CN102226683A

CN102226683A - 一种光波微波二次混频系统

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Publication number: CN102226683A
Application number: CN 201110080686
Authority: CN
Inventors: 翁继东; 王翔; 戴诚达; 刘仓理; 谭华; 李剑峰; 蔡灵仓; 陶天炯; 钟杰; 陈宏�; 叶素华; 辛建婷; 卢敏; 傅秋卫; 王为; 贾路峰; 汪小松; 马云
Original assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Current assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2011-10-26

Abstract

本发明公开一种光波微波二次混频系统，所述混频系统直接采用双光纤探头将激光照射在被测样品表面并接收表面反射的信号光和机内的本征激光进行第一次混频并由光电探测器将混频后的光信号转换成电信号，该电信号与微波信号源输出的本振微波在微波混频器中进行第二次混频，由示波器记录第二次混频后的电信号并通过计算记录的电信号获得样品位移或速度随时间的变化过程。本发明的光波微波二次混频系统，能大大降低混频系统对记录仪器的带宽要求，可以使混频系统测量10km/s以上的物体运动速度历史而无需高带宽示波器。本发明的混频系统结构紧凑，调试方便、信噪比高。

Description

一种光波微波二次混频系统

技术领域

本发明属于激光测试装置技术领域，具体涉及一种光波微波二次混频系统。

背景技术

在冲击波物理和爆轰物理速度剖面测量实验中，目前常采用基于多单模转换技术的全光纤位移干涉仪（中国发明专利号：ZL200510022172.X）和基于全单模光纤的紧凑型全光纤位移干涉仪（中国发明专利申请号：200810046202.4）。位移干涉仪是一种建立在多普勒原理基础上的测速仪器，其工作机制如下：将激光器的出射光波照射在待测运动物体的表面，反射的激光因多普勒（Doppler）效应而产生微小的频率变化。再将反射激光和激光器本征激光合束发生差拍干涉，通过光电探测器和示波器记录差拍频率变化过程，从而能够非接触地、连续测试运动物体表面（或者内部粒子）位移、速度和加速度的变化过程。

根据位移干涉仪工作原理，输出信号频率与被测速度成正比，被测速度越大，需要的记录系统带宽就越高，因此记录系统带宽就直接决定了被测速度的上限，因此即使采用国际上较高带宽的数字存储示波器作为信号记录设备的位移干涉仪目前也只能达到的速度精密测量上限约为9km/s，随着超高速发射技术的快速发展，测量10km/s以上超高速物体运动速度已成为冲击波物理、爆轰物理以及航天物理领域需要解决的前沿课题，而依靠目前已有的位移干涉仪难以满足超高速发射实验的测量需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光波微波二次混频系统。本发明的光波微波二次混频系统能够用于10km/s以上超高速运动物体的速度测量。

本发明的光波微波二次混频系统，包括光纤激光器、微波信号源、微波混频器、光纤隔离器、变比分束器、可调光纤衰减器、双光纤探头、光纤放大器、光纤滤波器、3×3光纤耦合器和光电探测器，其连接关系是：所述混频系统中的光纤激光器、光纤隔离器和变比分束器的一个端口依次连接，变比分束器另外两个端口分别与可调光纤衰减器和双光纤探头中的一支尾纤相连接用于将激光传输至运动物体表面，双光纤探头中用于接收运动物体表面反射激光的另一支尾纤与光纤放大器连接，光纤放大器与光纤滤波器相连接，3×3光纤耦合器的一个端口分别与可调光纤衰减器和光纤滤波器连接，3×3光纤耦合器的另一端口与光电探测器的一端连接，光电探测器另一端连接微波混频器的射频端，微波混频器的本振端与微波信号源连接，微波混频器的中频端与外围设备中的示波器连接。

本发明中的双光纤探头采用在陶瓷管中并行设置有两根光纤的结构。

本发明的光波微波二次混频系统采用了微波混频器和微波信号源，使光波干涉信号频率得到了大幅度降低，从而使混频系统可测量10km/s以上速度而无需高带宽示波器；该系统测试探头的直径只有几个毫米甚至更小，成本低廉，仪器集成度高，能实际应用于冲击波物理和爆轰物理实验，在几毫米景深范围内测试冲击加载下高速运动物体的运动速度变化历史。

本发明的光波微波二次混频系统，激光完全在光纤内传输，结构紧凑，仪器免调，可以很方便地实现多点测试。本发明能用于测量十几千米每秒速度运动物体的位移变化，测量景深几个毫米。

