CN105547197A - 基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法及装置，该方法及装置能够解决现有技术中存在的不足，在保持单通道激光自混合系统的结构简单、造价低廉、校准容易等优点的同时，先通过频谱分析，将时域信号转换为频域信号，再利用预先标定好的频域信号和角度以及振动之间的关系，来实现被测物体的旋转角度和振动的同时测量。本发明无需复杂的信号分离提取和额外的电光频移，在实现角度和振动的同时测量，还能有效的解决多通道激光自混合干涉系统复杂和信号提取困难，单通道激光自混合干涉系统难以同时测量角度和振动的问题。

Description

基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法及装置

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，具体涉及一种基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法及装置。

背景技术

激光自混合干涉是指激光器输出光被外部物体反射或散射后，部分光反馈回激光器谐振腔内，对激光器的输出功率调制，引起激光器输出功率发生变化的现象，也称激光回馈现象。通过分析激光器输出功率的变化，可以得到外部物体的信息。激光器既是光源，也是检测器。相比较于传统的双光束干涉系统，基于激光自混合现象的干涉系统只有一个光学通道，具有结构简单、紧凑、易准直等优点，目前广泛应用于位移、距离、速度、角度和振动等参数测量。在军事、微机电系统、精密加工、高精度检测等许多领域，多参数的同时测量都具有极其重要的意义和作用。

单通道自混合系统由于光学通道数目有限，存在难以同时测量多个参数的问题。中国发明专利CN1963384公开了一种基于激光自混合干涉的微小角度测量方法及装置，该测量方法及装置的工作原理是：根据自混合干涉反应时的时域信号的幅度发生的变化，实现角度的测量，但由于时域信号容易受到信号包络的影响，该测量方法及装置存在测量误差。

在基于激光自混合干涉的多参数测量技术中，主要采用多通道的系统结构方案。通过添加额外的光源和分光器件，增加光学系统的光学通道数，分别实现不同参数的测量。但是由于采用多个光源和分光器件，需要将光程差保持在激光相干长度内，并且自混合测量系统一般采用单个探测器，存在多个参数的信号相互叠加、信号难以提取、系统负载加重、结构复杂、光路难以调整等问题。随后，逐步发展了采用激光阵列、激光扫描和电光频移等方案，在系统结构和信号分离提取等方面有所改进，同时也产生了新的问题：激光阵列造价昂贵，激光扫描使得测量具有延时性，电光频移装置的频移幅度有一定限制，引入的分光器件提高了系统的复杂层度。激光自混合干涉多参数测量技术难以得到充分的发展和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法及装置，该方法及装置能够解决现有技术中存在的不足，在保持单通道激光自混合系统的结构简单、造价低廉、校准容易等优点的同时，先通过频谱分析，将时域信号转换为频域信号，再利用预先标定好的频域信号和角度以及振动之间的关系，来实现被测物体的旋转角度和振动的同时测量；该方法及装置无需复杂的信号分离提取和额外的电光频移，在实现角度和振动的同时测量，还能有效的解决多通道激光自混合干涉系统复杂和信号提取困难，单通道激光自混合干涉系统难以同时测量角度和振动的问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法，激光器发射出的激光耦合进入到光纤分束器中，被光纤分束器分成两束激光，其中一束激光经光纤聚焦器聚焦到安装在被测物体表面的压电陶瓷的反射面上，被压电陶瓷的反射面反射后，再经光纤聚焦器和光纤分束器回到激光器的内腔中，在激光器的内腔中发生激光自混合干涉。

另外一束激光输入至光电探测器中，当激光器的内腔中发生激光自混合干涉时，光电探测器检测激光器的输出功率，获取激光自混合干涉的时域信号，再采用频谱分析模块将激光自混合干涉的时域信号转换为频域信号。

根据激光自混合干涉的频域信号，采用公式A₀＝flk，计算得到压电陶瓷的振动幅度A₀，其中，f表示激光自混合干涉的频域信号的拍频，k表示对一系列不同振动幅度A₀下的激光自混合干涉的频域信号进行曲线拟合后得到的拟合系数。

根据激光自混合干涉的频域信号，采用公式计算得到被测物体的转动角度θ，其中，P_dif表示激光自混合干涉的频域信号中的两个峰值的功率差；x₁、x₂和σ均表示对一系列不同转动角度θ下的激光自混合干涉的频域信号进行曲线拟合后得到的拟合系数。

