CN106643811B - 光纤多频振动检测与补偿***及方法 - Google Patents

光纤多频振动检测与补偿***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤内多频振动检测与补偿***，旨在提供一种能够快速、准确测量并补偿光纤内多种频率的振动以降低光纤几何量测量仪器的误差和光纤物理量测量传感器的噪声的方法。它包括高稳频激光发生模块、振动信号引入与波分复用模块、外差干涉光路与振动信号探测模块、多普勒信号采集处理与补偿模块四个部分，将被补偿的光纤内的振动信号引入到光纤振动与补偿***中，通过外差干涉光路采集到振动信号，通过多普勒信号的频谱分析处理收集到的光纤内的多频振动信号，通过与被补偿***相连接的通信接口将振动信号传输到被补偿***，实现光纤内振动信号的补偿。可实现大带宽，多频率的光纤内快速振动测量和补偿。

Description

光纤多频振动检测与补偿***及方法
技术领域
本发明涉及一种测量并补偿光纤内的多频振动的方法，特别是涉及到光纤式激光干涉光路中的多频振动补偿技术和部分光纤传感器的降噪技术。
背景技术
光纤广泛应用于激光干涉仪、激光雷达和激光跟踪仪等激光几何量测量仪器和温/湿度传感器、电/磁场传感器和浓度传感器等物理量测量仪器中。在几何量测量中，光纤作为传光器件，外界的振动和冲击会改变光纤的形状进而改变光纤内光路的长度及光波的相位，大的振动和冲击或者是长光纤内的轻微振动甚至会改变干涉条纹的数量，这对激光的绝对干涉测量和增量干涉测量的精度都会产生严重影响；而在对物理量进行测量的光纤传感器中，由光纤振动带来的信号变化是该类传感器的主要噪声来源。现有的被动式振动隔离技术是采用隔振台或吸振材料对测量装置做一个包裹，此类方法隔振能力有限，遇到强烈振动或低频振动其隔离效果就很差。目前广泛采用的主动式振动隔离技术是用压电陶瓷结合一系列光电探测与调理器件配合软件实现，不仅实现复杂，成本很高而且只能补偿幅值较大、频率较低的振动或冲击信号，不能满足上述两方面精密测量的需求。更重要的是，光纤内振动信号非常复杂，对外表现出来的往往不是单一频率的振动，而是混杂了多个振动频率的振动，行业上需要一种能同时检测多种频率的光纤振动并实时补偿的技术。
发明内容
本发明克服了现有技术的缺点，提供了一种测振带宽大，精度高，能够实时补偿多种振动信号的光纤振动检测与补偿装置。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种光纤多频振动检测与补偿***，包括：高稳频激光发生模块，用于产生稳定的单频激光，从而给光纤多频振动检测与补偿***提供稳定的光源；振动信号引入与波分复用模块，用于将被补偿***的光信号和光纤多频振动检测与补偿***的光信号一起复用到被补偿光纤上，通过被补偿光纤后将两个频率的光信号分色并分别送回到被补偿***和光纤多频振动检测与补偿***中；外差干涉信号与振动信号探测模块，用于将光纤内引入的振动信号通过激光干涉测量的方法检测出来，外差干涉信号由高速光电探测器探测；多普勒信号采集处理与补偿模块，用于读取并处理高速光电探测器探测到的振动信号，选取信号中由振动引起的多个有效的多普勒频移，并对多普勒频移进行跟踪，同时在整个测量周期内监控新的振动信号的产生和旧的振动信号的消失，换算出振动的实时位移，通过通信接口对被补偿***进行振动补偿。
进一步讲：
所述高稳频激光发生模块为连续波激光器，用于给光纤振动检测与补偿***提供光信号，所述的连续波激光器的出射光频率要与被补偿***的光频率不同；
