CN101799548B - 全光纤测速***、相位测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤测速***与相位测速方法。该***包括激光器、环行器、自聚焦透镜；自聚焦透镜的端面为部分透射端面；环行器连接有初相位探测装置和参数计算装置；***还包括初相位调节装置；激光器发出的激光经过环行器的第一端口、第二端口到达自聚焦透镜后形成反射光和传感光，并从环行器的第三端口输出后进入初相位探测装置，检测出反射光与传感光光强的初相位差，利用初相位调节装置调节初相位差的大小，使***工作在确定角度；参数计算装置获取光电流强度随时间的变化以得到相位随时间的变化，进而测出包括速度与加速度的运动参数。本发明可以准确的测量运动时间极短，速度与加速度均很高的运动物体的运动。

Description

全光纤测速***、相位测速方法

技术领域

本发明涉及光纤传感与力学测量技术领域，尤其涉及一种全光纤测速***、相位测速方法。

背景技术

在冲击波、***物理和材料的冲击特性研究中，常常需要对运动运动物体进行测量。运动物体的运动具有速度与加速度高、运动时间短的特点。为了测量这种运动，传统的方法是使用光学分立元件对任意反射面速度进行测量的干涉仪(VISAR，VelocityInterferometer System for Any Reflector)。近年来，随着光纤、光无源器件以及相关光电子器件技术的发展和完善，基于光纤和光纤器件的光全纤干涉测速***(FVISAR)不仅克服了传统测速***体积庞大、调试困难的缺点，且具有较高的灵敏度和较大的动态范围。

在目前已有的光纤测速***中，差拍法(Velocimetry UsingHeterodyne Techniques)也称PDV法(Photonic Doppler Velocimetry)具有稳定性好，易于测量多点速度特性。

基本的PDV法测量反射面速度基于观测到的干涉条纹的数目。然而，对于运动时间极短(约几百ns)，速度不大但变化极快(几十ns内速度变化数百m/s)的运动物体，得到的条纹数目仅有几个或十几个，故通过观测干涉的时域信号的周期数目(条纹数)是不可能测量速度的变化情况的，更不能得到亚ns量级的测速分辨率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全光纤测速***、测速方法。基于本发明，可以准确的测量运动时间极短，速度与加速度均很高的运动物体的运动。

本发明提供了一种光纤测速***，包括激光器、环行器、自聚焦透镜和初相位调节装置；所述环行器连接有初相位探测装置和参数计算装置；所述自聚焦透镜的端面是一个部分反射部分透射端面；所述激光器发出的激光经过所述环行器的第一端口、第二端口、以及所述自聚焦透镜后形成反射光和传感光，并从所述环行器的第三端口输出后进入所述初相位探测装置，检测出所述反射光与所述传感光光强的初相位差，利用所述初相位调节装置调节初相位差的大小，使所述***工作在确定角度；所述参数计算装置获取光电流强度随时间的变化以得到相位随时间的变化，进而测出包括速度与加速度的运动参数。

上述光纤测速***，优选所述环行器的所述第三端口处连接有耦合器，所述耦合器包括第一输出端与第二输出端，所述第一输出端与直流探测器相连接以组成所述初相位探测装置；所述第二输出端、交流探测器、示波器相连接以组成参数计算装置。

上述光纤测速***，优选所述耦合器为2×2的光纤耦合器，由直流探测器检测出运动物体运动前差频信号光强的最小值、最大值来获得初相差。

上述光纤测速***，优选所述第一输出端为10％输出端，所述第二输出端为90％输出端。

上述光纤测速***，优选所述相位差调节装置为手动微调架，用以调节运动物体与所述自聚焦透镜的探头之间光程。

上述光纤测速***，优选所述相位差调节装置为电动微调架，用以调节运动物体与所述自聚焦透镜的探头之间光程。

上述光纤测速***，优选所述电动微调架由微型电机驱动。

上述光纤测速***，优选所述电动微调架由压电陶瓷驱动。

本发明还提供了一种相位测速方法，基于上述任一所述的全光纤测速***进行相位测速，包括以下步骤：初相位差检测步骤，检测出所述反射光与所述传感光光强的初相位差；调节步骤，利用初相位调节装置调节初相位差的大小，使所述***工作在确定角度；参数计算步骤，获取光电流强随时间的变化以得到相位随时间的变化，进而测出包括速度与加速度的运动参数。相比于现有技术，在发明具有如下优点：

第一、通过测量传感光和参考光之间的相位差随时间的变化，测量运动时间极短(约几百ns)，速度变化极大(几十ns内速度从零加速到数百m/s，加速度达到10⁷m/s²以上)的运动物体的速度，测速的灵敏度高、稳定性好，测量精度高。

