CN111665519A - 大景深全光纤激光多普勒测速仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大景深全光纤激光多普勒测速仪，解决现有激光多普勒测速仪测量景深小，无法对大行程运动物体的速度进行连续测量的问题。该大景深全光纤激光多普勒测速仪，包括种子光源、光隔离器、第一光纤分束器、第二光纤分束器、种子光监视探测器、激光放大器、光纤环形器、光纤在线衰减器、光学天线、光纤合束器、平衡光电探测器、数据采集卡和信号处理***。本发明大景深全光纤激光多普勒测速仪在被测物体长达30米的运动范围内，光纤激光多普勒测速仪获得的干涉信号一直处于稳定状态，能够对大行程情况下物体的运动速度进行连续测量。
Description
技术领域
本发明涉及光电瞬态测试领域，特别涉及激光多普勒速度和加速度测量领域，具体涉及一种大景深全光纤激光多普勒测速仪。
背景技术
激光多普勒测速技术是一种基于光学多普勒效应的高精度非接触式速度测量技术，具有非接触、抗电磁干扰等优点，被广泛应用于各种场合。在对被测物体进行速度测量，特别是在测量高速运动物体时，可能存在被测物运动行程较长的情况，常规测速手段只能对很短行程内的运动速度进行测量，无法完全反应被测物在整个运动过程内的速度或加速度变化情况；如果能够提高测速仪的测量景深范围，一次性获得被测物体整个运动行程内的连续速度和加速度变化情况，将有助于实验人员对被测物的运动过程进行精确分析，提高实验效果。
为了满足对大行程的运动速度测量，就需激光多普勒测速仪具有较大的测量景深，保证测速仪的测量景深能够覆盖被测物的整个运动行程，在被测物的整个运动行程内都能够接收到稳定的干涉信号。
常见的光纤激光多普勒测速仪的原理结构如图1所示，激光器发出的激光被分为两路，一路作为参考光，一路作为信号光；信号光经过光纤环形器和光学天线后进行空间传输，在照射到被测物表面后，发生反射，重新进入光学天线；由于被测物体的运动，此时重新进入光学天线的信号光就带有了多普勒频移，会在光纤耦合器与参考光进行拍频，形成干涉信号，干涉光信号通过光电探测器进行接收，并通过信号处理***进行处理分析后，就能够得到被测物体的运动速度。但是，常见的光纤激光多普勒测速仪受到光学天线耦合损耗和激光功率的限制，通常测量景深较小，无法满足被测物体大行程的连续速度测量。
发明内容
本发明的目的是解决现有激光多普勒测速仪测量景深小，无法对大行程运动物体的速度进行连续测量的问题，提供一种大景深全光纤激光多普勒测速仪，该激光多普勒测速仪实现对被测物体的大行程连续速度测量。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种大景深全光纤激光多普勒测速仪，包括种子光源、光隔离器、第一光纤分束器、第二光纤分束器、种子光监视探测器、激光放大器、光纤环形器、光纤在线衰减器、光学天线、光纤合束器、平衡光电探测器、数据采集卡和信号处理***，所述光学天线为大景深光学天线；所述种子光源发出的连续激光线宽＜100kHz，种子光源通过光隔离器与第一光纤分束器相连，第一光纤分束器将激光分为功率不等的两束激光；所述第一光纤分束器的一个输出端口与种子光监视探测器相连，用于对种子光源的工作状态进行监控，另一个输出端口与第二光纤分束器的输入端口相连；所述第二光纤分束器的两个输出端口分别与激光放大器、光纤在线衰减器相连，与激光放大器相连的光路为测量光路，与光纤在线衰减器相连的光路为参考光路；光纤在线衰减器能够控制参考光路的激光功率，使之与测量光路的激光功率保持一致；所述激光放大器的输出端口与光纤环形器的a端口相连，光纤环形器的b端口与光学天线相连，在光纤中传输的激光信号由光学天线输出，成为空间光，射向被测物体表面，被测物体表面反射回的激光信号由光学天线再次进行传输，并沿原传播路径进入光纤环形器的b端口，传输至光纤环形器的c端口；所述光纤合束器的两个输入端口分别与光纤在线衰减器的输出端口、光纤环形器的c端口相连，参考光路和测量光路中的激光信号在光纤合束器发生拍频干涉，形成干涉光信号；所述光纤合束器的两个输出端口分别与平衡光电探测器的两个输入端口相连，将干涉光信号转化为电流信号；所述平衡光电探测器的输出端口与数据采集卡的输入端口相连，将电流信号转换为数字信号；数据采集卡将采集到的数字信号输入信号处理***，得出被测物体的运动速度分布。
