CN108401555B - 基于光纤波导调制的微振动测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤波导调制的微振动测量仪。该测量仪通过保偏光纤波导调制器加载高频相位载波调制信号，采用折返式望远镜发射激光和接收散射光，即光源的激光光束经保偏光纤分束器分为两束，一束为信号光，另一束为参考光，参考光束经保偏光纤波导调制器后由第一保偏光纤准直器发射出，依次经过第一1/2波片、第一偏振分束器和第二1/2波片后，再经过第二偏振分束器分光分别入射到第一探测器和第二探测器。本发明通过保偏光纤分束器，保偏光纤波导调器和保偏光纤准直器等器件组成参考光路，用于加载高频相位载波调制，改变了调制解调方式，解决了普通测振仪PZT调制的温度不稳定性和控制复杂的问题，调制信号源电路简单，普通信号源即可使用。

Description

基于光纤波导调制的微振动测量仪

技术领域

本发明属于非接触激光测振技术，特别是一种基于光纤波导调制的微振动测量仪。

背景技术

随着激光测振技术的发展，在一些特定的研究和应用领域，如国家安全或公安部门的技术侦听、桥梁勘测、精密机械加工、航空航天领域的故障监测等，有时不仅需要在远距离进行检测，而且希望能够对振动波形进行实时测量，以能进一步探究引发振动的物理机制，并还原引发振动的信号，这就是无前置物的远距离非接触微振动的测量和保真拾取，测量的方法采用的多是漫反射式激光多普勒技术。

在一些激光多普勒测速和测振的应用中，为了减小信号畸变和失真，提高检测的灵敏度，需要采用相位解调技术，其中包括无源零差、有源零差、相位载波零差法、经典外差和合成外差几种方法，这时常常需要引入高频相位载波信号，传统技术是通过压电陶瓷堆(PZT)加载。例如申请号为03113478.5的发明专利通常是把参考光路的反射镜粘到PZT上，由PZT带动反射镜振动引入相位载波调制信号。然而，PZT是一个容性负载器件，受温度、湿度、应力影响，特性很不稳定，而且驱动其工作的信号源电路结构复杂，调制频率很难超过10KHz，这就大大限制了可检测振动信号的频率范围。

此外，当测量距离较远、测量角度较大且无增加回返光能量的合作目标时，由于接收光能量的迅速衰减，使得检测到的信号极其微弱；当测量距离较远时，散射目标上的光斑大小会越来越大，散斑的影响越来越明显，也会使信噪比大幅度下降。

现有的激光测振技术由于以上原因，很难满足在国家安全或公安部门的技术侦听、桥梁勘测、精密机械加工、航空航天领域的故障监测等领域对远距离散射目标进行微振动测量和保真拾取的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对远距离散射目标进行微振动测量和保真拾取的基于光纤波导调制的微振动测量仪。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于光纤波导调制的微振动测量仪，通过保偏光纤波导调制器加载高频相位载波调制信号，采用折返式望远镜发射激光和接收散射光，即光源的激光光束经保偏光纤分束器分为两束，一束为信号光，另一束为参考光，参考光束经保偏光纤波导调制器后由第一保偏光纤准直器发射出，依次经过第一1/2波片、第一偏振分束器和第二1/2波片后，再经过第二偏振分束器分光分别入射到第一探测器和第二探测器；信号光从第二保偏光纤准直器发出，依次经过第三1/2波片、第一偏振分束器和1/4波片后由折返式望远镜投射到远处散射目标上，并由望远镜收集散射光，收集到的信号光经过1/4波片后由第一偏振分束器反射到第二偏振分束器，由该第二偏振分束器分为两束分别入射到第一探测器和第二探测器上。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过保偏光纤分束器，保偏光纤波导调器和保偏光纤准直器等器件组成参考光路，用于加载高频相位载波调制，改变了调制解调方式，解决了普通测振仪PZT调制的温度不稳定性和控制复杂的问题，调制信号源电路简单，普通信号源即可使用。(2)通过折返式望远镜的使用，增加了接收到信号光的强度，减小了散斑的影响，使测量距离大为增加，提高信号光强度，从而提高了***的信噪比。(3)利用窄线宽保偏光纤激光器作为光源，结合偏振分光光路消除***中的偏振衰落造成的不稳定。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