所述振动信号引入与波分复用模块包括两个2×1双波长波分复用器和被检测的光纤，所述2×1双波长波分复用器有三个引脚，分别为两个单频引脚和一个双频引脚；2×1双波长波分复用器所支持的两个光频率分别为被补偿***的光频率和所述连续波激光器的光频率；两个2×1双波长波分复用器包括第一2×1双波长波分复用器和第二2×1双波长波分复用器，所述第一2×1双波长波分复用器将检测振动信号所用的单频激光与被补偿***的激光复用到一根光纤里，输出端连接到被补偿的光纤中，所述第二2×1双波长波分复用器反接使用，将被补偿光纤中的双频输出信号分色成两路单频信号分别接入到光纤振动检测与补偿***和被补偿***中；
所述外差干涉光路与振动信号探测模块包含一个固定调制频率的光调制器、一个2×1光纤耦合器、两个光纤准直器、两个反射镜、一个分光棱镜、一个聚焦透镜和一个高速光电探测器；上述的2×1光纤耦合器、光纤准直器、反射镜、分光棱镜、聚焦透镜和高速光电探测器的工作频段包含连续波激光器的发射光频；所述高速光电探测器的探测上限高于光调制器的调制频率；所述2×1光纤耦合器将连续波激光器的出射光分为两路：其中一路通过光调制器调频后经一光纤准直器发出变为空间光；另外一路直接由另一光纤准直器发出为空间光，然后再利用一反射镜和分光棱镜搭建一个马赫增德尔干涉光路；上述两路光在分光棱镜上发生干涉，干涉信号经另一个反射镜配合聚焦透镜将光投射到高速光电探测器的光敏面上，至此完成了振动信号探测；
所述多普勒信号采集处理与补偿模块包含一个高速模拟数字信号转换器、一个主控芯片和一个通信接口，所述高速模拟数字信号转换器的位数不低于12位，采样率不小于上述光调制器调制频率的2倍；所述主控芯片是单片机或是现场可编程逻辑阵列，所述主控芯片的时钟频率高于上述高速模拟数字信号转换器采样率的四倍；所述通信接口与被补偿***的控制单元相配合；所述高速模拟数字信号转换器与上述外差干涉光路与振动信号探测模块中的高速光电探测器相连，振动信号被高速模拟数字信号转换器采集后送入所述主控芯片，在主控芯片中做分时傅里叶变换，采集变换后的多个脉冲，用频谱强度和频率间隔筛选法确定有效多普勒频移，用阈值内相关频率跟踪法跟踪振动信号的多普勒频移变化，同时，在整个测量周期内监控新的振动信号的产生和旧的振动信号的消失，得出时间——频率特性，进而还原出振动信号；提取出有效的多普勒频移，并将有效的多普勒频移换算成振动的瞬时速度再进一步转换出多频振动的位移，所有频率振动的位移累加为光纤内振动的实际位移；转换得到的振动信号经通信接口传输给被补偿***的控制单元做数据补偿。
一种光纤多频振动检测与补偿方法，利用上述光纤多频振动检测与补偿***，所述多普勒信号采集处理与补偿模块使用分时傅里叶算法进行分时傅里叶变换，每次取相同长度的数据做傅里叶变换，分别找出每次傅里叶变换后的多普勒频移，根据多普勒频移代入公式，
vnm＝c×fdnm/f0
式中，vnm为振动速度，c为光的运行速度(3×108m/s2)，fdnm为多普勒频移，f0为所用的高稳频连续波激光器出射的光的频率，利用上式求出振动速度，对于每次取出的循环上述过程做傅里叶变换，直到数据用完。
进一步讲：
所述多普勒信号采集处理与补偿模块用频谱强度和频率间隔筛选法确定有效多普勒频移，即：傅里叶变换后压缩脉宽到限定值，凡是两个脉冲相隔频率小于限定值的取峰值最高的脉冲，将傅里叶变换后的频谱中所有高于频谱最高点一定比例的脉冲记为有效脉冲，有效脉冲波峰所对应的横坐标减去光调制器的调制频率即为振动信号对应的多普勒频移；
所述多普勒信号采集处理与补偿模块用阈值内相关频率跟踪法跟踪振动信号的有效多普勒频移的变化，即：在频谱强度和频率间隔筛选法确定的有效脉冲波峰所对应的横坐标周围设定阈值，下一次傅里叶变换后新的有效脉冲的波峰对应的横坐标落在该阈值内，该脉冲视为上次傅里叶变换该阈值内脉冲的相关脉冲，相关脉冲的波峰对应的横坐标频率记为上次傅里叶变换该阈值内脉冲波峰对应横坐标频率的相关频率，相关频率对应的振动速度之间积分重构计算出一个振动信号，所有振动信号的位移累加为光纤内振动的实际位移。
