和母插头202上，用于将公插头2021和母插头202连接；光纤尾纤2026设置在公插头2021的轴向通孔内，且与第二8°楔形透镜连接。第二插针2024两端为导向锥形面，便于***到公插头2021的盲孔内。同时，第二插针2024与公插头2021的盲孔应实现过盈配合，防止插拔时出现松动滑落。公插头2021的末端设置有挡螺母2023，挡螺母2023的作用是防止锁紧螺母2022从公插头2021上滑脱，防止遗失。安装时，应先将锁紧螺母2022套入到公插头2021的光轴上，再将挡螺母2023旋于公插头2021的末端螺纹。公插头2021上同样沿圆周有三个注胶孔，通过多维调节镜架调整第二8°楔形透镜的位置，使光从母插座2011中的第一8°楔形透镜的光入射该透镜中时的损耗最小，确定位置后使用环氧树脂胶灌封固定。因插座201与插头202各有1个插针，因此可实现盲插拔，防止错插。在测试时，将插头202***到插座201后，可由锁紧螺母2022锁紧固定，防止意外脱出。

其中，第一8°楔形透镜和第二8°楔形透镜的作用是减少光路传输中的镜面反射以降低光传输的损耗，光纤快速连接器作用是测试时可以将光学天线与测控系统进行快速连接锁紧，该结构的设计可保证每次插拔损耗稳定并且具有较低的插损值。

本发明C透镜106的口径3.5mm，球面半径R4＝2.8mm，长度3.4mm，材料为N-SF11。本发明准直透镜103为双胶合消色差透镜，口径40mm，焦距250mm，半径分别为R1＝153.435mm，R2＝-111.75mm，R3＝-329.39，中心厚度8.6mm，边缘厚度6.7mm，双胶合消色差透镜中的双凸透镜材料为H-K9，双凹透镜的材料为H-ZF2。

本发明C透镜106和双胶合消色差透镜之间的间距为252.8mm，间距252.8mm为优选参数，其计算方法采用高斯光束经过薄透镜的传输模型，将双胶合消色差透镜等效为薄透镜，具体计算过程为：

1)首先根据C透镜106和双胶合消色差透镜的结构参数，写出其传输矩阵M₁和M₂，其中C透镜106按照厚透镜等效：

2)由光纤出射时激光束腰位于光纤端面，即物方束腰位置，该位置束腰半径为光纤在1550nm处的等效模场半径，取w₀＝10um，即此时的激光q参数记为

由C透镜106的结构可知，光纤与C透镜106后端面之间的距离为0.2mm，则经过C透镜106的作用时，激光的ABCD矩阵可以表示为:

因此，经过C透镜106后，激光的q参数q_f可以表示为：

此时激光的束腰位置l₁为：

其中，re表示取实部，im表示取虚部。

3)经过双胶合消色差透镜准直后的激光q参数q_lens满足以下关系

其中，令

w₂表示经过准直透镜103准直后的激光束腰半径，l₂表示准直后的束腰位置，为了达到25米的探测景深，即取l’＝25000mm。

若假设准直前激光束腰与双胶合消色差透镜之间的距离为b，则在由C透镜106向准直透镜103传输时，其ABCD矩阵可以表示为：

则q_lens又可以表示为：

联立式(6)与式(8)可求的b＝251.24，即C透镜106与准直透镜103之间的间距为l＝l₁+b＝252.8mm。