CN113049135B - 利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法，该方法采用的光学器件面温度分布检测***包括激光器调制模块，激光器温控模块，半导体激光器，光学器件，温度检测模块，信号处理模块，微控制器(MCU)，反射镜，激光功率计。激光器调制模块为随机电流调制的激光驱动器，使用激光调制模块实现半导体激光器随机的电流调制，激光器的驱动电流的改变会导致激光器波长和功率的改变，从而实现对待测对象的随机功率激励，然后利用一对温度传感器代替传统的阵列或扫描式传感器完成对光学器件表面温度信号的采样和重构过程。本发明利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法，结构简单，适用于温度检测领域。
Description
技术领域
本发明涉及利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法，涉及温度检测领域。
背景技术
温度是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目。它在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。温度是表征物体冷热程度的物理量，与长度、质量、压力等参数的测量有所不同,温度测量是利用某些物质的物理性能，如：热膨胀率、电导率、热电势、磁性能、频率、光学特性、热噪声、热光辐射强度等与温度的关系,做成各种各样的感温元件—温度传感器的,并通过使用温度传感器将温度转化为可用输出信号来间接测量温度，温度传感器可应用于各个行业均有广泛应用。温度传感器的种类很多，按测温方式分，可分为接触式测温和非接触式测温两种。接触式测温法的特点是测温元件直接与被测对象接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。非接触测温法能在接触式测温法使用不便的场合下进行温度检测，非接触式测温法的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换。本文所用的为接触式电桥测温。
可调谐激光技术检测光学器件面温度分布是应用了压缩感知原理，压缩感知(CS)是一种寻找欠定线性***的稀疏解的技术，用于获取和重构稀疏或可压缩的信号，其在信息论、信号处理、图像处理等领域受到高度关注，它打破了奈奎斯特采样定律，在信号采样的过程中用很少的采样点实现了和全采样一样的效果。考虑到压缩感知理论的特性，将其应用于光学器件面温度检测的提取上，将采样和压缩结合到单个非自适应线性测量过程中，可以在仅使用一对负温度系数温度传感元件的情况下达到可检测整个面的效果，实现全覆盖检测。但压缩感知采样方式较为复杂，需要寻找合适方法、器件完成压缩感知的采样、重构过程。将压缩感知应用于光学器件面温度检测的重点在于实现激光对光学器件的随机激励，为此，采用随机电流调制的激光驱动器来改变激光功率，以实现随机激励。相较于其它面温度检测技术，利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法不需要机械辅助偏转，结构简单且精度更高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法，激光器调制模块为随机电流调制的激光驱动器，使用激光调制模块实现半导体激光器随机的电流调制，激光器的驱动电流的改变会导致激光器波长和功率的改变，从而实现对待测对象的随机功率激励，然后利用一对温度传感器代替传统的阵列或扫描式传感器完成对光学器件表面温度信号的采样和重构过程。
本发明解决上述的技术问题所用的技术方案为：利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法，该方法采用的光学器件面温度分布检测***包括激光器调制模块，激光器温控模块，半导体激光器，光学器件，温度检测模块，信号处理模块，微控制器(MCU)，反射镜，激光功率计。
其中，激光器调制模块为随机电流调制的激光驱动器，激光器驱动电流的改变会导致激光器功率的改变，从而使照射在被测对象上的激光功率发生变化，同时，由于驱动电流的变化，激光器的波长也会相应改变，电流细调激光器波长。
其中，由于半导体激光器在工作时会产生较大的热量，故激光器温控模块可对半导体激光器进行散热，同时，激光器温控模块也可对激光器波长产生一定的调谐作用，温度粗调激光器波长。
其中，半导体激光器照射光学器件，光学器件会吸收照射激光束能量而产生温升。
其中，温度检测模块采用非平衡电桥测温，应用电桥测温原理，在桥臂中引入参考臂，以满足在环境温度改变的情况下也能达到高精度测温的需要，电桥测量由激光器照射引起的光学器件温升并将温度信号转换为电信号。