下一次傅里叶变换后新的脉冲的波峰对应的横坐标落在上次傅里叶变换后横坐标设定的阈值外，经频谱强度和频率间隔筛选法判定为有效脉冲的，记为新的振动信号产生。
下一次傅里叶变换后没有新的脉冲的波峰对应的横坐标落在上次傅里叶变换后横坐标设定的阈值内，记为旧的振动信号消失。
下一次傅里叶变换后有多个新的脉冲的波峰对应的横坐标落在上次傅里叶变换后横坐标设定的阈值内，只取波峰对应的强度最高的脉冲记为相关脉冲。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)能检测并补偿的振动信号的带宽很大，其频率范围从直流到高速模拟数字信号转换器采样率的二分之一；(2)能检测到光纤内的多种振动频率并实时补偿；(3)振动的检测和补偿的精度高。
附图说明
图1是多普勒信号采集处理与补偿模块的算法流程图；
图2是频谱强度和频率间隔筛选法算法流程图；
图3是阈值内相关频率跟踪法算法流程图；
图4是本发明光纤多频振动检测与补偿***的具体结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明提供的用于光纤振动检测与补偿的装置包括四个部分：高稳频激光发生模块、振动信号引入与波分复用模块、外差干涉光路与振动信号探测模块、多普勒信号采集处理与补偿模块。这四个部分具体结构和功能为：
高稳频激光发生模块，为频率稳定性极好的高稳频连续波激光器1，用于产生稳定的单频激光，从而给光纤多频振动检测与补偿***提供稳定的光源(光信号)，所述连续波激光器1的出射光频率要与被补偿***的光频率不同。
振动信号引入与波分复用模块，用于将被补偿***的光信号和光纤多频振动检测与补偿***的光信号一起复用到被补偿光纤上，通过被补偿光纤后将两个频率的光信号分色并分别送回到被补偿***和光纤多频振动检测与补偿***中；如图4所示，所述振动信号引入与波分复用模块包括两个2×1双波长波分复用器和被检测的光纤17，所述2×1双波长波分复用器有三个引脚，分别为两个单频引脚和一个双频引脚；2×1双波长波分复用器所支持的两个光频率分别为被补偿***的光频率和所述连续波激光器1的光频率；两个2×1双波长波分复用器包括第一2×1双波长波分复用器5和第二2×1双波长波分复用器6，所述第一2×1双波长波分复用器5将检测振动信号所用的单频激光与被补偿***的激光复用到一根光纤里，输出端连接到被补偿的光纤17中，所述第二2×1双波长波分复用器6反接使用，将被补偿光纤中的双频输出信号分色成两路单频信号分别接入到光纤振动检测与补偿***和被补偿***中。
外差干涉信号与振动信号探测模块，用于将光纤内引入的振动信号通过激光干涉测量的方法检测出来，外差干涉信号由高速光电探测器探测；如图4所示，所述外差干涉光路与振动信号探测模块包含一个固定调制频率的光调制器4、一个2×1光纤耦合器2、两个光纤准直器3和7、两个反射镜8和10、一个分光棱镜9、一个聚焦透镜11和一个高速光电探测器12；上述的2×1光纤耦合器2、光纤准直器3和7、反射镜8和10、分光棱镜9、聚焦透镜11和高速光电探测器12的工作频段包含连续波激光器1的发射光频；所述高速光电探测器12的探测上限高于光调制器4的调制频率；所述2×1光纤耦合器2将连续波激光器1的出射光分为两路：其中一路通过光调制器4调频后经一光纤准直器7发出变为空间光；另外一路直接由另一光纤准直器3发出为空间光，然后再利用一反射镜8和分光棱镜9搭建一个马赫增德尔干涉光路；上述两路光在分光棱镜9上发生干涉，干涉信号经另一个反射镜10配合聚焦透镜11将光投射到高速光电探测器12的光敏面上，至此完成了振动信号探测。