本发明还涉及一种实施上述基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法的装置，该装置包括激光器、光纤分束器、光纤聚焦器、安装在被测物体表面的压电陶瓷、光电探测器、频谱分析模块、计算机和用于带动被测物体转动的旋转电机。

所述激光器的输出端与所述光纤分束器的输入端相连；所述光纤分束器，其第一输出端与所述光纤聚焦器的输入端相连，其第二输出端与所述光电探测器的输入端相连；所述光电探测器的输出端与所述频谱分析模块的输入端相连；所述频谱分析模块的输出端与所述计算机的输入端相连；所述计算机的输出端分别与所述压电陶瓷、所述旋转电机的输入端相连。

所述激光器发射出的激光，经所述光纤分束器分成两束激光，其中一束激光经光纤聚焦器聚焦到所述压电陶瓷上，经所述压电陶瓷反射后，再经光纤聚焦器和光纤分束器回到所述激光器的内腔中，在所述激光器的内腔中发生激光自混合干涉；另外一束激光输入至所述光电探测器中；所述光电探测器，用于检测所述激光器的输出功率，获取激光自混合干涉的时域信号；所述频谱分析模块用于将激光自混合干涉的时域信号转换为频域信号；所述计算机，用于对所述旋转电机的转动角度和所述压电陶瓷的振动幅度进行调节，还用于根据激光自混合干涉的频域信号，计算出被测物体的转动角度及压电陶瓷振动幅度。

所述光纤聚焦器与所述压电陶瓷的反射面之间的距离等于所述光纤聚焦器的焦距。

所述压电陶瓷的反射面为镜面反射面。

和现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用单个激光器和光电探测器，利用单通道激光自混合干涉效应，实现转动角度和振动的非接触同时测量，结构简单，易于实现。

(2)本发明采用频域分析模块将时域信号转换为频域信号，具有直观，变化显著，不受时域信号包络影响等优点。

(3)本发明将压电陶瓷反射产生的二次回馈，参与到激光自混合干涉中，来对转动角度和振动进行测量，提高了测量精度和系统响应。

(4)本发明所采用的激光器为单纵模半导体激光器，所采用的光纤聚焦器为大数值孔径光纤聚焦器，这能够有效减少激光自混合干涉效应中的频谱展宽现象，提高转动角度及振动的测量范围。

附图说明

图1是本发明中基于激光自混合干涉小角度和振动的同时测量装置结构示意图；

图2是激光自混合干涉的典型频域信号，横坐标为频率f，纵坐标为功率P；

图3是拍频f1、f2随振动幅度变化的线性拟合，横坐标为振动幅度A₀，纵坐标为拍频fi(i＝1,2)；

图4是峰值差P_dif随角度变化的高斯拟合，横坐标为转动角度θ，纵坐标为峰值差P_dif。

其中：

1、激光器，2、光纤分束器，3、光纤聚焦器，4、被测物体，5、压电陶瓷，6、光电探测器，7、频谱分析模块，8、计算机，9、旋转电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种实施基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法的装置，该装置包括激光器1、光纤分束器2、光纤聚焦器3、安装在被测物体4表面的压电陶瓷5、光电探测器6、频谱分析模块7、计算机8和用于带动被测物体转动的旋转电机9。

所述激光器1的输出端与所述光纤分束器2的输入端相连；所述光纤分束器2，其第一输出端与所述光纤聚焦器3的输入端相连，其第二输出端与所述光电探测器6的输入端相连；所述光电探测器6的输出端与所述频谱分析模块7的输入端相连；所述频谱分析模块7的输出端与所述计算机8的输入端相连；所述计算机8的输出端分别与所述压电陶瓷5、所述旋转电机9的输入端相连。