其中，信号处理模块构成信号的后处理模块，先对电桥测温模块输出的电信号进行放大滤波处理、再将放大滤波后的电信号转化为数字信号并送入微控制器或FPGA进行处理。
其中，反射镜可以反射透过光学器件的激光，从而改变激光方向，使激光照射在激光功率计上，以测得半导体激光器的功率。
其中，该***适用于温度检测领域。
本发明运用的基本原理涉及如下两个方面：
①可调谐激光技术
可调谐激光技术从实现技术上主要分为：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。其中电控技术是通过改变注入电流实现波长调谐，具有ns级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较小，基于电控技术的主要有SG-DBR(采样光栅DBR)和GCRS(辅助光栅定向耦合背向取样反射)激光器。温控技术是通过改变激光器有源区折射率，从而改变激光器输出波长，该技术简单，但速度慢，可调带宽窄，只有几个nm。基于温控技术的主要有DFB(分布反馈)、DBR(分布布拉格反射)激光器；基于机械控制技术的主要有DFB(分布反馈)、ECL(外腔激光器)和VCSEL(垂直腔表面发射激光器)等结构。机械控制主要是基于MEMS(微机电***)技术完成波长选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。本发明采用的是电流控制技术，基于电流控制技术的一般原理是通过改变可调谐激光器内不同位置的光纤光栅和相位控制部分的电流，从而使光纤光栅的相对折射率会发生变化，产生不同的光谱，通过不同区域光纤光栅产生的不同光谱的叠加进行特定波长的选择，从而产生需要的特定波长的激光，不同波长的激光具有不同功率。
②压缩感知原理：
压缩感知原理指出，只要信号在某一个变换域近似满足稀疏性，即为可压缩信号，那么在观测矩阵和稀疏表示基不相关的情况下，可用观测矩阵将变换所得的高维信号投影到低维空间，然后通过求解一个优化问题就可以从这些少量的投影中以高概率重构出原信号。
其数学表达式为：
y＝Φx ⑴
x＝Ψs ⑵
其中x为长度为N的一维信号，也就是原信号，稀疏度为K，本发明中原信号为待测器件表面的温度信号，可在某种稀疏域上进行稀疏表示，y为长度为M的一维测量值，也就是亚采样的结果，式⑴表示观测矩阵Φ将高维信号x投影到低维空间y，式⑵表示对x在Ψ稀疏基上进行稀疏表示,Ψ为稀疏基矩阵，s为稀疏系数。因此，压缩感知问题就是在已知测量值y和测量矩阵Ψ的基础上，求解欠定方程组y＝Φx得到原信号x。然而，一般的自然信号本身并不是稀疏的，需要在某种稀疏域上进行稀疏表示，即上式⑵，于是最终方程就变成了：y＝ΦΨs。已知y、Φ、Ψ，求解s。常见的稀疏化方法有离散傅里叶变换(DFT)、小波变换(DWT)、离散余弦变换(DCT)。
令Θ＝ΦΨ，则y＝Θs，Θ称为传感矩阵，是一个M*N的矩阵，当M＝N时，可轻松由y求解出s，然而在正常情况下M<<N，方程的个数远小于未知数的个数，方程是没有确定解的，无法重构信号。但是，由于信号是K稀疏，如果上式中的Φ满足有限等距性质(RIP)，则K个系数就能够从M个测量值准确重构(得到一个最优解)。有限等距性质(RIP)的条件是观测矩阵Φ与稀疏表示基Ψ不相关。陶哲轩和Candès证明：独立同分布的高斯随机测量矩阵可以成为普适的压缩感知测量矩阵，于是满足高斯分布的随机测量矩阵就成了CS最常用的观测矩阵。
在本发明中，激光器调制模块为随机的电流调制，则半导体激光器的驱动电流的改变会导致激光器功率和波长的改变，用激光功率计测得半导体激光器的功率，再用伪随机数生成器随机选取一个数，微控制器将该数存起来并控制激光器调制模块，使激光器以该数为电流激励的大小，再让激光器入射在被测物体上，在该激励下对温度信号进行检测。把多次随机的不同功率的激光激励作为随机采样的观测矩阵Φ，然后测量y[m],然后重复该过程M次获得测量矢量y，然后再根据y＝ΦΨs，求解s。CS的重建也就是求解欠定方程组y＝Θs的方法。这是一个零范数(l0)最小化问题，是一个NP完全问题(没有快速解法的问题)，因此往往转换成一范数(l1)最小化的求解，或者用一些近似估计的算法。
本发明的有益效果：
⑴本发明应用了可调谐激光技术，具体采用了电流控制技术，通过微控制器控制激光调制模块，使激光调制模块驱动半导体激光器的驱动电流发生随机变化，并将该变化记录下来，以此实现激光对光学元件的随机激励，再基于压缩感知原理，实现仅用一对负温度系数传感器(NTC)即可对光学器件的面温度进行检测。
