一种无零漂外差式激光多普勒测量光纤光路及测量方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种无零漂外差式激光多普勒测量光纤光路及测量方法。

背景技术

激光多普勒测量技术应用广泛，利用光学多普勒效应来检测物体速度的设备，具有非接触、灵敏度高和作用距离远等优点。传统的激光多普勒测量光路，对于光路器件的加工精度和光路的校准有较高要求。以光纤器件为基础的激光多普勒测量系统，其光路结构简单，调整和校准更加方便。

对于速度方向的测量是激光多普勒测量问题的关键。在速度判向问题上，最主流的判别方法是在参考光路中加入声光调制器对参考光进行频率调制，实现了对物体目标速度大小和方向的测量。激光多普勒测量的工作原理是相干探测，对比外差和零差两种相干探测，前者的信噪比更高，抗干扰能力更强，适合实际应用。外差探测时必须要有频差，使用声光移频器即可获得。传统多普勒测量光纤光路使用一路探测器直接探测信号光和移频光的合束外差干涉信号，对于此方法，现存在的较大问题便是声光移频器的频率漂移和波动，这是多普勒测量系统中零漂的来源。

声光移频器的频率漂移和波动对多普勒测量系统的测量精度会产生显著影响，导致对于微小的运动变化量无法实现测量。如何消除声光移频器的频率漂移和波动是亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对速度、位移的精确测量中，声光移频器的频率漂移和波动所导致的系统零漂问题，提出了一种无零漂外差式激光多普勒测量光纤光路及测量方法。

为达到本发明的目的，本发明提供的技术方案如下：

一种无零漂外差式激光多普勒测量全光纤光路，包括单模激光器、光纤隔离器、1×3光纤分束器、声光移频器、1×2光纤分束器、第一2×1光纤合束器、第二2×1光纤合束器、光纤环行器、光纤准直器、第一光电探测器和第二光电探测器，所述单模激光器输出端通过单模光纤接隔离器输入端，光纤隔离器输出端接1×3光纤分束器的输入端，1×3光纤分束器的第一输出端口与光纤环行器第一端口连接，光纤环行器第二端口接光纤准直器对准待测运动目标物体，1×3光纤分束器第二输出端口通过单模光纤接声光移频器输入端，声光移频器输出端通过单模光纤接1×2光纤分束器，1×2光纤分束器的一个输出端与环行器第三端口接第一2×1光纤合束器，第一2×1光纤合束器输出端接第一光电探测器，1×3光纤分束器第三端口与1×2光纤分束器另一个输出端口接第二2×1光纤合束器，第二2×1光纤合束器的输出端接第二光电探测器。

进一步的，所述的1×3光纤分束器分光比为1：1：1，所述的1×2光纤分束器分光比为1：1。

进一步的，所述的光纤准直器选用格林透镜光纤准直器、球面透镜光纤准直器、非球面光纤准直器或光纤准直系统。

上述无零漂外差式激光多普勒测量全光纤光路的测量方法是：激光本振光束频率为f，声光移频器移频量为f_l，从声光移频器出来的光束其频率为f+f_l，待测目标物体产生的多普勒频移量为f_d，从光纤环行器第三端口输出光束的频率为f+f_d，经声光移频器移频后的移频光经1×2光纤分束器与光纤环行器第三端口输出的信号光由第一2×1光纤合束器合束进行外差干涉，并由第一光电探测器探测，得到包含目标物体运动信息的实时频移量f₁＝f_l+f_d，其中，f_d为待测物体产生的多普勒频移；1×3光纤分束器第三端口输出的本振光束与声光移频器移频后的移频光经1×2光纤分束器另一个输出端口输出，并由第二2×1光纤合束器合束进行外差干涉，由第二光电探测器接收，得到实时声光移频器移频量f₀＝f_l。对两路外差干涉得到的实时频移量做减法处理，即可得多普勒频移f_d＝f₁-f₀，并消除声光移频器频率漂移和波动带来的系统零漂。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明通过外差干涉获得实时的声光移频器移频量f_l、声光移频器移频量与多普移频量之和f_l+f_d，对比相减获取目标物体的运动信息，消除了传统外差式激光多普勒测量光路中声光移频器自身产生的频率漂移和波动所带来的系统的零漂,降低了对于声光移频器频率稳定度的要求，显著提高了激光多普勒测量系统的精度；

2.本发明构成了激光多普勒测量全光纤光路，传统激光多普勒测量的光纤光路，激光器输出光接1×2光纤分束器，直接使用一路探测器得到信号光和移频光的合束外差干涉信号，而本发明通过1×3光纤分束器将激光器输出光分为三束，通过1×2光纤分束器将声光移频器输出光分为两束，通过两路探测器得到不同外差干涉信号，再通过对比相减两路不同探测信号，即可实现精度要求，其光路结构简单，性能稳定,调整和校准更加方便。

3.对于测量微小量变化有显著作用，实现了对于微小运动量的测量，可用于全光纤激光多普勒测量系统中。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是实施例中所测量的多普勒信号图。