进一步地，所述数据采集卡通过触发延时装置与总控计算机连接，触发延时装置用于控制数据采集卡开始采集数据。
进一步地，所述触发延时装置和种子光源通过RS232信号线或RS485信号线与总控计算机连接；所述信号处理***通过PCIE总线分别与数据采集卡、总控计算机连接；所述平衡光电探测器与数据采集卡之间、种子光监视探测器与总控计算机之间通过屏蔽信号线连接，其他器件通过单模光纤或保偏光纤连接。
进一步地，所述种子光源的输出功率＞10mW，经激光放大器放大后激光线宽应＜200kHz，激光输出能量应＞1W，数据采集卡的内存＞4GB。
进一步地，所述第一光纤分束器和第二光纤分束器的耦合比设置为99:1～90:10范围内。
进一步地，所述光纤环形器的回波损耗＞50dB。
进一步地，所述光纤合束器的耦合比设置为50:50。
进一步地，所述信号处理***为FPGA、DSP或ARM。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明大景深全光纤激光多普勒测速仪在被测物体长达30米的运动范围内，光纤激光多普勒测速仪获得的干涉信号一直处于稳定状态，能够对大行程情况下物体的运动速度进行连续测量。
附图说明
图1为现有光纤激光多普勒测速仪的原理结构图；
图2为本发明大景深全光纤激光多普勒测速仪的原理图。
附图标记：1-种子光源，2-光隔离器，3-第一光纤分束器，4-第二光纤分束器，5-激光放大器，6-光纤环形器，7-光学天线，8-光纤在线衰减器，9-光纤合束器，10-平衡光电探测器，11-数据采集卡，12-种子光监视探测器，13-触发延时装置，14-信号处理***，15-总控计算机，16-单模光纤或保偏光纤，17-屏蔽信号线，18-PCIE总线，19-RS232信号线或RS485信号线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明提供了一种大景深全光纤激光多普勒测速仪，该测速仪在被测物体长达30米的运动范围内，光纤激光多普勒测速仪获得的干涉信号一直处于稳定状态，能够对大行程情况下物体的运动速度进行连续测量。
如图2所示，本发明大景深全光纤激光多普勒测速仪包括种子光源1、光隔离器2、第一光纤分束器3、第二光纤分束器4、种子光监视探测器12、激光放大器5、光纤环形器6、光纤在线衰减器8、光学天线7、光纤合束器9、平衡光电探测器10、触发延时装置13、数据采集卡11、信号处理***14和总控计算机15，该大景深全光纤激光多普勒测速仪的工作原理和各部件连接关系如下：
①种子光源1发出一束连续激光，线宽＜100kHz；
②种子光源1的输出端与光隔离器2的输入端相连，光隔离器2的作用是防止光纤中的光反向传输，进入种子光源1；
③光隔离器2的输出端与第一光纤分束器3相连，第一光纤分束器3将激光分为功率不等的两束激光；
④第一光纤分束器3的一个输出端口与种子光监视探测器12相连，该探测器用于对种子光源1的工作状态进行监控，查看种子光源1是否正常出光；第一光纤分束器3的另一个输出端口与第二光纤分束器4的输入端口相连；
⑤第二光纤分束器4的两个输出端口分别与激光放大器5和光纤在线衰减器8相连，与激光放大器5相连的光路称为测量光路，与光纤在线衰减器8相连的光路称为参考光路；光纤在线衰减器8能够控制参考光路的激光功率，使之与测量光路的激光功率保持一致；
⑥激光放大器5的输出端口与光纤环形器6的a端口相连，光纤环形器6的b端口与光学天线7相连；在光纤中传输的激光信号由光学天线7输出，成为空间光，直接射向被测物体表面；
⑦被测物体表面反射回的激光信号由光学天线7重新进入光纤进行传输，并沿原传播路径进入光纤环形器6的b端口，传输至光纤环形器6的c端口；