⑵本发明***中的传感器仅使用了一对负温度系数温度传感元件(NTC)，在起到一定固定作用的同时，提高了***灵敏度，实现了对光学器件面温度的无缝隙测量，灵敏度高且***结构简单。传统的扫描式面温度检测需用伺服***改变传感器的位置，故伺服***的精度会影响温度检测的精度，阵列式温度检测灵敏度低且结构复杂，而无论是阵列式还是扫描式，都不能实现无缝隙检测。
⑶本发明应用了压缩感知技术，对待测物体进行较少次数的检测后就可以重构出原信号，与传统温度检测相比，传感器与微控制器的通信次数降低，因而其需要的通信带宽也越低。
附图说明
图1为利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法示意图。
图2为压缩感知重构信号的流程图。
其中1、激光器调制模块，2、激光器温控模块，3、半导体激光器，4、绝热室，5、光学器件，6、参考通道，7、测量NTC，8、参考NTC，9、反射镜，10、激光功率计，11、电桥测温模块，12、信号处理模块，13、微控制器(MCU)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，包括：1、激光器调制模块，2、激光器温控模块，3、半导体激光器，4、绝热室，5、光学器件，6、参考通道，7、测量NTC，8、参考NTC，9、反射镜，10、激光功率计，11、电桥测温模块，12、信号处理模块，13、微控制器(MCU)。
在本发明中，激光器3为半导体激光器，激光器温控模块2对半导体激光器3进行散热处理。首先，用微控制器13产生一个随机数，微控制器13将该数存起来并控制激光调制模块1，使激光调制模块1以该数为驱动电流驱动半导体激光器3，半导体激光器3的功率和波长会随驱动电流的变化而变化，这时将激光入射到光学器件5上，在该激励下用测量NTC7和参考NTC8对温度信号进行检测，经电桥测温模块11将温度信号转换为电信号输出，经信号处理模块12进行放大滤波处理，再送给微控制器13或FPGA进行存储和处理，透过器件的光经反射镜9反射入射到激光功率计10上测出此时的激光器功率，也送入微控制器13。那么一个激光入射功率和入射波长对应一组观测矩阵和检测温度。再通过微控制器13控制激光器调制模块1以随机改变半导体激光器3的驱动电流，再次记录下控制激光调制模块1的随机数，以及此时的测量数据；进行若干次测量，把多次随机的不同入射功率和入射波长的激光激励作为随机采样的观测矩阵，测量光学器件5表面的温度数据。再用图2进行求解，以此重构出光学元件的面温度分布，可根据重构出的面温度分布作为参考判断光学器件的参数特征及缺陷特征(如：器件缺陷或薄膜质量等)。
Claims (2)
1.一种利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的方法，该方法采用的光学器件面温度分布检测***包括激光器调制模块，激光器温控模块，半导体激光器，光学器件，温度检测模块，信号处理模块，微控制器，反射镜，激光功率计；
其中，激光器调制模块为随机电流调制的激光驱动器，激光器驱动电流的改变会导致激光器功率的改变，从而使照射在被测对象上的激光功率发生变化，同时，由于驱动电流的变化，激光器的波长也会相应改变，激光器调制模块可由微控制器提供信号，通过微控制器提供的信号，改变半导体激光器的调制电流，从而改变半导体激光器的功率，以实现随机功率激励，由于驱动电流的变化，激光器的波长也会相应改变，电流可起到细调激光器波长的作用；由于半导体激光器在工作时会产生较大的热量，用激光器温控模块来对半导体激光器进行散热，同时，激光器温控模块也可对激光器波长产生一定的调谐作用，温度起到粗调激光器波长的作用；半导体激光器照射光学器件，光学器件会吸收照射激光束能量而产生温升；温度检测模块用一对负温度系数传感器与光学器件相接触，测量由随机激光激励引起的光学器件温升并将温度信号转换为电信号；
其中，信号处理模块构成信号后处理模块，信号处理模块先对测温***产生的电信号进行放大滤波处理，再将放大滤波后的电信号转化为数字信号并送入微控制器或FPGA进行处理，实现对基于压缩感知的温度信号采样的信号重构；
其中，反射镜反射透过光学器件的激光，从而改变激光方向，使激光照射在激光功率计上，以测得激光器的功率；
对待测物体进行测量时，在一个入射激光功率下，一对负温度系数传感器测量在该激光功率激励下的温度，根据压缩感知理论，把多次随机的不同功率的激光激励作为随机采样的观测矩阵，进行多次测量，以实现对整个光学器件面温度的检测和重构。
2.根据权利要求1所述的一种利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的方法，其特征在于：应用非平衡电桥测温原理，在桥臂中引入参考臂，使其在环境温度改变的情况下也能满足测温的需求。
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