第二、只采用一只高速探测器和一只普通的直流探测器进行相位测量，成本低，***简单稳定。

附图说明

图1为本发明全光纤测速***实施例的结构示意图；

图2为本发明全光纤测速***实施例的结构示意图；

图3为本发明相位测速方法实施例的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提出一种用于的光纤PDV***的相位测量法(以下简称测相法)，来实现瞬时速度与加速度的测量。测相法是通过测量传感光和参考光之间的相位差随时间的变化，来得到速度随时间变化规律的。此方法不仅能够测量多种速度，还可以测量运动时间极短(约几百ns)，速度变化极大(几十ns内速度从零加速到数百m/s，加速度达到10⁷m/s²以上)的运动物体的速度。

参照图1，本发明的光纤测速***，由一个激光器1，一个环行器2，一个自聚焦透镜3，一个初相位差探测装置9，一个参数计算装置11(交流探测器，一个示波器)以及一个初相位差调节装置10所构成。初相位差探测装置9由一个耦合器5与直流光探测器6组成，用来检测参考光与传感光的初相位差。初相位差调节装置10是手动或者电动的微调架，或者其他产生微位移的装置，用来将初相位差调节到一个合适的角度。然后再根据高速交流探测器7上检测差频信号的光强随时间的变化，即可得到相位随时间的变化。由于光纤中传输光的相位对外界环境非常敏感，每次测量的初始相位差都不相同，因此测相法的关键是初始相位差的测量。由于以往的监测***都只使用一个高速探测器，而高速探测器不能测量直流光，因此事实上是不可能得到初相位差的。

图2为本发明全光纤测速***实施例的结构示意图。包括激光器1、环行器2、自聚焦透镜3；其中，所述环行器包括第一端口21、第二端口22和第三端口23，所述自聚焦透镜3包括反射部分和透射部分；所述环行器2的所述第三端口23处连接有耦合器5，所述耦合器5包括10％与90％的输出端，10％输出端与直流探测器6相连接以测量初相位差；90％输出端、交流探测器7、示波器8相连接。

所述激光器1发出的激光经所述环行器2的第一端口21、第二端口22到达所述自聚焦透镜3的端面，经过所述反射部分形成发射光，经所述透射部分透射到运动物体4上，并经过所述运动物体4的反射形成传感光，所述反射光与所述传感光从所述环行器2的第三端口23输出到所述耦合器5，所述耦合器10％的输出端输出到直流探测器6进行初相位差的计算，所述耦合器90％输出端输出的光进入交流探测器7后被示波器8记录。其中的耦合器5为2×2的光纤耦合器。

设以运动起始为0时刻，到达交流探测器7中反射光和传感光的振幅分别为E₁₀和E₂₀，光载频的频率为f，相位分别为

和

则二者到达交流探测器7中的光场分别为

由于参考光(反射光)的相位不受运动物体的影响，

为一个常量，所以到达交流探测器7的光强I_detector1为

当运动物体4以极高的加速度快速运动时，相位

也快速的变化，因此只要测得了

的变化，也就测得了运动物体4的运动情况。这就是测相法的基本原理。

应该注意的是：交流探测器7是一个高速交流探测器(通常频率下限在10kHz以上)，所以从探测器7输出进入示波器中的电信号只有(3)式中的交流成份。

设在t＝0时刻，

运动物体的瞬时速度为u(t)，则

到达探测器7的差频光的相位为记

于是

利用手动或者电动的方法，调节初始的光程差，使得

于是，所检测到的交流电流i_detec为

$i_{\det \mathrm{ec}}=2R\sqrt{I_1{I}_2}\sin \left[\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\∫}_0^{t}u\left(t\right)\mathrm{dt}\right]---\left(5\right)$

其中R为探测器的响应度。经过微分后即可得出运动物体的速度、加速度等参数。

当运动物体运动的时间比较长、速度比较大时，相位变化很大，呈周期性，周期数(也称为条纹数)很多。这时，记

为条纹数，则

$u\left(t\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\frac{\∂N}{\∂t}---\left(6\right)$

于是可以通过测量一定时间间隔Δt内的条纹数的变化ΔN，再利用(6)式来测量运动物体的运动速度。

当运动物体的运动时间很短、速度也不特别大时，条纹数很少。若想得到速度变化的过程，不能通过测量一定时间间隔内的条纹数(此时小于一个条纹)来测量运动物体的运动速度。必须通过测量得到(5)式中的相位随时间的变化才能计算出运动物体的运动速度。下面说明如何使用直流探测器6测量到初相位差