⑧光纤合束器9的两个输入端口分别与光纤在线衰减器8的输出端口和光纤环形器6的c端口相连，因此，参考光路和测量光路中的激光信号在光纤合束器9发生拍频干涉，形成干涉光信号，参考光路和测量光路的激光信号分别表示为：
其中，ω1和ω2分别表示参考光路和测量光路的激光频率，
和
分别表示参考光路和测量光路的激光相位，则干涉后的干涉光信号可以表示为：
⑨光纤合束器9的两个输出端口分别与平衡光电探测器10的两个输入端口相连，将干涉光信号转化为电流信号，由于平衡光电探测器10的平方律效应，(2)式中只有
一项能够被平衡光电探测器10响应，其余项均以直流噪声的形式被平衡光电探测器10所滤除，因此平衡光电探测器10的输出的电流信号可以表示为：
其中，η表示平衡光电探测器10的光电转换效率，E1表示参考光的振幅，t表示时间，E2表示信号光的振幅；
⑩平衡光电探测器10的输出端口与数据采集卡11的输入端口相连，将电流信号转换为数字信号，
其中，λ表示激光多普勒测速仪的输出激光波长。
本发明测速仪采用线宽较窄的种子光源1和对激光线宽展宽较小的激光放大器5，因此经光学天线7输出的激光信号对应的相干长度较长(通常＞1km)，在30米的探测范围内均能实现有效拍频，从而本发明测速仪能够实现大行程的连续速度测量。
本发明测速仪数据采集卡11的内存较大，通常＞4GB，此种设置使得数据传输速率较快，可以快速实现所采集数据的缓存和转存，因此能够实现对拍频干涉信号的长时连续采集，从而本发明测速仪能够实现大行程的连续速度测量。
本发明测速仪的光学天线7采用了独特的光学设计结构，具体可采用申请公布号为CN110716064 A中的大景深光学天线，光学天线7的整体光路采用汇聚式结构，将激光的束腰位置设置在被测物体的运动最远端，即30米处；因此当被测物体由近至远运动时，由激光传输距离增加引起的损耗逐渐增大，由光学天线7接收效率降低引起的损耗逐渐减小，从而在30米的探测范围内光学天线7接收到的回波信号基本保持一致，因此能够实现大行程的连续测量。
本发明大景深全光纤激光多普勒测速仪中，种子光源1输出激光的线宽较窄，具有更长的相干长度，能够在30米探测范围内保证激光信号能够发生干涉；种子光源1的输出功率通常应＞10mW，线宽应＜100kHz，经激光放大器5放大后激光线宽应＜200kHz，激光输出能量应＞1W。
本发明大景深全光纤激光多普勒测速仪中，平衡探测器可以滤除由于光纤振动或环境变化引起的1Hz以下的低频直流噪声，能够有效降低噪声干扰，提高信噪比；同时，平衡探测器对交流信号存在3dB的放大作用，激光多普勒测速仪所接收的回波信号属于交流信号，因此能够被平衡探测器放大，因此平衡探测器能够提高接收信号的强度。
本发明大景深全光纤激光多普勒测速仪中，第一光纤分束器3和第二光纤分束器4的耦合比通常设置为99:1至90:10范围内；光纤环形器6的回波损耗通常应＞50dB；光纤合束器9的耦合比通常设置为50:50。
本发明大景深全光纤激光多普勒测速仪中，触发延时装置13和种子光源1具体通过RS232信号线或RS485信号线19与总控计算机15连接。RS232信号线和RS485信号线的通信稳定性高，不易出现通信中断或通信丢包的现象；2.RS232信号线和RS485信号线属于串口通信，通信协议简单，开发难度和成本均相对较低，能够有效降低设备成本和研制周期。
本发明大景深全光纤激光多普勒测速仪中，信号处理***14通过PCIE总线18分别与数据采集卡11、总控计算机15连接。本发明激光多普勒测速仪可对激光信号进行高采样率的长时连续采集，因此数据采集卡11获得的数据量极大，PICE总线的数据传输速率极高，可在短时间内将数据采集卡11内存中的数据全部转存至上位机进行处理，因此能够有效提高本发明所设计激光多普勒测速仪的数据处理速度；同时，采用PCIE总线18进行数据传输的数据采集卡11，可以直接将PICE接口安装在上位机的PCIE插槽内，能够节省设备总体体积，提高***集成度，此外，采用PCIE总线18进行数据传输时，传输链路较短，能够有效降低信号通过线缆传输过程中造成的信号幅度衰减和噪声增加，提高了信号质量。
