CN103983340A - 基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量***及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量***,包括脉冲激光器及光探测单元,所述脉冲激光器用于发出高峰值功率、高重复频率的脉冲激光并照射被测目标,所述光探测单元用于接收脉冲激光经被测目标漫反射产生的散斑。本发明采用高峰值功率和高重复率脉冲激光光源替代连续波激光光源,在确保测量安全性(低的激光平均发射功率)的前提下,大幅度提高被测目标返回的回波功率,能够实现对远距离目标的微振动测量,在桥梁和建筑的健康检测、安防***、侦查和反恐、灾难搜救等领域具有非常重要的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及激光散斑测振技术领域,尤其涉及一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量***及测量方法。
背景技术
利用激光对远距离漫反射非合作目标的微小振动进行非接触定点测量在桥梁和建筑健康检测、安防***、侦查和反恐、灾难搜救等领域具有十分重要的应用意义。然而当测量距离较远时,从探测目标返回的激光回波将非常弱,以至难以探测。尽管通过加大激光功率的办法可在一定的程度上提高探测距离,但考虑到测量的安全性和隐蔽性,激光发射功率不可能无限制增加。
基于激光散斑的微振动测量是一种近来出现的一种有别于传统激光多普勒和干涉的微振动测量新途径。基于激光散斑的微振动测量方法具有***简单、无需参考光束、操作容易等优点,引起了广大研究人员的兴趣。该方法的一般原理是:首先将激光照射到被测物体上,由于物体表面的漫反射特性和激光光源的相干性,在反射空间会形成随机分布的散斑场。由于目标的振动,空间散斑场会随目标的微小振动而产生相应的变化,通常体现为散斑图案的平移。通过检测散斑图案的位移变化[如:ZeevZalevsky,Opt.Express17,21566-21580(2009)],或空间散斑场的光通量变化[如:A.A.Veber,ApplPhysB105:613–617(2011)]可检测和还原目标的微小振动信息。前者通过高速成像记录散斑图案序列,然后通过软件处理获取位移和目标振动信息,这种方法对成像器件的帧频和灵敏度有非常高的要求,同时该方法的数据量庞大,后期处理耗时,难以实现测量的实时化。第二种方法直接测量通过光电探测器的光通量或功率的变化,但必须在光电检测端增加具有微小孔径的空间滤波器或光阑模板,以使光通量的变化更好的反映目标的振动信息。然而,具有微小孔径的空间滤波器或光阑模板的加入,势必会使得到达光电探测器的回波功率大幅度下降,对测量带来不利影响,尤其是在远距离测量或目标反射率较低的情况下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量***;本发明同时提供了一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量方法。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量***,包括脉冲激光器及光探测单元,所述脉冲激光器用于发出高峰值功率、高重复频率的脉冲激光并照射被测目标,所述光探测单元用于接收脉冲激光经被测目标漫反射产生的散斑。
优选地,所述光探测单元包括光接收装置及光电探测器,所述光接收装置用于接收脉冲激光经被测目标漫反射产生的散斑,所述光电探测器与所述光接收装置光连接。
优选地,所述光接收装置采用光学接收天线。
优选地,所述光探测单元还包括信号放大电路,所述信号放大电路的信号输入端与所述光电探测器相连。
优选地,其还包括触发电路,所述触发电路输出触发信号到脉冲激光器。
优选地,其还包括采样与量化电路及存储器,所述采样与量化电路的信号输入端分别连接所述信号放大电路和触发电路的信号输出端,所述采样与量化电路的信号输出端与存储器相连。
优选地,其还包括依次串联的滤波电路、功率放大电路及音频设备,所述滤波电路的信号输入端与所述信号放大电路的信号输出端相连。
优选地,其还包括窄带滤光片,所述窄带滤光片设置在所述光电探测单元前端的光路上。