根据耦合器的比例关系，到达直流探测器6的光强为

在运动物体不动的情况下，上式变为

根据(8)式，通过调整自聚焦透镜的位置，分别使到达直流探测器的光强达到最大值和最小值，这时(8)式分别写为

$I_{\det \mathrm{ector}2\_\max }=\frac{1}{9}(I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2})---\left(9\right)$

$I_{\det \mathrm{ector}2\_\min }=\frac{1}{9}(I_1+I_2-2\sqrt{I_1{I}_2})---\left(10\right)$

联立以上两式，得到

$I_1+I_2=\frac{9(I_{\det \mathrm{ector}2\_\max }+I_{\det \mathrm{ector}2\_\min })}{2}---\left(11\right)$

$2\sqrt{I_1{I}_2}=\frac{9(I_{\det \mathrm{ector}2\_\max }-I_{\det \mathrm{ector}2\_\min })}{2}---\left(12\right)$

由此可以计算出I₁和I₂，然后再调节自聚焦透镜的位置，使得到达直流探测器的光强为

$I_{\det \mathrm{ector}2\_\mathrm{\π}/2}=\frac{1}{9}(I_1+I_2)---\left(13\right)$

就可以保证

最后利用(6)式得到运动物体的运动速度。

另一方面，本发明还公开了一种相位测速方法，参照图3该方法包括如下步骤：

初相位差检测步骤310，检测出所述反射光与所述传感光光强的初相位差；调节步骤320，利用初相位调节装置调节初相位差的大小，使所述***工作在确定角度；参数计算步骤330，获取光电流强随时间的变化以得到相位随时间的变化，进而测出包括速度与加速度的运动参数。

上述方法实施例的原理及具体的技术细节在***实施例中已经做了清楚完整的说明，在此不再赘述，相互之间互相参照即可。

以上对本发明所提供的一种全光纤测速***、相位测速方法详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种全光纤测速***，其特征在于，包括激光器(1)、环行器(2)、自聚焦透镜(3)和初相位调节装置(10)；所述环行器(2)连接有初相位探测装置(9)和参数计算装置(11)；所述自聚焦透镜(3)的端面是一个部分反射部分透射端面；

所述激光器(1)发出的激光经过所述环行器(2)的第一端口(21)、第二端口(22)、以及所述自聚焦透镜(3)后形成反射光和传感光，并从所述环行器的第三端口(23)输出后进入所述初相位探测装置(9)，检测出所述反射光与所述传感光光强的初相位差，利用所述初相位调节装置(10)调节初相位差的大小，使所述***工作在确定角度；所述参数计算装置(11)获取光电流强度随时间的变化以得到相位随时间的变化，进而测出包括速度与加速度的运动参数。

2.根据权利要求1所述的全光纤测速***，其特征在于，所述环行器(2)的所述第三端口(23)处连接有耦合器(5)，所述耦合器(5)包括第一输出端与第二输出端，所述第一输出端与直流探测器(6)相连接以组成所述初相位探测装置(9)；所述第二输出端、交流探测器(7)、示波器(8)相连接以组成参数计算装置(11)。

3.根据权利要求2所述的全光纤测速***，其特征在于，所述耦合器(5)为2×2的光纤耦合器，由直流探测器(6)检测出运动物体运动前差频信号光强的最小值、最大值来获得初相差。

4.根据权利要求1所述的全光纤测速***，其特征在于，所述第一输出端为10％输出端，所述第二输出端为90％输出端。

5.根据权利要求1所述的全光纤测速***，其特征在于，所述初相位调节装置(10)为手动微调架，用以调节运动物体与所述自聚焦透镜(3)的探头之间光程。

6.根据权利要求1所述的全光纤测速***，其特征在于，所述初相位调节装置(10)为电动微调架，用以调节运动物体与所述自聚焦透镜(3)的探头之间光程。

7.根据权利要求6所述的全光纤测速***，其特征在于，所述电动微调架由微型电机驱动。

8.根据权利要求6所述的全光纤测速***，其特征在于，所述电动微调架由压电陶瓷驱动。

9.一种相位测速方法，基于权利要求1至8中任一所述的全光纤测速***进行相位测速，其特征在于，包括以下步骤：

初相位差检测步骤，检测出所述反射光与所述传感光光强的初相位差；

调节步骤，利用初相位调节装置调节初相位差的大小，使所述***工作在确定角度；

参数计算步骤，获取光电流强度随时间的变化以得到相位随时间的变化，进而测出包括速度与加速度的运动参数。