CN103412137B - 旋转因子中和测速方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种旋转因子中和测速方法和装置，所述装置由光纤激光器、光纤环形器、光纤探头、可调谐激光器、90º光纤光桥和光电探测器组构成。测速方法中采用90º光纤光桥接收被测物体反射回光和参考光，干涉产生四路相位相差90º的干涉信号，利用离散傅立叶变换分析四个信号的频率谱，然后将四个频率谱相加得到总频率谱，中和平均主要由旋转因子造成的计算误差，再通过曲线拟合总频率谱计算信号频率。本发明大幅度地提高测速装置性能，不同频率的计算精度提高几倍到几十倍，可以进行具有100 ps级时间分辨率和m/s级速度分辨率的km/s级高速的测量。

Description

旋转因子中和测速方法和装置
技术领域
本发明属于激光测量领域，具体涉及一种旋转因子中和测速方法和装置。
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激光干涉测速仪。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，如果将反射光和另一束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。
目前，激光干涉测速仪一般采用一个探测器记录干涉信号，采用离散傅立叶变换分析信号频率，由于旋转因子(，其中f为频率，t为时间，i为虚数单位，e为自然指数，π为圆周率)的影响，在计算信号频谱时误差较大，再加上傅立分析中时间和频率之间的不确定关系，使得目前的干涉测速仪在高速测量中不同时具有非常高的时间和速度分辨率。虽然有些仪器中采取了像3×3耦合器等器件产生120度相移信号，然后利用绝对光强计算速度，这就导致它们容易受到强度噪声和器件一致性等因素影响，无法获得非常高的速度和时间分辨率。目前的激光干涉测速仪在1 ns时间尺度时可以做到m/s级速度分辨，但是到100 ps级时间尺度时速度分辨率变差到几十m/s，然而材料动态特性的多尺度研究以及超高应变率加载技术(比如脉冲激光加载)的发展，迫切需要同时具备非常高时间分辨率(100ps级)和速度分辨率(m/s级)的高速(km/s级)测量手段，为冲击波物理、爆轰物理研究提供数据支持。
发明内容
为了满足超高应变率条件下材料研究的测速需求，本发明提供一种旋转因子中和测速方法和装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，光纤激光器、光纤环形器、光纤探头、可调谐激光器、90 º光纤光桥和光电探测器组构成旋转因子中和测速装置。光纤激光器与光纤环形器的端口Ⅰ通过光纤连接，光纤环形器的端口Ⅱ与光纤探头通过光纤连接，光纤环形器的端口Ⅲ与90 º光纤光桥其中一个输入端通过光纤连接，可调谐激光器与90 º光纤光桥另一个输入端通过光纤连接，90 º光纤光桥的四个输出端与光电探测器组中的四个探测器分别通过光纤连接，尾纤之间通过法兰盘或者熔接法连接，光电探测器组的信号通过射频同轴电缆输出。所述的光纤激光器和可调谐激光器的输出谱线宽度小于100 kHz，它们的输出频率差在0频到20 GHz以上的频率连续可调；所述的光纤探头的输出端面镀增透膜；所述的90 º光纤光桥将两个光信号干涉产生四个相位相差90 º的干涉信号；所述的光电探测器组由四个相同探测器构成，每个探测器带宽大于10 GHz，低频截至频率小于100 kHz。
旋转因子中和测速装置的测速方法是，所述的光纤激光器的输出探测光依次经过光纤环形器的端口Ⅰ和端口Ⅱ，然后通过光纤探头照射到被测物体，光纤探头同时接受被测物体反射回光；反射回光经过光纤环形器的端口Ⅱ和端口Ⅲ，输入到90 º光纤光桥与来自可调谐激光器的参考光干涉，90 º光纤光桥产生四个路相位相差90 º的干涉信号，光电探测器组接收干涉信号并转换成电信号输出；四电信号由外围采集系统记录后，分别通过离散傅立叶变换计算频率谱，将四个频率谱相加得到总频率谱，然后利用曲线拟合总频率谱计算出干涉信号频率，最终利用多普勒效应和光纤激光器的波长计算被测物体的运动速度。
本发明的有益效果是，采用90 º光纤光桥接收被测物体反射回光和参考光，干涉产生四路相位相差90 º的干涉信号，能大幅度地提高测速装置性能，可以进行具有100 ps级时间分辨率和m/s级速度分辨率的km/s级高速的测量。旋转因子的影响是计算信号频谱误差的主要来源，研究发现，一对相位相差90 º的干涉信号经过计算后的误差几乎相对于0对称，这对误差经中和平均减小到计算机舍入误差和噪声导致的固有误差水平。采取四路相位相差90 º的干涉信号将旋转因子的影响两次中和平均，不同频率的计算精度提高几倍到几十倍。对于激光加载等高应变率条件下，材料界面速度同等时间分辨率的测量精度从原来的几十米每秒提高到几米每秒，非常有利于研究材料的高压相变等现象。
附图说明
图1为本发明旋转因子中和测速装置的结构示意图；
图中：1.光纤激光器 2.光纤环形器 3.光纤探头 4.可调谐激光器 5.90 º光纤光桥 6.光电探测器组 7.被测运动物体。
具体实施方式
如图1所示，光纤激光器1与光纤环形器2的端口Ⅰ通过光纤连接，光纤环形器2的端口Ⅱ与光纤探头3通过光纤连接，光纤环形器2的端口Ⅲ与90 º光纤光桥5其中一个输入端通过光纤连接，可调谐激光器4与90 º光纤光桥5另一个输入端通过光纤连接，90 º光纤光桥5的四个输出端与光电探测器组6中的四个探测器分别通过光纤连接，尾纤之间通过法兰盘或者熔接法连接，光电探测器组6的信号通过射频同轴电缆输出，由外围数字化设备记录。其中所述的光纤激光器1和可调谐激光器4的输出谱线宽度小于100 kHz，它们的输出频率差在0频到20 GHz以上的频率连续可调；所述的光纤探头3的输出端面镀增透膜；所述的90 º光纤光桥5将两个光信号干涉产生四个相位相差90 º的干涉信号；所述的光电探测器组6由四个相同探测器构成，每个探测器带宽大于10 GHz，低频截至频率小于100 kHz。
所述的旋转因子中和测速装置的测速方法的实施步骤，光纤激光器1的输出探测光依次经过光纤环形器2的端口Ⅰ和端口Ⅱ，然后通过光纤探头3照射到被测物体7，光纤探头3同时接受被测物体7反射回光；反射回光经过光纤环形器2的端口Ⅱ和端口Ⅲ，最终输入到90 º光纤光桥5与来自可调谐激光器4的参考光干涉，90 º光纤光桥5产生四路相位相差90 º的干涉信号，光电探测器组6接收干涉信号并转换成电信号输出；四个电信号由外围采集系统记录后，分别通过离散傅立叶变换计算频率谱，将四个频率谱相加得到总频率谱，然后利用曲线拟合总频率谱计算出干涉信号频率，最终利用多普勒效应和光纤激光器1的波长计算被测物体的运动速度。