多普勒信号采集处理与补偿模块，用于读取并处理高速光电探测器探测到的振动信号，选取信号中由振动引起的多个有效的多普勒频移，并对多普勒频移进行跟踪，同时在整个测量周期内监控新的振动信号的产生和旧的振动信号的消失，换算出振动的实时位移，通过通信接口对被补偿***进行振动补偿。如图4所示，所述多普勒信号采集处理与补偿模块包含一个高速模拟数字信号转换器13、一个主控芯片14和一个通信接口15，所述高速模拟数字信号转换器13的位数不低于12位，采样率不小于上述光调制器4调制频率的2倍；所述主控芯片14是单片机或是现场可编程逻辑阵列，所述单片机或是现场可编程逻辑阵列的时钟频率高于上述高速模拟数字信号转换器13采样率的四倍；所述通信接口15与被补偿***的控制单元16相配合；所述高速模拟数字信号转换器13与上述外差干涉光路与振动信号探测模块中的高速光电探测器12相连，振动信号被高速模拟数字信号转换器13采集后送入所述主控芯片14，在主控芯片14中做分时傅里叶变换，采集变换后的多个脉冲，用频谱强度和频率间隔筛选法确定有效多普勒频移，用阈值内相关频率跟踪法跟踪振动信号的多普勒频移变化，同时，在整个测量周期内监控新的振动信号的产生和旧的振动信号的消失，得出时间——频率特性，进而还原出振动信号；提取出有效的多普勒频移，并将有效的多普勒频移换算成振动的瞬时速度再进一步转换出多频振动的位移，所有频率振动的位移累加为光纤内振动的实际位移；转换得到的振动信号经通信接口15传输给被补偿***的控制单元16做数据补偿。
如图4所示，本发明光纤振动检测与补偿***，其中高稳频连续波激光器1发出的单频激光经光纤耦合器2分成两路光，一路经一光纤准直器3出射为空间光，另一路通过光调器4调制上一个射频信号，之后与被补偿***的测量光分别进入第一2×1双波长波分复用器5的两个单频引脚里。两路光在波分复用器里混合成一路从2×1双波长波分复用器5的双频引脚接入到所需补偿的光纤17中，从光纤17的另一引脚输出的光已经引入振动信号，该信号从第二2×1双波长波分复用器6的双频引脚接入，从第二2×1双波长波分复用器6两个单频输出引脚分别输出混合了振动信号的检测光频，和应该回到被补偿***的光频。将检测光频经过另一光纤准直器7变成空间光输入光纤振动检测与补偿***的外差干涉光路，应该回到被补偿***的光频输入原来的被补偿***。经所述光纤准直器3出射的空间光经一反射镜8反射，和经所述光纤准直器7出射的光在分光棱镜9上发生干涉，干涉信号经另一反射镜10反射到聚焦透镜11，聚焦透镜11将光聚焦到高速光电探测器12的光敏面上。高速光电探测器12将探测到的光信号转换成电信号，经高速模拟数字信号转换器13转换成数字信号送入主控芯片14做信号处理。处理后的信号经通信接口15送入被补偿***的控制单元16完成振动补偿工作。
本发明中，多普勒信号采集处理与补偿模块使用分时傅里叶算法进行分时傅里叶变换的流程，每次取相同长度的数据做傅里叶变换，分别找出每次傅里叶变换后的多普勒频移，根据多普勒频移代入公式，
vnm＝c×fdnm/f0
式中，vnm为振动速度，c为光的运行速度(3×108m/s2)，fdnm为多普勒频移，f0为所用的高稳频连续波激光器出射的光的频率，利用上式求出振动速度，对于每次取出的数据循环上述过程座傅里叶变换，直到数据用完。