本发明大景深全光纤激光多普勒测速仪中，平衡光电探测器10与数据采集卡11之间、种子光监视探测器12与总控计算机15之间通过屏蔽信号线17连接，屏蔽信号线17能够有效隔离环境中的电磁干扰，保证各级信号传输过程中信号的幅度不衰减、噪声不增加，有效提高了最终信号的信噪比。
本发明大景深全光纤激光多普勒测速仪中，其余各装置均通过单模光纤或保偏光纤16连接。与多模光纤相比，激光信号在单模光纤或保偏光纤16中的传输损耗更低，因此到达探测器的信号幅度更大，便于探测器的接收；同时，单模光纤或保偏光纤16能够保证光纤内部传输激光的频率及模式不变，因此在光纤合束器9两个输入端口的激光信号能够正常发生拍频干涉，而采用多模光纤时可能会由于光纤内部传输激光频率和模式的变化而无法正常发生拍频干涉，或发生拍频干涉后其信号频率发生偏移，造成测量误差。
下面将本发明大景深全光纤激光多普勒测速仪应用于风洞实验中。
①将光学天线7固定在风洞的观察窗口处；
②打开设备总电源，给种子光源1、激光放大器5、平衡光电探测器10、种子光监视探测器12、触发延时装置13、数据采集卡11、信号处理***14、总控计算机15供电，打开控制软件，开启各设备之间的通信功能，此时总控计算机15可对其他设备工作状态进行实时监控；
③在控制软件中给种子光源1和激光放大器5输入激光功率、给数据采集卡11输入采样时长、触发前采样时间和触发后采样时间、给触发延时装置13输入触发后的延时时间，随后在控制软件中点击“开始工作”按钮，此时***处于等待状态，待风洞给出触发信号后，设备开始工作；
④被测物体开始运动后，风洞内的传感器给出触发信号，触发延时装置13接收到触发信号后，控制数据采集卡11开始采集数据；此时种子光源1发出的激光经过光隔离器2和第一光纤分束器3后被分为两束，一束经过单模光纤进入种子光监视探测器12，用于监测种子光源1的工作状态；另一束经过单模光纤进入第二光纤分束器4；
⑤在第二光纤分束器4处，激光继续被分为两束，一束经过单模光纤进入激光放大器5进行放大，一束经过单模光纤进入光纤在线衰减器8，再经过单模光纤进入光纤合束器9；
⑥经过激光放大器5放大的激光经过单模光纤进入光纤环形器6，再经过单模光纤进入光学天线7，激光信号由光纤内传输转换为空间传输，射向被测物体表面；
⑦射向被测物体表面的激光发生反射，由光学天线7接收，由空间传输继续转为光纤传输；经过单模光纤进入光纤环形器6，再通过单模光纤进入光纤合束器9；
⑧由于被测物体的运动，由光学天线7接收的激光信号带有了多普勒频移，因此光纤合束器9两个输入端口的激光信号产生拍频现象，携带了被测物体的运动信息；
⑨拍频信号由光纤合束器9的两个输出端口，通过单模光纤进入平衡光电探测器10，平衡光电探测器10完成光电转换后，输出的电流信号通过屏蔽信号线17被数据采集卡11进行采集，转换为数字信号；
⑩数据采集卡11采集完成后，将数字信号通过PCIE总线18传输至信号处理***14中进行处理，获取被测物体的运动速度分布；
Claims (8)
1.一种大景深全光纤激光多普勒测速仪，其特征在于：包括种子光源(1)、光隔离器(2)、第一光纤分束器(3)、第二光纤分束器(4)、种子光监视探测器(12)、激光放大器(5)、光纤环形器(6)、光纤在线衰减器(8)、光学天线(7)、光纤合束器(9)、平衡光电探测器(10)、数据采集卡(11)和信号处理***(14)，所述光学天线(7)为大景深光学天线；
所述种子光源(1)发出的连续激光线宽＜100kHz，种子光源(1)通过光隔离器(2)与第一光纤分束器(3)相连，第一光纤分束器(3)将激光分为功率不等的两束激光；所述第一光纤分束器(3)的一个输出端口与种子光监视探测器(12)相连，对种子光源(1)的工作状态进行监控，另一个输出端口与第二光纤分束器(4)的输入端口相连；
所述第二光纤分束器(4)的两个输出端口分别与激光放大器(5)、光纤在线衰减器(8)相连，与激光放大器(5)连接的光路为测量光路，与光纤在线衰减器(8)连接的光路为参考光路；光纤在线衰减器(8)用于控制参考光路的激光功率，使之与测量光路的激光功率保持一致；