一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量方法,包括以下步骤:
S1、脉冲激光器发出高峰值功率、高重复频率的脉冲激光照射被测目标,并产生脉冲回波,所述脉冲回波为脉冲激光经被测目标漫反射后产生的散斑;
S2、调整进入光接收装置的脉冲回波,使其光通量变化与被测目标的振动幅度和频率达到最佳匹配;
S3、光电探测器探测到通过光接收装置的脉冲回波的光通量变化,并将其转换为光电流的变化;
S4、根据光电流的变化,生成被测目标振动信号包络。
优选地,所述步骤S2通过以下方法实现:通过调整脉冲激光器照射到被测目标的光斑尺寸和光接收装置的接收孔径,控制进入光接收装置的散斑斑点数目及光通量,使进入光接收装置的光通量变化与被测目标振动幅度和频率达到最佳匹配。
采用上述技术方案后,本发明与背景技术相比,具有如下优点:
1、本发明采用高峰值功率和高重复率脉冲激光光源替代连续波激光光源,在确保测量安全性(低的激光平均发射功率)的前提下,大幅度提高被测目标返回的回波功率,能够实现对远距离目标的微振动测量,在桥梁和建筑的健康检测、安防***、侦查和反恐、灾难搜救等领域具有非常重要的实际应用价值。
2、本发明采用具有一定接收孔径的光接收装置单点接收激光回波,而无需采用空间滤波器或光阑模板,避免了由空间滤波器或光阑模板引起的回波功率大幅度下降,从而保证了测量的质量。
附图说明
图1为本发明测量***的结构示意图。
图2为本发明测量方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例一
请参阅图1,一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量***,包括脉冲激光器1、光探测单元2、窄带滤光片3、触发电路4、采样与量化电路5、存储器6、滤波电路7、功率放大电路8及音频设备9,其中:
脉冲激光器1用于发出高峰值功率、高重复频率的脉冲激光并照射被测目标A,发射波长可为可见光波长或红外波长。在本实施例中,脉冲激光器1采用调Q激光器。
参考图1所示,光探测单元2包括光接收装置21、光电探测器22及信号放大电路23,其中:
所述光接收装置21用于接收脉冲激光经被测目标A漫反射产生的散斑,其具有一定的接收孔径。在本实施例中,光接收装置21采用光学接收天线,光学接收天线可以是光学镜头。
所述光电探测器22与所述光接收装置21光连接,其可采用光电二极管、雪崩二极管或光电倍增管。在本实施例中,光电探测器22采用光电倍增管。
信号放大电路23的信号输入端与所述光电探测器22相连。
当然,光接收装置21和光电探测器22也可集成于一体,直接采用单点光电探测器来实现。
窄带滤光片3设置在所述光电探测单元前端的光路上,这样可以降低环境杂散光的影响,提高本发明测量***的信噪比。
触发电路4输出触发信号到脉冲激光器1,触发信号的频率与脉冲激光器1所发射的激光脉冲频率相同。
所述采样与量化电路5的信号输入端分别连接所述信号放大电路23和触发电路4的信号输出端,所述采样与量化电路5的信号输出端与存储器6相连,这样就可以采用与激光脉冲同频率的峰值采样方式进行同步采样和量化,从而实现被测目标A微振动的实时数字化记录和存储。本领域技术人员应该理解的是,由于激光脉冲回波存在一定的时延,所以应该根据测量距离的不同,对采样触发信号进行一定量的时延处理。
滤波电路7、功率放大电路8及音频设备9依次串联,所述滤波电路7的信号输入端与所述信号放大电路23的信号输出端相连,音频设备9可采用扬声器或耳机。
实施例二
请参阅图1和图2所示,一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量方法,包括以下步骤:
S1、脉冲激光器1发出高峰值功率、高重复频率的脉冲激光照射被测目标A,并产生脉冲回波,脉冲激光的重复频率应大于被测目标A最高振动频率的两倍。这里提到的“脉冲回波”指的是,脉冲激光经被测目标A漫反射后所产生的散斑。
S2、调整进入光接收装置21的脉冲回波,使其光通量变化与被测目标A的振动幅度和频率达到最佳匹配。该步骤具体通过以下方法实现:
通过调整脉冲激光器1照射到被测目标A的光斑尺寸和光接收装置21的接收孔径,控制进入光接收装置21的散斑斑点数目及光通量,使进入光接收装置21的光通量变化与被测目标A振动幅度和频率达到最佳匹配。