图1示出了本发明中多普勒信号采集处理与补偿模块的算法流程图，高速模拟数字信号转换器采集到一串有效信号，先选取信号的前N个数据，对其做傅里叶变换。所述频谱强度和频率间隔筛选法是指首先对傅里叶变换后的频谱压缩脉冲宽度使脉冲宽度均小于设定值(记为δ)，选取频谱中强度最高点(记为A)，其所对应的横坐标频率记为fn1(第一个下标n代表分时傅里叶变换的次数，第二个下标m代表每次傅里叶变换中选取有效波峰的次序)。寻找整个频谱内的脉冲，凡是两个脉冲之间频率相距低于限定值δ的，只留取脉冲峰值最高的那个脉冲，其余脉冲视为旁瓣，直接略去；凡是脉冲最高点对应的强度大于或等于60％A的都记为有效脉冲，其脉冲最高点对应横坐标频率记为fn2、fn3、fn4……其它脉冲记为无效脉冲，直接略去。所述阈值内相关频率跟踪法是指以fn1、fn2、fn3、fn4……为中心频率设置横坐标阈值(记为σ)，下次傅里叶变换后在阈值σ内的的脉冲可判定为相关脉冲，脉冲波峰对应的频率为相关频率。若落在阈值外则用频谱强度和频率间隔筛选法判断是否为新的振动出现，不是则舍弃；若出现两个或两个以上相关脉冲则只取脉冲强度最高的脉冲为有效相关脉冲；若没有脉冲波峰落在阈值内，则视为旧的振动信号消失。将上述选定的有效横坐标值fn1、fn2、fn3、fn4……分别减去光调制器的调制频率得出每个振动信号对应的多普勒频移fdnm，将求得的多普勒频移代入公式
vnm＝c×fdnm/f0
算出每个振动频率对应的瞬时振动速度，vnm为振动速度，c为光的运行速度(3×108m/s2)，fdnm为多普勒频移，f0为所用的高稳频连续波激光器出射的光的频率。记录下该速度，把v1m、v2m……vnm进行关于时间的积分就得到每个振动频率对应的振动的位移，所有振动信号的位移累加为光纤内振动的实际位移，同时经通信接口对被补偿***的结果进行补偿。在整个测量周期内允许新的有效脉冲出现或旧的有效脉冲消失，这样就能完整的检测到测量过程中新出现的振动，也可以及时剔除已经停止的振动，避免漏补偿或过补偿。上述方法使得被补偿***消去部分变化的随机误差，只留下一个固定的***误差，可以通过最终的数据处理把***误差消掉。
接下来，依次取数据中第N～2N、2N～3N……各N个点重复上述过程，直到超出采样点数，从而完成对光纤的多频振动检测与补偿。
图2示出了频谱强度和频率间隔筛选法算法流程图，所述多普勒信号采集处理与补偿模块用频谱强度和频率间隔筛选法确定有效多普勒频移，即：傅里叶变换后压缩脉宽到限定值，凡是两个脉冲相隔频率小于限定值的取峰值最高的脉冲，将傅里叶变换后的频谱中所有高于频谱最高点一定比例的脉冲记为有效脉冲，有效脉冲波峰所对应的横坐标减去光调制器的调制频率即为振动信号对应的多普勒频移。
图3示出了阈值内相关频率跟踪法算法流程图，在有效脉冲波峰所对应的横坐标周围设定阈值，下一次傅里叶变换后新的有效脉冲的波峰对应的横坐标落在该阈值内，该脉冲视为上次傅里叶变换该阈值内脉冲的相关脉冲，相关脉冲的波峰对应的横坐标频率记为上次傅里叶变换该阈值内脉冲波峰对应横坐标频率的相关频率，相关频率对应的振动速度之间积分重构计算出一个振动信号，所有振动信号的位移累加为光纤内振动的实际位移。
下一次傅里叶变换后新的脉冲的波峰对应的横坐标落在上次傅里叶变换后横坐标设定的阈值外，经频谱强度和频率间隔筛选法判定为有效脉冲的，记为新的振动信号产生。
下一次傅里叶变换后没有新的脉冲的波峰对应的横坐标落在上次傅里叶变换后横坐标设定的阈值内，记为旧的振动信号消失。
下一次傅里叶变换后有多个新的脉冲的波峰对应的横坐标落在上次傅里叶变换后横坐标设定的阈值内，只取波峰对应的强度最高的脉冲记为相关脉冲。
实施例：
如图4所示，一台光纤式马赫增德尔干涉仪的参考臂是由1m长的光纤17构成，测量臂为空间光，在工业现场进行大尺寸激光干涉测距，所用光源为1550nm红外激光，测距精度为1μm。实际使用时，工业现场机器的振动会传导到干涉仪的参考臂17上，参考臂光纤17每1μm的振动都会严重影响测量结果。应用本发明来进行参考臂光纤17振动补偿的过程为：