附图说明

图1为本发明的光波微波二次混频系统的主体结构示意图。

具体实施方式

本发明的光波微波二次混频系统包括光纤激光器、微波信号源、微波混频器、光纤隔离器、变比分束器、可调光纤衰减器、双光纤探头、光纤放大器、光纤滤波器、3×3光纤耦合器和光电探测器，上述光纤元器件都通过光纤连接，微波元器件都通过高频电缆连接。其连接关系是:光纤激光器、光纤隔离器和变比分束器一端依次连接，变比分束器另两端分别与可调光纤衰减器和双光纤探头中一支尾纤连接，双光纤探头中另一支尾纤与光纤放大器连接，光纤放大器与光纤滤波器相连接，3×3光纤耦合器的一端分别与可调光纤衰减器和光纤滤波器连接，3×3光纤耦合器的另一端与光电探测器的一端连接，光电探测器另一端连接微波混频器的射频端，微波混频器的本振端与微波信号源连接，微波混频器的中频端与外围设备中的示波器连接。混频系统的光波干涉部分全由光纤组成，系统结构紧凑，体积小巧。

直接采用并排的两根光纤封装在陶瓷插针中作为双光纤探头，一方面可降低混频系统中光学测试探头的成本，简化测试探头的调试工艺；另一方面，由于双光纤探头采用了“出射光”和“接收光”分离的方式，使“出射光”不能直接耦合进入“接收光”的光纤，因此这种结构可大大降低混频系统测量信号的本底噪声。

采用微波下变频技术，可大大降低混频系统输出信号的频率，使混频系统在测量高速运动物体速度时无需高带宽记录设备，这种方法使我们可用现有示波器通过光波微波二次混频系统测量冲击波物理、爆轰物理和航天物理研究领域中高速物体运动速度历史。

在光纤激光器输出功率够用的情况下，只要在光纤隔离器后面插接几级等比光纤分束器，把激光分成多束，再接续多套光波微波二次混频系统中除光纤激光器和隔离器以外的其它元件，即可同时测试目标上多个被测点的运动。等比光纤分束器可采用1×2或1×3光纤分束器。

本发明的光波微波二次混频系统中，光纤激光器产生1550nm窄线宽激光。隔离器可以单向通过激光，但阻止反方向的激光通过。变比分束器是一个1×2光纤分束器，从单尾纤端输入，双尾纤端的两尾纤输出。变比分束器从两尾纤输出的光功率不相等，在光波微波二次混频系统的位移干涉仪中，一个尾纤只占有总输出的5～10%光直接传输至3×3光纤耦合器作为本征光波参与干涉，另一尾纤输出90%以上的光通过双光纤探头照射在被测运动物体表面上，双光纤探头中的另一根光纤则接收被测运动物体表面反射的多普勒频移信号经光纤放大器和滤波器后传输至3×3光纤耦合器作为信号光波参与干涉。3×3光纤耦合器输入端和输出端各有三根尾纤，当一束光从输入端的一根尾纤输入时，产生分光比1：1：1的三路输出，当两束频率有差别的激光（相干光）从输入端的两尾纤输入时，3×3光纤耦合器中将输出三路位相差120的光波混频信号，经光电转探测器后混频光信号将转换成电信号与微波信号源发出的微波信号在微波混频器中进行第二次混频，通过选择合适的微波信号源输出频率，可以使第二次混频后的信号频率在示波器记录带宽内，从而可以用现有的示波器记录下超高速运动物体的速度变化历史。

本发明的工作过程是：光纤激光器输出波长1550nm激光，经过隔离器后，进入变比分束器分为功率不相等的两束光，其中第一束光约为总功率的5～10%，再经过衰减器送入3×3光纤耦合器，这束光的频率和光纤激光器的本征震荡频率相同，称为本征激光。变比分束器分出的约90%的另一束光，从双光纤探头中任一根尾纤输送至被测运动物体表面，另一根尾纤则接收从被测运动物体表面反射的多普勒频移反射光波。

当被测样品受到冲击后，照射在样品表面的激光因样品表面运动而使反射激光产生多普勒频移，即携带有运动信息成为信号光。双光纤探头收集的反射光进入光纤放大器放大，再经过光纤滤波器后送入3×3光纤耦合器和本征激光干涉，产生位相差120°的三路光信号经光电探测器变为三路电信号，该电信号与微波信号源输出的微波信号经微波混频器混频后送入示波器记录。然后经过信号处理程序得到被测表面位移随时间变化过程。

双光纤探头不但彻底消除了自身的端面反射光，即减少了本底信号，有利于提高仪器的性能；而且缩小了混频系统中光学测试探头的体积，有利于实现多个点和小尺寸样品的运动位移历史测量。