附图是本发明基于光纤波导调制的微振动测量仪的构成及光路示意图。

具体实施方式

结合附图，本发明基于光纤波导调制的微振动测量仪，通过保偏光纤波导调制器4加载高频相位载波调制信号，以解决PZT调制的不稳定性和控制复杂的问题，调制信号源电路简单，普通信号源即可使用。采用折返式望远镜14发射激光和接收散射光，即光源1的激光光束经保偏光纤分束器2分为两束，一束为信号光，另一束为参考光，参考光束经保偏光纤波导调制器4后由第一保偏光纤准直器5发射出，依次经过第一1/2波片6、第一偏振分束器8和第二1/2波片10后，再经过第二偏振分束器12分光分别入射到第一探测器11和第二探测器13；信号光从第二保偏光纤准直器3发出，依次经过第三1/2波片7、第一偏振分束器8和1/4波片9后由望远镜14投射到远处散射目标15上，并由望远镜14收集漫反射光，收集到的信号光经过1/4波片9后由第一偏振分束器8反射到第二偏振分束器12，由该第二偏振分束器12分为两束分别入射到第一探测器11和第二探测器13上。信号光和参考光在两个探测器11、12表面形成干涉图样。***中，保偏光纤波导调制器4结合解调电路用于微振动信号的还原。

其中，光源1为窄线宽线偏振光纤激光器。保偏光纤分束器2、光纤波导调制器4、第一保偏光纤准直器5和第二保偏光纤准直器3均为保偏光纤器件。为了满足远距离测量的要求，需要增加信号光强；为了减小散射目标的散斑影响，需要减小散射目标上聚焦点的大小；考虑***体积和操作的方便性，本发明采用大口径折返式望远镜14接收散射物散射回的信号光，大幅度提高了信号光强度，减小了散斑的影响，从而提高了***的信噪比。

在干涉型设备的弱信号检测中，光源的相位噪声是不可能忽略的，当光程差大于一定程度时，相位噪声可以构成噪声的主体。当光源选择不当时，信号常常被淹没在这些噪声中。在本发明中，光源1使用具有超窄激光线宽(＜1KHz)单频保偏光纤激光器，由于其具有超长的相干长度，成功地减小了***中的相位噪声。

在干涉型的弱信号检测中，当参考光和信号光功率比大于10时，强度噪声也是不可能忽略的，同样可以构成噪声的主体。本发明通过采用双路平衡法几乎将光源的强度噪声降至了散粒噪声(本地噪声)水平，消除了光源的强度噪声。

当散射目标振动时，其反射回来的信号光产生多普勒频移，信号光与参考光干涉后可把频移大小转换成光电流强度的变化，利用相位解调技术可解调出频移的变化，从而还原了散射目标的振动波形。

光纤激光器输出激光中心波长1554nm，线宽小于1KHz，激光功率大于20mW，具有稳定的偏振状态；保偏光纤分束器2为高分光比的分束器，以保证信号光的利用率；保偏光纤准直器1位于望远镜的成像面中心。

光电探测器选用InGaAs-PIN探测器，1310nm响应度为0.87A/W。两个探测器结合减法器电路组成双路平衡检测***，有效地减小了光源的强度噪声。望远镜采用的是口径100mm，焦距1000mm的马克苏托夫-卡塞格林式(简称马-卡式)折反射天文望远镜，其长焦特性使远距离散射目标上的光斑较小，减小了散斑的影响。

Claims (3)

1.一种基于光纤波导调制的微振动测量仪，其特征在于：通过保偏光纤波导调制器(4)加载高频相位载波调制信号，采用折返式望远镜(14)发射激光和接收散射光，即光源(1)的激光光束经保偏光纤分束器(2)分为两束，一束为信号光，另一束为参考光，参考光束经保偏光纤波导调制器(4)后由第一保偏光纤准直器(5)发射出，依次经过第一1/2波片(6)、第一偏振分束器(8)和第二1/2波片(10)后，再经过第二偏振分束器(12)分光分别入射到第一探测器(11)和第二探测器(13)；信号光从第二保偏光纤准直器(3)发出，依次经过第三1/2波片(7)、第一偏振分束器(8)和1/4波片(9)后由折返式望远镜(14)投射到远处散射目标(15)上，并由望远镜(14)收集散射光，收集到的信号光经过1/4波片(9)后由第一偏振分束器(8)反射到第二偏振分束器(12)，由该第二偏振分束器(12)分为两束分别入射到第一探测器(11)和第二探测器(13)上。

2.根据权利要求1所述的基于光纤波导调制的微振动测量仪，其特征在于：光源(1)为窄线宽线偏振光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的基于光纤波导调制的微振动测量仪，其特征在于：保偏光纤分束器(2)、光纤波导调制器(4)、第一保偏光纤准直器(5)和第二保偏光纤准直器(3)均为保偏光纤器件。