图3是实施例中所得到的速度结果图。

图1中，1-单模激光器，2-光纤隔离器，3-1×3光纤分束器，4-声光移频器，5-1×2光纤分束器，6-光纤环行器，7-光纤准直器，8-待测运动目标物体，9-第一2×1光纤合束器，10-第一光电探测器，11-第二2×1光纤合束器，12-第二光电探测器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图与原理对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：如图1示，实施例提供了一种激光多普勒测量系统，可以实现对于速度量与位移量的同时测量。单模激光器1输出端通过单模光纤接光纤隔离器2输入端，光纤隔离器2输出端接分光比为1：1：1的1×3光纤分束器3的输入端，1×3光纤分束器3的第一输出端口与光纤环行器6第一端口连接，光纤环行器6第二端口接光纤准直器7对准待测运动目标物体8，1×3光纤分束器3第二输出端口通过单模光纤接声光移频器4输入端，声光移频器4输出端通过单模光纤接分光比为1：1的1×2光纤分束器5，1×2光纤分束器5的一个输出端与光纤环行器6第三端口接第一2×1光纤合束器9，第一2×1光纤合束器9输出端接入第一光电探测器10，1×3光纤分束器3第三端口与1×2光纤分束器5另一个输出端口接第二2×1光纤合束器11，第二2×1光纤合束器11的输出端接入第二光电探测器12。

测量时：单模激光器1输出的连续单频激光由1×3光纤分束器3等分为3束光，其中一束光由1×3光纤分束器3的第一输出端口输出至光纤环行器6的第一端口，并由光纤环行器6的第二端口输出至光纤准直器7，由光纤准直器7准直输出为空间光垂直照射运动目标物体8，被运动目标物体8反射后，该光作为信号光携带目标物体的运动信息由光纤准直器7耦合回光纤环行器6的第二端口输入，并由光纤环行器6的第三端口输出，由1×3光纤分束器3的第二输出端口输出的光经声光移频器4移频并由1×2光纤分束器5分束，其中一束移频光与光纤环行器6第三端口输出的信号光经第一2×1光纤合束器9合束进行外差干涉，并由第一光电探测器10探测接收，1×2光纤分束器5分束后的另一束移频光与1×3光纤分束器3第三端口输出的本振光由第二2×1光纤合束器11合束进行外差干涉，并由第二光电探测器11探测接收。

采用上述设备，本发明测量方法是：

设激光本振光束频率为f，声光移频器4移频量为f_l，从声光移频器4出来的光束其频率为f+f_l，待测目标物体产生的多普勒频移量为f_d，从光纤环行器6第三端口输出光束的频率为f+f_d，第一光电探测器10得到包含目标物体运动信息的实时频移量f₁＝f_l+f_d，其中f_d为待测物体产生的多普勒频移，第二光电探测器12得到实时声光移频器4移频量f₀＝f_l。对两路外差干涉得到的实时频移量做减法处理，即可得多普勒频移f_d＝f₁-f₀，并消除声光移频器4频率漂移和波动带来的系统零漂，对于所测量物体运动量可以做出精确测量。

激光多普勒测量的基本原理是，使用激光照射目标运动物体表面，通过测量从物体表面一点位置附近微小区域反射的激光的多普勒频率量f_d，进而确定该测点的运动速度v。假定目标物体运动方向与光轴方向夹角为θ，则激光的多普勒频移量为：

为了提取出信号激光中该频移量，采用光混频技术(外差探测技术)将两束不同频率的激光叠加干涉后在光电探测器上输出差拍信号，通过计算出差拍信号频率随时间的变化可以得出速度随时间的变化过程。采用光纤声光移频器调制光频，获得的干涉光强为：

上式中：I₀为参考光光强；I_d为信号光光强；f_l为声光移频器调制频率；λ为激光波长；φ为两束光的初相位差；v(t)在物体靠近探头运动时取正值，远离探头时取负值，所以从光电信号中解算出信号频率后减去调制频率即可直接换算出包含运动方向的速度历程。

当合束后的光信号照射在响应速率为GHz量级的光电探测器光敏面上，由于光波频率太高，光电探测器仅对于差频信号响应，经转换后得到电信号可以表示为：

式中k为探测器灵敏度，可以看出光电探测器所输出的电信号是一个具有直流偏置的交变信号，式中第二项频率即为差频项。

实施例中所采用的声光移频器为Gooch&Housego公司生产，其射频输出的中心频率为40MHz±0.1％，即对于移频光束存在40kHz的频差波动，由多普勒频移公式可知，对于无法消除声光移频器频率漂移和波动的多普勒测量系统，小于30mm/s的运动速度无法实现测量。实施例中测试运动物体使用音圈电机，模拟其做简谐振动，设定速度最大值为25mm/s，可以观察出其明显的多普勒信号图，如图2所示，对所得到的多普勒信号解算可得相应的速度曲线图，如图3所示，实施例中可实现小于30mm/s微小速度量的精确测量。

光学环行器6使用的是3端口环行器，在其他实施例中，光学环行器6也可以使用4端口环行器。光纤准直器7可以使用现有的格林透镜(G-lens)光纤准直器、球面透镜(C-lens)光纤准直器或者非球面光纤准直器的一种。光纤准直器7出射的激光方向严格垂直，以保证信号光能够以最大功率通过光纤准直器7耦合回原光纤光路。

对于上述两路探测信号解调分析对比处理即可达到消除外差式激光多普勒测量系统的零漂，实现对于微小运动量的精确测量。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演。