所述激光器1发射出的激光，经所述光纤分束器2分成两束激光，其中一束激光经光纤聚焦器3聚焦到所述压电陶瓷5上，经所述压电陶瓷5反射后，再经光纤聚焦器3和光纤分束器2回到所述激光器1的内腔中，在所述激光器1的内腔中发生激光自混合干涉；另外一束激光输入至所述光电探测器6中。所述光电探测器6，用于检测所述激光器1的输出功率，获取激光自混合干涉的时域信号。所述频谱分析模块7用于将激光自混合干涉的时域信号转换为频域信号。所述计算机8，用于对所述旋转电机9的转动角度和所述压电陶瓷5的振动幅度进行调节，还用于根据激光自混合干涉的频域信号，计算出被测物体的转动角度及压电陶瓷振动幅度。由于旋转电机9的输出端与被测物体4相连，因此，但旋转电机旋转一定角度时，被测物体及安装在被测物体上的压电陶瓷会随着旋转电机一同旋转同样的角度。

本发明还涉及一种基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法，激光器1发射出的激光耦合进入到光纤分束器2中，被光纤分束器2分成两束激光，其中一束激光经光纤聚焦器3聚焦到安装在被测物体4表面的压电陶瓷5的反射面上，被压电陶瓷5的反射面反射后，再经光纤聚焦器3和光纤分束器2回到激光器1的内腔中，在激光器1的内腔中发生激光自混合干涉。

另外一束激光输入至光电探测器6中，当激光器1的内腔中发生激光自混合干涉时，光电探测器6检测激光器1的输出功率，获取激光自混合干涉的时域信号，再采用频谱分析模块7将激光自混合干涉的时域信号转换为频域信号。

根据激光自混合干涉的频域信号，采用公式(1)计算得到压电陶瓷的振动幅度A₀，

A₀＝flk(1)

其中，f表示激光自混合干涉的频域信号的拍频，k表示对一系列不同振动幅度A₀下的激光自混合干涉的频域信号进行曲线拟合后得到的拟合系数。

根据激光自混合干涉的频域信号，采用公式(2)计算得到被测物体的转动角度θ，

$P_{dif}=P1-P2=x_1+\left(\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}\right)\×\exp \[-2\×{\left(\frac{\mathrm{\θ}-x_2}{2\mathrm{\σ}}\right)}^2\]---\left(2\right)$

其中，P_dif表示激光自混合干涉的频域信号中的两个峰值的功率差；x₁、x₂和σ均表示对一系列不同转动角度θ下的激光自混合干涉的频域信号进行曲线拟合后得到的拟合系数。

从图2所示的激光自混合干涉的典型频域信号可知，激光自混合干涉的频域信号包含两个峰A:(f1,P1)和B:(f2,P2)，其中，横坐标f1和f2对应拍频，只受压电陶瓷振动幅度的影响，并且随着振动幅度的变化近似呈现线性分布；而纵坐标P1和P2对应峰值，只受被测物体转动角度的影响，并且P1与P2的峰值差P_dif(P_dif＝P1-P2)随着被测物体转动角度的变化近似呈现高斯分布。频谱分析模块7将测量所得的拍频与峰值差同时导入计算机8，计算机8利用预先标定好的拍频和振动幅度的计算公式(1)测得压电陶瓷的振动幅度，利用预先标定好的峰值差和转动角度的计算公式(2)测得被测物体的转动角度θ，从而实现振动幅度和转动角度的同时测量。对于压电陶瓷的振动幅度A0的计算公式(1)和被测物体转动角度θ的计算公式(2)来讲，本发明预先测得一系列不同振动幅度和转动角度条件下的激光自混合干涉的频域信号，通过曲线拟合得到各个拟合系数(k、x₁、x₂和σ)，再将各个拟合系数带入公式(1)和(2)，从而实现频域信号和振动幅度以及转动角度的分布关系的标定。

如图3所示的拍频f1、f2随振动幅度变化的线性拟合，拍频f1、f2只受振动幅度的影响，并且随着振动幅度的变化分别呈现近似线性分布。通过曲线拟合得到拟合系数k，且f2随着振动幅度的变化的斜率是f1的两倍。

如图4所示的峰值差Pdif随角度变化的高斯拟合，峰值P1、P2只受被测物体转动角度的影响，峰值P1、P2的差值P_dif随着转动角度的变化分别呈现近似高斯分布。通过曲线拟合得到拟合系数x1、x2和σ，并且将峰值差P_dif的最大值对应的角度作为被测物体转动角度θ测量的零基准角。

