CN102419442B - 一种双源激光干涉测速系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双源激光干涉测速系统，所述的测速系统包括定频光纤激光器、可调谐激光器、可调光纤衰减器、双芯光纤探头、光纤放大器、光纤滤波器、光纤耦合器和光电探测器组成。所述的测速系统采用不同源不同频率的光束相干涉，借助多普勒效应测量运动表面速度。所述的测速系统一方面具备频率下变换功能，可以大幅度地降低高速测量对示波器带宽的要求，具有相当宽的可调节的速度覆盖范围；另一方面具备频率上变换功能，使低速的测量同时具有较高的时间分辨率和测量精度。

Description

一种双源激光干涉测速系统

技术领域

本发明属于激光测量领域，具体涉及一种双源激光干涉测速系统。

背景技术

在冲击波物理和爆轰物理中，经常需要测量速度剖面，目前常采用基于多普勒原理建立的位移干涉仪。做法是将一束激光照射在待测运动物体的表面，反射光因多普勒效应而产生了微小的频率变化，如果将反射光和同源的参考光束做相干探测，取出反射光和参考光的频率差，就可以推算出运动物体表面的运动速度变化过程。这是一种非接触式的，不会带来干扰的，可连续进行位移、速度和加速度监视的测试技术。根据多普勒效应，当被测表面向探头运动时，输出信号频率与被测速度成正比，被测速度越大，所需的示波器带宽就越高，然而国际上超高带宽的示波器价格昂贵，因此超高速度的测量受实验成本的限制。

目前，波长为1550nm的单源激光位移干涉仪，采用带宽为5GHz以下的普通高带宽示波器，仅能实现4 km/s以下速度的测量，然而大于10km/s 的超高速加载技术的快速发展迫切需要超高速度的测量技术，为冲击波物理、爆轰物理研究提供数据支持。此外在短历程低速测量时，由于单源激光位移干涉仪的条纹稀少，导致测速干涉仪的时间分辨率低，测量精度较低，不能很好地还原速度变化细节，而不利于干涉测速的更好发展。

发明内容

为了克服现有的单源激光位移干涉仪使用5GHz以下的普通高带宽示波器无法测量大于10 km/s的超高速和在测量短历程低速测量时时间分辨率与测量精度较低的两个不足，本发明提供一种双源激光干涉测速系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，定频光纤激光器、可调谐激光器、第一可调光纤衰减器、双芯光纤探头、光纤放大器、光纤滤波器、第二可调光纤衰减器、光纤耦合器和光电探测器通过光纤连接，尾纤之间通过法兰盘或者熔接法连接，光电探测器的信号通过射频同轴电缆输出。所述的定频光纤激光器输出适当功率的探测光通过双芯光纤探头的其中一芯照射在被测表面上，双芯光纤探头的另外一芯收集被测表面反射回来的信号光，双芯光纤探头收集的信号光输到光纤放大器，信号光经光纤放大器放大后通过光纤滤波器滤掉放大器的本底杂光，第二可调光纤衰减器调节信号光的光强，使信号光的强度在光电探测器的最佳工作范围内；可调谐激光器输出的参考光，波长比探测光的稍短或者稍长，输出频率比探测光的频率高或者低几GHz到几十GHz，此频率差可根据需要调节；第一可调光纤衰减器调节参考光的强度，使其与信号光的强度相等，光纤耦合器将来自第一可调光纤衰减器和第二可调光纤衰减器的参考光和信号光耦合后传输到光电探测器，进行光电转化，完成不同源的信号光和参考光之间的相干探测，输出携带运动信息的电信号，信号由外围示波器记录，再经信号频率分析获得被测表面的速度信息。当参考光的频率比探测光的频率高时，信号光的频率随着被测表面运动速度增大而增加，最终赶上并且超过参考光一定频率，而干涉信号的频率随着被测速度的增加先是降低，直至降到零频后又升高到某一频率，这样相比单源干涉而言，可以降低高速测量中干涉信号的频率，可以使用普通高带宽示波器进行大于10 km/s的超高速测量；当参考光的频率比探测光的频率低时，干涉信号的频率随着被测速度的增加从某一较高初始频率开始上升到最后，增加条纹数量，这使得低速变化的测量也具有较高的时间分辨率和测量精度。

本发明的有益效果是，利用不同源的信号光和参考光相干探测，不仅能大幅度地降低输出干涉信号频率，使5GHz以下的普通高带宽示波器也能测量大于10 km/s甚至20km/s以上的超高速，使高速测量摆脱了对超高带宽示波器的依赖，大大降低高速实验成本；而且能将低速运动的信号进行频率上变换，增加条纹数量，提高低速测量的时间分辨率和测量精度。本发明的测速范围可以根据需要调节，覆盖了冲击波物理中当前所有力学加载手段能达到的速度。此外，本发明由较少体积小巧的组件构成，光束完全在光纤内传输，不仅整个系统有较高的集成度，而且系统成本较低，有利于推广应用。