Claims (3)

1.一种旋转因子中和测速装置，其特征在于，所述的旋转因子中和测速装置包括光纤激光器（1）、光纤环形器（2）、光纤探头（3）、可调谐激光器（4）、90º光纤光桥（5）、光电探测器组（6）；光纤激光器（1）与光纤环形器（2）的端口Ⅰ通过光纤连接，光纤环形器（2）的端口Ⅱ与光纤探头（3）通过光纤连接，光纤环形器（2）的端口Ⅲ与90º光纤光桥（5）其中一个输入端通过光纤连接，可调谐激光器（4）与90º光纤光桥（5）另一个输入端通过光纤连接，90º光纤光桥（5）的四个输出端与光电探测器组（6）中的四个探测器分别通过光纤连接，尾纤之间通过法兰盘或者熔接法连接，光电探测器组（6）的信号通过射频同轴电缆输出。
2.根据权利要求1所述的旋转因子中和测速装置，其特征在于，所述的光纤激光器（1）和可调谐激光器（4）的输出谱线宽度小于100 kHz，它们的输出频率差在0到20 GHz频率连续可调；所述的光纤探头（3）的输出端面镀增透膜；所述的90º光纤光桥（5）将两个光信号干涉产生四个相位相差90º的干涉信号；所述的光电探测器组（6）由四个相同探测器构成，每个探测器带宽大于10 GHz，低频截至频率小于100 kHz。
3.根据权利要求1所述的旋转因子中和测速装置的测速方法，其特征在于，所述的光纤激光器（1）的输出探测光依次经过光纤环形器（2）的端口Ⅰ和端口Ⅱ，然后通过光纤探头（3）照射到被测物体（7），光纤探头（3）同时接受被测物体（7）反射回光；反射回光经过光纤环形器（2）的端口Ⅱ和端口Ⅲ，输入到90º光纤光桥（5）与来自可调谐激光器（4）的参考光干涉，90º光纤光桥（5）产生四路相位相差90º的干涉信号，光电探测器组（6）接收干涉信号并转换成电信号输出；四个电信号由外围采集系统记录后，分别通过离散傅立叶变换计算频率谱，将四个频率谱相加得到总频率谱，然后利用曲线拟合总频率谱计算出干涉信号频率，最终利用多普勒效应和光纤激光器（1）的波长计算被测物体（7）的运动速度。
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