采用光纤放大器放大信号光，采用滤波器过滤伴随信号光的杂散光，采用可调衰减器适当衰减本征光，放大器、滤波器和衰减器组成平衡系统，提高信噪比。只要在光纤隔离器后面插接等比光纤分束器，再接续多套光波微波二次混频系统的其它元件，即可成为多路混频系统，同时测试目标上多个测点的运动。

在光波微波二次混频系统中，采用可调光纤衰减器来调节本征光能量，采用放大器放大信号光能量，采用光纤滤波器隔离环境光和加载实验产生的杂散光，可调光纤衰减器、光纤放大器、光纤滤波器三者组成为一种平衡系统，使本征光和信号光能量基本相等，因而改善干涉仪的信噪比，提高干涉信号的对比度。

图1为本发明的光波微波二次混频系统的主体结构示意图。如图1所示，本发明的光波微波二次混频系统，含有光纤激光器、微波信号源、微波混频器、光纤隔离器、变比分束器、可调光纤衰减器、双光纤探头、光纤放大器、光纤滤波器、3×3光纤耦合器和光电探测器。上述光纤器件的尾纤之间通过熔接的方法连接或通过法兰盘连接，电信号之间通过高频电缆连接。其连接关系是，光纤激光器、光纤隔离器和变比分束器一端依次连接，变比分束器另两端分别与可调光纤衰减器和双光纤探头中一支尾纤连接，双光纤探头中另一支尾纤与光纤放大器连接，光纤放大器与光纤滤波器相连接，3×3光纤耦合器的一端分别与可调光纤衰减器和光纤滤波器连接，3×3光纤耦合器的另一端与光电探测器的一端连接，光电探测器另一端连接微波混频器的射频端，微波混频器的本振端与微波信号源连接，微波混频器的中频端与外围设备中的示波器连接。干涉仪和光学探头全由光纤组成，系统结构紧凑，体积小巧。干涉仪中采用的光纤耦合器为3×3光纤耦合器、2×2光纤耦合器或1×2光纤耦合器中的任意一种。

带有尾纤的光纤元器件之间通过法兰盘插接相连。

光波微波二次混频系统直接采用封装在陶瓷管内的双光纤作为光学探头，这种探头是首次被引入混频系统中使用，使用方法如下：由双光纤探头中任一根光纤将激光器输出的光波照射在被测运动物体表面上，由另一根光纤接收被测运动物体表面反射的光波并传输至3×3光纤耦合器。

以光纤耦合器为3×3光纤耦合器为例，光纤激光器输出的激光，经过光纤隔离器进入变比分束器，分出少部分光（5%～10%）进入可调光纤衰减器，由可调光纤衰减器适当衰减后进入3×3光纤耦合器，这部分光的频率和光纤激光器输出的频率一致，称为本征光波，可调光纤衰减器可以调整本征光波与被测运动物体表面反射信号光波的强度比值从而可以得到极高的干涉信号对比度。从变比分束器分出的大部分激光进入双光纤探头，双光纤探头中任一根光纤将光波照射在被测运动物体表面上，由另一根光纤收集被测运动物体表面的漫反射光，这部分光波的频率因样品表面运动而产生多普勒频移从而被称为信号光。信号光经光纤放大器放大之后再经过滤波器，通过光纤滤波器滤掉杂散光，然后进入3×3光纤耦合器，和本征光波拍频干涉，产生位相差120°的三路拍频信号，再经过光电探测器变为三路电信号，该电信号与微波信号源输出的微波信号在微波混频器中混频后由数字示波器记录，通过计算记录的混频信号可得到被测物体运动速度变化历史。

Claims

1.一种光波微波二次混频系统，其特征是：所述混频系统中的光纤激光器、光纤隔离器和变比分束器的一个端口依次连接，变比分束器另外两个端口分别与可调光纤衰减器和双光纤探头中的一支尾纤相连接用于将激光传输至运动物体表面，双光纤探头中用于接收运动物体表面反射激光的另一支尾纤与光纤放大器连接，光纤放大器与光纤滤波器相连接，3×3光纤耦合器的一个端口分别与可调光纤衰减器和光纤滤波器连接，3×3光纤耦合器的另一端口与光电探测器的一端连接，光电探测器另一端连接微波混频器的射频端，微波混频器的本振端与微波信号源连接，微波混频器的中频端与外围设备中的示波器连接。

2.根据权利要求1所述的光波微波二次混频系统，其特征在于：双光纤探头采用在陶瓷管中并行设置有两根光纤的结构。