光纤多频振动检测与补偿***使用850nm波长高稳频氦氖激光器1，其发出的光经光纤耦合器2分为两路，其中一路经过调制频率为40MHz的声光调制器4进入波分复用器5的850nm光频入口；同时被补偿的马赫增德尔干涉仪的1550nm激光器发出的光通过波分复用器5的1550nm光频入口与上述光频汇合，共同经波分复用器的双频端口输入到该马赫增德尔干涉仪的参考臂17上。经参考臂17引入外界振动之后用经另一个波分复用器6反接，把850nm和1550nm的信号分别输送回光纤多频振动检测与补偿***和被补偿的马赫增德尔干涉仪。被补偿的马赫增德尔干涉仪其它部分保持不变；光纤多频振动检测与补偿***的外差干涉光路与振动信号探测模块也是马赫增德尔干涉结构，上述的850nm波长高稳频氦氖激光器1与光纤耦合器2的一路、声光调制器4、波分复用器5、参考臂17、波分复用器6和光纤准直器7顺序相连，结合从光纤准直器7出射的空间光构成了马赫增德尔干涉结构的测量臂；光纤耦合器2的另一路与光纤准直器3相连，结合从光纤准直器3出射的光和反射镜8反射的光构成了马赫增德尔干涉结构的参考臂。两臂的光路在分光棱镜9上产生干涉，干涉信号经反射镜10、聚焦透镜11汇聚到高速光电探测器12的光敏面上完成振动信号的探测。
探测后的信号用一片16位模拟数字转换器以120MS/s的采样率进行采样，使用一块32位时钟频率500MHz的单片机做主控芯片。采得的数据先寄存到主控芯片的存储空间里，先取前1000个数据点用FFT算法做傅里叶变换(短时傅里叶变换，1000个点对应的样品时间为8.3333ns)，对频谱做压缩处理后检测到在41.05211MHz出现强度最高点，同时只有在43.28566MHz上出现一个另一个脉冲波峰，强度为最高点的80％，两个频率相差超过1MHz，所以记41.05211MHz和43.28566MHz两个频率为有效频率。取1MHz作为横坐标阈值，跟踪41.05211MHz和43.28566MHz两个频率前后1MHz的波峰。下一次的傅里叶变换凡是波峰出现在40.05211MHz到42.05211MHz的频率都可以认为是与首次产生41.05MHz频率的相同振动源产生的，即为相关频率；后续的傅里叶变换凡是波峰出现在42.28566MHz到44.28566MHz的频率都可以认为是与首次产生43.28MHz频率相同振动源产生的，即为相关频率。同时将得到的41.05211MHz和43.28566MHz两个频率分别减去声光调制器的调制频率(40MHz)得到多普勒频移fd11＝1.05211MHz和fd12＝3.28566MHz。将fd11＝1.05211MHz和fd12＝3.28566MHz两个频率分别代入公式
vnm＝cfdnm/f0
其中f0是850nm单频激光的光频，为352.94118THz。求得的瞬时振动速度为0.89429m/s和2.79281m/s。
取第1001到2000共1000个点重复上述计算，在41.32788MHz和43.85441MHz得到两个有效频率，他们与第一次傅里叶变换41.05211MHz和43.28566MHz分别相差不到1MHz，认定第二次傅里叶变换得到的41.32788MHz为第一次傅里叶变换得到的41.05211MHz的相关频率；第二次傅里叶变换得到的43.85441MHz为第一次傅里叶变换得到的43.28566MHz的相关频率。此时仍然用阈值内相关频率跟踪法，设置1MHz为阈值，第三次傅里叶变换后40.32788MHz～42.32788MHz范围内的脉冲波峰对应的频率认定为41.32788MHz的相关频率；42.85441MHz～44.85441MHz范围内的脉冲波峰对应的频率认定为43.85441MHz的相关频率。将41.32788MHz和43.85441MHz两个频率减去声光调制器的调制频率40MHz得到多普勒频移fd11＝1.32788MHz和fd12＝3.85441MHz。仍然代入公式
vnm＝cfdnm/f0
