CN105807287B - 光强自适应型激光多普勒测速仪 - Google Patents

光强自适应型激光多普勒测速仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光电瞬态测试技术领域，提供一种光强自适应型激光多普勒测速仪，以解决现有激光多普勒测速仪在爆轰加载测试时出现的信号波形超屏并丢失信号的问题，其包括激光器、第一光纤分束器、环形器、光纤探头、光纤耦合器、光强自动增益调节反馈模块，光强自动增益调节反馈模块包括光强调制器、控制器、差分比较器、第一光电转换器、第二光电转换器、第二光纤分束器、第三光纤分束器、第三光电转换器。本发明提出的技术方案保证了激光多普勒测速仪获得的干涉信号一直处于稳定状态，改善了激光多普勒测速仪信噪比不稳定以及信噪比差的缺点，另外还避免了光强突变带来的超屏信号丢失现象，解决了现有技术中的激光多普勒测速仪的有效信号丢失问题。

Description

光强自适应型激光多普勒测速仪
技术领域
本发明属于光电瞬态测试技术领域，特别涉及一种光强自适应型激光多普勒测速仪。
背景技术
激光多普勒测速技术是一种近年来逐步兴起并且发展迅猛的瞬态速度历程检测技术，由于其具有非接触式、连续测量的特点，现已广泛应用于各种爆轰加载实验中，获取被测物体靶面的瞬态速度演化历程，以对爆轰物理过程进行精确分析。
爆轰物理实验中使用的激光多普勒测速技术是一种使用通讯波段波长激光为光源，微型光纤探头为末端传感器的全光纤式瞬态测速仪器。图1为现有技术中的激光多普勒测速仪的原理结构图，如图1所示，光纤探头收集出射至靶面并被靶面反射回来的信号光，并通过长距离光缆返回，与仪器内部参考光耦合并形成干涉光，当被测靶面发生运动时，由于多普勒效应，反射回来的信号光频率产生与靶面运动速度成正比的偏移，导致干涉光频率发生正比于靶面运动速度的变化，通过光电转换器探测和示波器记录干涉光的频率变化历程，再通过计算可获得靶面运动的速度历程。
现有激光多普勒测速技术在爆轰加载测试中，由于被测物体靶面运动状态复杂多变，回光光强可能呈不规律变化，导致示波器采集干涉信号波形时，普遍存在信号幅值和信号基线突变而导致测试波形超屏并丢失信号的风险和现象。
发明内容
【要解决的技术问题】
本发明的目的是提供一种光强自适应型激光多普勒测速仪，以解决现有激光多普勒测速仪在爆轰加载测试时出现的信号波形超屏并丢失信号的问题。
【技术方案】
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明涉及一种光强自适应型激光多普勒测速仪，其包括激光器、第一光纤分束器、环形器、光纤探头、光纤耦合器，所述激光器与第一光纤分束器的输入端连接，所述第一光纤分束器的一个输出端与环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与光纤探头连接，其还包括光强自动增益调节反馈模块，所述光强自动增益调节反馈模块包括光强调制器、控制器、差分比较器、第一光电转换器、第二光电转换器、第二光纤分束器、第三光纤分束器、第三光电转换器，所述第二光纤分束器的输入端与第一光纤分束器的另一个输出端连接，所述第二光纤分束器的一个输出端与第一光电转换器的输入端连接，所述第二光纤分束器的另一个输出端与光纤耦合器的一个输入端连接，所述差分比较器的一个输入端与第一光电转换器的输出端连接，所述差分比较器的另一个输入端与第二光电转换器的输出端连接，所述差分比较器的输出端与控制器的输入端连接，所述光强调制器的光输入端与环形器的第三端口连接，所述光强调制器的电输入端与控制器的输出端连接，所述光强调制器的输出端与第三光纤分束器的输入端连接，所述第三光纤分束器的一个输出端与光纤耦合器的另一个输入端连接，所述第三光纤分束器的另一个输出端与第二光电转换器的输入端连接，所述光纤耦合器的输出端与第三光电转换器的输入端连接。
作为一种优选的实施方式，所述控制器被配置成：根据差分比较器输出值调节光强调制器的输出，使光纤探头接收到的反射光光强与激光器发射的参考光光强相等。
作为另一种优选的实施方式，还包括与第三光电转换器连接的频率信息提取模块，所述频率信息提取模块用于根据第三光电转换器得到的电压信号，通过傅立叶变换得到对应的频率信息。
作为另一种优选的实施方式，所述控制器为FPGA、DSP或ARM。
下面对本发明进行详细说明。
本发明通过在现有技术中的激光多普勒测速仪中加入光强自动增益调节反馈模块，使反射回来的信号光幅值保持稳定且与参考光光强相等，同时与参考光耦合，形成干涉光。
首先，由激光干涉测速原理公式：
上式中，I0(t)为参考光光强，Id(t)靶面反射信号光光强，f0(t)为参考光频率，fd(t)为带有多普勒频移的反射信号光频率；可见，等式右边前两项为直流分量，第三项为交流分量。当I0(t)＝Id(t)时，交流分量幅值在等式右边的占比最高，此时信噪比最佳；当I0(t)、Id(t)都为稳定值时，直流分量强度稳定且交流信号幅值稳定，即波形信号的基线位置和干涉信号幅值都保持稳定。通过以上发明方法和相关原理，可获得基线稳定、信号幅值稳定，且信噪比最佳的干涉信号，可有效解决波形信号超屏导致有效测试数据丢失的问题。