在本发明中，激光自混合干涉发生二次回馈，激光由光纤聚焦器3发出后被压电陶瓷5的表面反射，反射光返回到光纤聚焦器3出射面，即第一次回馈，对应频域信号峰A。第一次回馈光的一部分被光纤聚焦器3的出射面反射，在压电陶瓷5的表面上又一次被反射，发射光返回到光纤聚焦器3的出射面，即第二次回馈，对应频域信号峰B。本发明激光自混合干涉中发生的二次回馈，提高了系统的测量精度和系统响应。为了使激光自混合发生二次回馈，本发明中的压电陶瓷5的反射面采用镜面反射面。同时，激光自混合干涉不发生三次或者更高次数的回馈，其原因是，本发明将压电陶瓷5的反射面稍微倾斜，避免激光垂直照射，使得三次或者更高次数的回馈光经多次反射后，因反射角过大而无法返回光纤聚焦器3出射面。另外，由于在光纤聚焦器3出射面多次的回馈光只有一部分返回压电陶瓷5反射面，经多次反射后，三次或者更高次数的回馈光很微弱，难以探测。

本发明的测量原理如下：

首先，基于激光自混合三镜腔理论，压电陶瓷5的反射面与光纤聚焦器3的出射面构成激光器外腔，经过两次回馈，对激光器的激光功率进行调制，调制后的激光器的激光功率P为：

P＝P₀+P₁(θ)cos(φ₁)+P₂(θ)cos(φ₂)(3)

其中，P₁(θ)和P₂(θ)是两次回馈对激光功率的调制系数，受被测物体的转动角度θ的影响；P₀是原始的激光器的激光输出功率；φ₁和φ₂是两次回馈的光程引起的相位变化。由于第二次回馈光程是第一次回馈的两倍，因此，φ₁和φ₂具有如下关系:

φ₂＝2φ₁＝2πL_ex/λ(4)

其中，L_ext是光纤聚焦器3的出射面到压电陶瓷5反射面的距离，λ是激光波长。第二次回馈引起的相位变化是第一次回馈的两倍，这正是f2随着振动幅度的变化的斜率是f1的两倍的原因。如果压电陶瓷5受计算机8控制，进行振幅为A₀频率为f₀的正弦振动，此时光纤分束器3的出射面到压电陶瓷5反射面的距离是：

L₀＝2L_ext+A₀sin(2πf₀t)(5)

t是时间，激光功率的时域信号P(t)可以写成:

P(t)＝P₀+P₁(θ)cos{4π[L₀+A₀sin(2πf₀·t)]/λ}+P₂(θ)cos{8π[L₀+A₀sin(2πf₀·t)]/λ}(6)

经过傅里叶变换，得到激光功率的频域信号:

$F\left(f\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}P\left(t\right)\exp (-j2\mathrm{\π}ft)dt---\left(7\right)$

下面以具体的试验数据说明本发明所述的基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法及装置的工作过程：

本发明所述的基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的装置包括：选用波长为1550nm、输出功率为30mW的光纤耦合的DFB激光器1作为光源，该光源发射出的激光束经一个分光比为50:50的光纤分束器2分成两束。一束激光经过焦距为1cm的光纤聚焦器3后，照射在表面为镜面反射表面的压电陶瓷5上，形成反馈光。压电陶瓷5在光纤聚焦器3的焦距上，压电陶瓷的振动幅度A₀的范围是0到4000mVpp，振动频率f₀保持140Hz不变，振动角度θ变化范围是0.930°到1.140°。另外一束激光与光电探测器6相连，光电检测其6检测得到激光自混合干涉的时域信号。利用频谱分析模块7将该激光自混合干涉的时域信号转换为频域信号。在计算机8中分别读取拍频和峰值差，并通过曲线拟合得到拟合系数k₁＝0.014,k₂＝0.028，如图3所示，利用预先标定好的拍频和振动幅度的拟合公式(8)或者(9)测得振动幅度A₀；同时通过曲线拟合得到拟合系数x₁＝-66.816,x₂＝342.766,σ＝5.905，如图4所示，利用预先标定好的拍频和振动幅度的拟合公式(10)测得转动角度θ，从而实现振动幅度和转动角度的同时测量。

标定后的压电陶瓷的振幅A₀的计算公式为

A₀＝f₁/0.014(8)

或者

A₀＝f₂/0.028(9)