得到另一组振动速度v21＝2.05821m/s、v22＝5.97434m/s。将v11、v21和v12、v22分别对时间做积分，得出两个振动源这一段时间引起的位移量分别是12.25288nm和36.38267nm，振动方向相同，累加得到这一段时间内光纤内振动的累积位移为48.63655nm，用SPI串行通信接口把补偿的数据传输到被补偿的马赫增德尔干涉仪的控制单元上。再取2001到3000共1000个点重复上述过程……如此以每1000个点为循环单元，直到用完所有数据。最终使被补偿的马赫增德尔干涉仪因参考臂光纤振动引入的随机误差被补偿掉，只留下一个固定的***误差可以在标定拟合阶段通过最终的数据处理消去。
一次补偿所需的时间不超过1μs，补偿的精度不低于10nm。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种光纤多频振动检测与补偿***，其特征在于，包括：
高稳频激光发生模块，用于产生稳定的单频激光，从而给光纤多频振动检测与补偿***提供稳定的光源；
振动信号引入与波分复用模块，用于将被补偿***的光信号和光纤多频振动检测与补偿***的光信号一起复用到被补偿的光纤上，通过被补偿的光纤后将两个频率的光信号分色并分别送回到被补偿***和光纤多频振动检测与补偿***中；
外差干涉信号与振动信号探测模块，用于将光纤内引入的振动信号通过激光干涉测量的方法检测出来，外差干涉信号由高速光电探测器探测；
多普勒信号采集处理与补偿模块，用于读取并处理高速光电探测器探测到的振动信号，选取信号中由振动引起的多个有效的多普勒频移，并对多普勒频移进行跟踪，同时在整个测量周期内监控新的振动信号的产生和旧的振动信号的消失，换算出振动的实时位移，通过通信接口对被补偿***进行振动补偿。
2.根据权利要求1所述光纤多频振动检测与补偿***，其特征在于，
所述高稳频激光发生模块为连续波激光器(1)，用于给光纤多频振动检测与补偿***提供光信号，所述的连续波激光器的出射光频率要与被补偿***的光频率不同；
所述振动信号引入与波分复用模块包括两个2×1双波长波分复用器和被检测的光纤(17)，所述2×1双波长波分复用器有三个引脚，分别为两个单频引脚和一个双频引脚；2×1双波长波分复用器所支持的两个光频率分别为被补偿***的光频率和所述连续波激光器(1)的光频率；两个2×1双波长波分复用器包括第一2×1双波长波分复用器(5)和第二2×1双波长波分复用器(6)，所述第一2×1双波长波分复用器(5)将检测振动信号所用的单频激光与被补偿***的激光复用到一根光纤里，输出端连接到被补偿的光纤(17)中，所述第二2×1双波长波分复用器(6)反接使用，将被补偿的光纤中的双频输出信号分色成两路单频信号分别接入到光纤多频振动检测与补偿***和被补偿***中；
所述外差干涉信号与振动信号探测模块包含一个固定调制频率的光调制器(4)、一个2×1光纤耦合器(2)、两个光纤准直器(3、7)、两个反射镜(8、10)、一个分光棱镜(9)、一个聚焦透镜(11)和一个高速光电探测器(12)；上述的2×1光纤耦合器(2)、光纤准直器(3、7)、反射镜(8、10)、分光棱镜(9)、聚焦透镜(11)和高速光电探测器(12)的工作频段包含连续波激光器(1)的发射光频；所述高速光电探测器(12)的探测上限高于光调制器(4)的调制频率；所述2×1光纤耦合器(2)将连续波激光器(1)的出射光分为两路：其中一路通过光调制器(4)调频后经一光纤准直器(7)发出变为空间光；另外一路直接由另一光纤准直器(3)发出为空间光，然后再利用一反射镜(8)和分光棱镜(9)搭建一个马赫增德尔干涉光路；上述两路光在分光棱镜(9)上发生干涉，干涉信号经另一个反射镜(10)配合聚焦透镜(11)将光投射到高速光电探测器(12)的光敏面上，至此完成了振动信号探测；