S3、光电探测器22探测到通过光接收装置21的脉冲回波的光通量变化,并将其转换为光电流的变化;
S4、根据光电流的变化,生成被测目标A的振动信号包络。该步骤可通过以下方式实现:
方式一、采用与激光脉冲同频率的峰值采样方式进行同步采样和量化,实现被测目标A微振动的实时数字化记录和存储。
方式二、采用采用远超于脉冲重复频率的高速采样方式进行采样和量化,然后通过数字滤波或软件后期处理重建振动信号包络。
方式三、通过滤波电路7滤除高频载波,实时重建振动信号包络,然后通过功率放大电路8和音频设备9进行实时播放。
通过以上描述可以看出,本发明可在确保测量安全性的前提下,大幅度提高被测目标返回的回波功率,增加微振动测量的距离;另外通过同步测量和记录被测目标微振动引起的光通量(功率)变化,实现了远距离目标微振动的实时测量和数字化记录。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量***,其特征在于:包括脉冲激光器及光探测单元,所述脉冲激光器用于发出高峰值功率、高重复频率的脉冲激光并照射被测目标,所述光探测单元用于接收脉冲激光经被测目标漫反射产生的散斑。
2.如权利要求1所述的一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量***,其特征在于:所述光探测单元包括光接收装置及光电探测器,所述光接收装置用于接收脉冲激光经被测目标漫反射产生的散斑,所述光电探测器与所述光接收装置光连接。
3.如权利要求2所述的一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量***,其特征在于:所述光接收装置采用光学接收天线。
4.如权利要求2所述的一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量***,其特征在于:所述光探测单元还包括信号放大电路,所述信号放大电路的信号输入端与所述光电探测器相连。
5.如权利要求3所述的一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量***,其特征在于:其还包括触发电路,所述触发电路输出触发信号到脉冲激光器。
6.如权利要求5所述的一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量***,其特征在于:其还包括采样与量化电路及存储器,所述采样与量化电路的信号输入端分别连接所述信号放大电路和触发电路的信号输出端,所述采样与量化电路的信号输出端与存储器相连。
7.如权利要求4、5或6所述的一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量***,其特征在于:其还包括依次串联的滤波电路、功率放大电路及音频设备,所述滤波电路的信号输入端与所述信号放大电路的信号输出端相连。
8.如权利要求1所述的一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量***,其特征在于:其还包括窄带滤光片,所述窄带滤光片设置在所述光电探测单元前端的光路上。
9.一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、脉冲激光器发出高峰值功率、高重复频率的脉冲激光照射被测目标,并产生脉冲回波,所述脉冲回波为脉冲激光经被测目标漫反射后产生的散斑;
S2、调整进入光接收装置的脉冲回波,使其光通量变化与被测目标的振动幅度和频率达到最佳匹配;
S3、光电探测器探测到通过光接收装置的脉冲回波的光通量变化,并将其转换为光电流的变化;
S4、根据光电流的变化,生成被测目标振动信号包络。
10.如权利要求9所述的一种基于远距离脉冲激光散斑的微振动测量方法,其特征在于,所述步骤S2通过以下方法实现:通过调整脉冲激光器照射到被测目标的光斑尺寸和光接收装置的接收孔径,控制进入光接收装置的散斑斑点数目及光通量,使进入光接收装置的光通量变化与被测目标振动幅度和频率达到最佳匹配。
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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