标定后的被测物体转角θ的计算公式为

$P_{dif}=-66.816+\left(\frac{112.697}{5.905\sqrt{2\mathrm{\π}}}\right)\×\exp \[-2\×{\left(\frac{\mathrm{\θ}-342.766}{5.905}\right)}^2\]---\left(10\right)$

综上所述，本发明所述的基于激光自混合干涉的同时测量角度及振动的方法及装置能够解决现有技术中存在的不足，在保持单通道激光自混合系统的结构简单、造价低廉、校准容易等优点的同时，先通过频谱分析，将时域信号转换为频域信号，再利用预先标定好的频域信号和角度以及振动之间的关系，来实现被测物体的旋转角度和振动的同时测量；该方法及装置无需复杂的信号分离提取和额外的电光频移，在实现角度和振动的同时测量，还能有效的解决多通道激光自混合干涉系统复杂和信号提取困难，单通道激光自混合干涉系统难以同时测量角度和振动的问题。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法，其特征在于：激光器发射出的激光耦合进入到光纤分束器中，被光纤分束器分成两束激光，其中一束激光经光纤聚焦器聚焦到安装在被测物体表面的压电陶瓷的反射面上，被压电陶瓷的反射面反射后，再经光纤聚焦器和光纤分束器回到激光器的内腔中，在激光器的内腔中发生激光自混合干涉；

另外一束激光输入至光电探测器中，当激光器的内腔中发生激光自混合干涉时，光电探测器检测激光器的输出功率，获取激光自混合干涉的时域信号，再采用频谱分析模块将激光自混合干涉的时域信号转换为频域信号；

根据激光自混合干涉的频域信号，采用公式A₀＝f/k，计算得到压电陶瓷的振动幅度A₀，其中，f表示激光自混合干涉的频域信号的拍频，k表示对一系列不同振动幅度A₀下的激光自混合干涉的频域信号进行曲线拟合后得到的拟合系数；

根据激光自混合干涉的频域信号，采用公式计算得到被测物体的转动角度θ，其中，P_dif表示激光自混合干涉的频域信号中的两个峰值的功率差；x₁、x₂和σ均表示对一系列不同转动角度θ下的激光自混合干涉的频域信号进行曲线拟合后得到的拟合系数。

2.实施权利要求1所述的基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法的装置，其特征在于：包括激光器(1)、光纤分束器(2)、光纤聚焦器(3)、安装在被测物体(4)表面的压电陶瓷(5)、光电探测器(6)、频谱分析模块(7)、计算机(8)和用于带动被测物体转动的旋转电机(9)；

所述激光器(1)的输出端与所述光纤分束器(2)的输入端相连；所述光纤分束器(2)，其第一输出端与所述光纤聚焦器(3)的输入端相连，其第二输出端与所述光电探测器(6)的输入端相连；所述光电探测器(6)的输出端与所述频谱分析模块(7)的输入端相连；所述频谱分析模块(7)的输出端与所述计算机(8)的输入端相连；所述计算机(8)的输出端分别与所述压电陶瓷(5)、所述旋转电机(9)的输入端相连；

所述激光器(1)发射出的激光，经所述光纤分束器(2)分成两束激光，其中一束激光经光纤聚焦器(3)聚焦到所述压电陶瓷(5)上，经所述压电陶瓷(5)反射后，再经光纤聚焦器(3)和光纤分束器(2)回到所述激光器(2)的内腔中，在所述激光器(1)的内腔中发生激光自混合干涉；另外一束激光输入至所述光电探测器(6)中；所述光电探测器(6)，用于检测所述激光器(1)的输出功率，获取激光自混合干涉的时域信号；所述频谱分析模块(7)用于将激光自混合干涉的时域信号转换为频域信号；所述计算机(8)，用于对所述旋转电机(9)的转动角度和所述压电陶瓷(5)的振动幅度进行调节，还用于根据激光自混合干涉的频域信号，计算出被测物体(4)的转动角度及压电陶瓷(5)振动幅度。

3.根据权利要求2所述的基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法的装置，其特征在于：所述光纤聚焦器(3)与所述压电陶瓷(5)的反射面之间的距离等于所述光纤聚焦器(3)的焦距。

4.根据权利要求2所述的基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法的装置，其特征在于：所述压电陶瓷(5)的反射面为镜面反射面。