所述多普勒信号采集处理与补偿模块包含一个高速模拟数字信号转换器(13)、一个主控芯片(14)和一个通信接口(15)，所述高速模拟数字信号转换器(13)的位数不低于12位，采样率不小于上述光调制器(4)调制频率的2倍；所述主控芯片(14)是单片机或是现场可编程逻辑阵列，所述主控芯片(14)的时钟频率高于上述高速模拟数字信号转换器(13)采样率的四倍；所述通信接口(15)与被补偿***的控制单元(16)相配合；所述高速模拟数字信号转换器(13)与上述外差干涉信号与振动信号探测模块中的高速光电探测器(12)相连，振动信号被高速模拟数字信号转换器(13)采集后送入所述主控芯片(14)，在主控芯片(14)中做分时傅里叶变换，采集变换后的多个脉冲，用频谱强度和频率间隔筛选法确定有效多普勒频移，用阈值内相关频率跟踪法跟踪振动信号的多普勒频移变化，同时，在整个测量周期内监控新的振动信号的产生和旧的振动信号的消失，得出时间——频率特性，进而还原出振动信号；提取出有效的多普勒频移，并将有效的多普勒频移换算成振动的瞬时速度再进一步转换出多频振动的位移，所有频率振动的位移累加为光纤内振动的实际位移；转换得到的振动信号经通信接口(15)传输给被补偿***的控制单元(16)做数据补偿。
3.一种光纤多频振动检测与补偿方法，其特征在于，利用如权利要求2所述光纤多频振动检测与补偿***，所述多普勒信号采集处理与补偿模块使用分时傅里叶算法进行分时傅里叶变换，每次取相同长度的数据做傅里叶变换，分别找出每次傅里叶变换后的多普勒频移，根据多普勒频移代入公式，
vnm＝c×fdnm/f0
式中，n代表分时傅里叶变换的次数，m代表每次傅里叶变换中选取有效波峰的次序，vnm为振动速度，c为光的运行速度(3×108m/s2)，fdnm为多普勒频移，f0为所用的高稳频连续波激光器出射的光的频率，利用上式求出振动速度，对于每次取出的数据循环上述过程做傅里叶变换，直到数据用完。
4.根据权利要求3所述光纤多频振动检测与补偿方法，其特征在于，所述多普勒信号采集处理与补偿模块用频谱强度和频率间隔筛选法确定有效多普勒频移，即：傅里叶变换后压缩脉宽到限定值，凡是两个脉冲相隔频率小于限定值的取峰值最高的脉冲，将傅里叶变换后的频谱中所有高于频谱最高点一定比例的脉冲记为有效脉冲，有效脉冲波峰所对应的横坐标减去光调制器的调制频率即为振动信号对应的多普勒频移；
所述多普勒信号采集处理与补偿模块用阈值内相关频率跟踪法跟踪振动信号的有效多普勒频移的变化，即：在频谱强度和频率间隔筛选法确定的有效脉冲波峰所对应的横坐标周围设定阈值，下一次傅里叶变换后新的有效脉冲的波峰对应的横坐标落在该阈值内，该新的有效脉冲视为上次傅里叶变换该阈值内脉冲的相关脉冲，相关脉冲的波峰对应的横坐标频率记为上次傅里叶变换该阈值内脉冲波峰对应横坐标频率的相关频率，相关频率对应的振动速度之间积分重构计算出一个振动信号，所有振动信号的位移累加为光纤内振动的实际位移。
5.根据权利要求4所述光纤多频振动检测与补偿方法，其特征在于，下一次傅里叶变换后新的脉冲的波峰对应的横坐标落在上次傅里叶变换后横坐标设定的阈值外，经频谱强度和频率间隔筛选法判定为有效脉冲的，记为新的振动信号产生。
6.根据权利要求4所述光纤多频振动检测与补偿方法，其特征在于，下一次傅里叶变换后没有新的脉冲的波峰对应的横坐标落在上次傅里叶变换后横坐标设定的阈值内，记为旧的振动信号消失。
7.根据权利要求4所述光纤多频振动检测与补偿方法，其特征在于，下一次傅里叶变换后有多个新的脉冲的波峰对应的横坐标落在上次傅里叶变换后横坐标设定的阈值内，只取波峰对应的强度最高的脉冲记为相关脉冲。
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