附图说明

图1为本发明双源激光干涉测速系统的结构示意图。

图中，1.定频光纤激光器    2.可调谐激光器     3.第一可调光纤衰减器     4.双芯光纤探头     5.光纤放大器     6.光纤滤波器     7.第二可调光纤衰减器     8.光纤耦合器     9.光电探测器。

具体实施方式

如图1所示，所述的定频光纤激光器1与双芯光纤探头4的其中一芯通过光纤连接，可调谐激光器2与第一可调光纤衰减器3的一端通过光纤连接，第一可调光纤衰减器3的另一端与光纤耦合器8其中一输入端通过光纤连接，双芯光纤探头4的另外一芯通过光纤与光纤放大器5的输入端连接，光纤放大器5的输出端与光纤滤波器6通过光纤连接，光纤滤波器6与第二可调光纤衰减器7通过光纤连接，第二可调光纤衰减器7与光纤耦合器8的另一输入端通过光纤连接，光纤耦合器8与光电探测器9的输入端通过光纤连接，尾纤之间通过法兰盘或者熔接法连接。

所述的定频光纤激光器1波长为1550nm，输出功率1W，激光谱线宽度小于100kHz；

所述的可调谐激光器2的输出波长为1550nm±20nm范围内可调，输出功率大于20 mW，激光谱线宽度小于100kHz，调谐范围大于40nm，频率连续调谐范围大于20GHz；

所述的第一可调光纤衰减器3衰减倍数连续可调，最大衰减倍数不小于100倍；

所述的双芯光纤探头4由并排的两根光纤封装在陶瓷插针中组成，出光端面镀1550nm的增透膜；

所述的光纤放大器5是低噪声光放大器，中心波长为1550 nm，饱和输出功率大于20mW；

所述的光纤滤波器6是中心在1550 nm的窄带滤波器；

所述的第二可调光纤衰减器7衰减倍数连续可调，最大衰减倍数不小于100倍；

 所述的光纤耦合器8为2×1光纤耦合器，将强度相当的信号光和参考光耦合输出；

 所述的光电探测器9是高速光电探测器，低频截止频率小于100kHz，3dB带宽大于10GHz,接收信号光和参考光完成光电转化，输出干涉电信号到外围示波器。

所述的双源激光干涉测速系统的测速方法的实施分三个步骤。第一步，所述的定频光纤激光器1输出适当功率的探测光通过双芯光纤探头4的其中一芯照射在被测表面上，双芯光纤探头4的另外一芯收集被测表面反射回来的信号光，双芯光纤探头4收集的信号光输到光纤放大器5，信号光经光纤放大器5放大后通过光纤滤波器6滤掉放大器的本底杂光，第二可调光纤衰减器7调节信号光的强度，使信号光强度在光电探测器9的最佳工作范围内；第二步，可调谐激光器2输出的参考光，频率比探测光的频率略高或者略低一定频率，比如15GHz，此频率差可根据需要调节，第一可调光纤衰减器3调节参考光的强度使其与衰减后的信号光强度相等；第三步，光纤耦合器8将来自第一可调光纤衰减器3和第二可调光纤衰减器7的参考光和信号光耦合后传输到光电探测器9，进行光电转化，输出携带运动信息的干涉电信号，信号由外围示波器记录，再经信号频率分析获得被测表面的速度信息。

Claims (2)

1.一种双源激光干涉测速系统，其特征在于，所述的双源激光干涉测速系统包括定频光纤激光器(1)、可调谐激光器(2)、第一可调光纤衰减器(3)、双芯光纤探头(4)、光纤放大器(5)、光纤滤波器(6)、第二可调光纤衰减器(7)、光纤耦合器(8)和光电探测器(9)；定频光纤激光器(1)与双芯光纤探头(4)的其中一芯通过光纤连接，可调谐激光器(2)与第一可调光纤衰减器(3)的一端通过光纤连接，第一可调光纤衰减器(3)的另一端与光纤耦合器(8)其中一输入端通过光纤连接，双芯光纤探头(4)的另外一芯通过光纤与光纤放大器(5)的输入端连接，光纤放大器(5)的输出端与光纤滤波器(6)通过光纤连接，光纤滤波器(6)与第二可调光纤衰减器(7)通过光纤连接，第二可调光纤衰减器(7)与光纤耦合器(8)的另一输入端通过光纤连接，光纤耦合器(8)的输出端与光电探测器(9)的输入端通过光纤连接，尾纤之间通过法兰盘或者熔接法连接，光电探测器(9)的信号通过射频同轴电缆输出。

2.根据权利要求1所述的双源激光干涉测速系统，其特征在于，所述的定频光纤激光器(1)的输出谱线宽度小于100kHz；所述的可调谐激光器(2)的输出波长在定频光纤激光器(1)输出波长的±20nm范围内可调，输出频率连续调谐范围大于20GHz，且输出谱线宽度小于100kHz；所述的双芯光纤探头(4)的输出端面镀增透膜；所述的光电探测器(9)的低频截止频率小于100 kHz，3dB带宽大于10 GHz。