所述激光放大器(5)的输出端口与光纤环形器(6)的a端口相连，光纤环形器(6)的b端口与光学天线(7)相连，在光纤中传输的激光信号由光学天线(7)输出，成为空间光，射向被测物体表面，被测物体表面反射回的激光信号由光学天线(7)再次进行传输，并沿原传播路径进入光纤环形器(6)的b端口，传输至光纤环形器(6)的c端口；
所述光纤合束器(9)的两个输入端口分别与光纤在线衰减器(8)的输出端口、光纤环形器(6)的c端口相连，参考光路和测量光路中的激光信号在光纤合束器(9)发生拍频干涉，形成干涉光信号；
所述光纤合束器(9)的两个输出端口分别与平衡光电探测器(10)的两个输入端口相连，将干涉光信号转化为电流信号；
所述平衡光电探测器(10)的输出端口与数据采集卡(11)的输入端口相连，将电流信号转换为数字信号；数据采集卡(11)将采集到的数字信号输入信号处理***(14)，得出被测物体的运动速度分布。
2.根据权利要求1所述的大景深全光纤激光多普勒测速仪，其特征在于：所述数据采集卡(11)通过触发延时装置(13)与总控计算机(15)连接，触发延时装置(13)用于控制数据采集卡(11)开始采集数据。
3.根据权利要求2所述的大景深全光纤激光多普勒测速仪，其特征在于：所述触发延时装置(13)和种子光源(1)通过RS232信号线或RS485信号线(19)与总控计算机(15)连接；所述信号处理***(14)通过PCIE总线(18)分别与数据采集卡(11)、总控计算机(15)连接；所述平衡光电探测器(10)与数据采集卡(11)之间、种子光监视探测器(12)与总控计算机(15)之间通过屏蔽信号线(17)连接，其他器件通过单模光纤或保偏光纤(16)连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的大景深全光纤激光多普勒测速仪，其特征在于：所述种子光源(1)的输出功率＞10mW，经激光放大器(5)放大后激光线宽＜200kHz，激光输出能量＞1W，所述数据采集卡(11)的内存＞4GB。
5.根据权利要求4所述的大景深全光纤激光多普勒测速仪，其特征在于：所述第一光纤分束器(3)和第二光纤分束器(4)的耦合比设置为99:1～90:10。
6.根据权利要求5所述的大景深全光纤激光多普勒测速仪，其特征在于：所述光纤环形器(6)的回波损耗＞50dB。
7.根据权利要求6所述的大景深全光纤激光多普勒测速仪，其特征在于：所述光纤合束器(9)的耦合比设置为50:50。
8.根据权利要求7所述的大景深全光纤激光多普勒测速仪，其特征在于：所述信号处理***(14)为FPGA、DSP或ARM。
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|---|---|---|---|
| CN202010530213.0A Pending CN111665519A (zh) | 2020-06-11 | 2020-06-11 | 大景深全光纤激光多普勒测速仪 |
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|---|---|
| CN (1) | CN111665519A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116298382A (zh) * | 2023-05-17 | 2023-06-23 | 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 | 一种全光纤光子计数相干多普勒海洋流场测速*** |
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-
2020
- 2020-06-11 CN CN202010530213.0A patent/CN111665519A/zh active Pending
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