具体地，以上所述的现有技术中的激光多普勒测速仪的原理如图1所示，激光多普勒测速仪是一种使用激光为光源，微型光纤探头为末端传感器的全光纤式瞬态测速仪器。激光器发射出的入射激光被第一光纤分束器分成两份，一份作为信号光通过长距离光缆传至光纤探头并入射至被测靶面，另一份作为参考光直接传入光纤耦合器。光纤探头收集得到发射至靶面并被靶面反射回来的信号光，并通过光缆返回至光纤耦合器，与参考光耦合并形成干涉光。当被测靶面发生运动时，由于多普勒效应，信号光频率产生与靶面运动速度成正比的偏移，导致干涉光频率发生正比于靶面运动速度的变化，通过光电转换器探测和示波器记录干涉光的频率变化历程，可以获得与靶面运动速度成正比的多普勒移动频率历程，最后通过傅立叶变换等计算方法，可以提取出与多普勒频移所对应的靶面运动速度历程信息，完成对靶面的速度历程测量。
基于现有技术中的激光多普勒测速仪，本发明引入光强自动增益调节反馈模块，其中光强自动增益调节反馈模块如图2所示，具体地，将反射光接入一个光强调制器，并且反射光和参考光分别通过光纤分束器分出等比例的一部分光接入一个光电转换器，分别将反射光和参考光转换为与自身光强成正比的电压信号，再接入一个差分比较器进行光强大小比对，当反射光光强与参考光光强不相等时，差分比对器立即将两路信号的差值强度传送给控制器，由控制器实时控制光强调节器，调节反射光的光强大小，使反射光光强与参考光光强始终保持相等的状态。
【有益效果】
本发明提出的技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明保证了激光多普勒测速仪获得的干涉信号一直处于稳定状态。
(2)本发明改善了激光多普勒测速仪信噪比不稳定以及信噪比差的缺点。
(3)本发明避免了光强突变带来的超屏信号丢失现象，解决了现有技术中的激光多普勒测速仪的有效信号丢失问题。
(4)本发明采用全自动式自适应实时调节方式，避免了人为调节的不便。
附图说明
图1为现有技术中的激光多普勒测速仪的原理结构图。
图2为本发明的实施例一提供的光强自适应型激光多普勒测速仪的原理结构图。
图3为采用实施例一提供的光强自适应型激光多普勒测速仪进行飞片爆轰加载实验的使用实施图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的具体实施方式进行清楚、完整的描述。
实施例一
实施例一提供一种光强自适应型激光多普勒测速仪，图2为实施例一提供的光强自适应型激光多普勒测速仪的原理结构图，如图2所示，其包括激光器1、光纤分束器2、光纤探头3、光纤耦合器4、环形器15、光强自动增益调节反馈模块。
光强自动增益调节反馈模块包括光强调制器5、控制器6、差分比较器7、光电转换器8、光电转换器9、光纤分束器10、光纤分束器11、光电转换器12。
光纤分束器2的一个输出端与光纤分束器10的输入端连接，光纤分束器2的另一个输出端与环形器15的端口a连接，环形器15的端口b与光纤探头3通过长距离光缆连接。光纤分束器10的一个输出端与光电转换器8的输入端连接，光纤分束器10的另一个输出端与光纤耦合器4的一个输入端连接，差分比较器7的一个输入端与光电转换器8的输出端连接，差分比较器7的另一个输入端与光电转换器9的输出端连接，差分比较器7的输出端与控制器6的输入端连接，光强调制器5的光输入端与环形器15的端口c连接，光强调制器5的光输出端与光纤分束器11的输入端连接，光强调制器5的电输入端与控制器的输出端连接，光纤分束器11的一个输出端与光纤耦合器4的另一个输入端连接，光纤分束器11的另一个输出端与光电转换器9的输入端连接，光纤耦合器4的输出端与光电转换器12的输入端连接。
本实施例中，控制器6被配置成：根据差分比较器7输出值调节光强调制器5的输出，使光纤探头3接收到的反射光光强与激光器1发射的参考光光强相等。
在将本实施例应用于飞片爆轰加载实验时，为了获得飞片运动速度历程，还需要设置与光电转换器12连接的频率信息提取模块14，其中频率信息提取模块14用于根据光电转换器12得到的电压信号，通过傅立叶变换得到对应的频率信息。
下面将本实施例应用于飞片爆轰加载实验。
飞片爆轰加载实验
图3为采用实施例一提供的光强自适应型激光多普勒测速仪进行飞片爆轰加载实验的使用实施图。如图3所示，实验之前，将光强自适应型激光多普勒测速仪放置在与爆轰加载装置相隔一定距离且具有防护功能的测试间中，将光纤探头3通过长距离光缆固定放置在飞片前端并与飞片垂直，通过长距离光缆将激光器1发射的信号光传入光纤探头3并从光纤探头3发射到飞片表面，从飞片表面反射回来的信号进入光纤探头3被回收并通过长距离光缆传回至光强自适应型激光多普勒测速仪的光强自动增益调节反馈模块，经光强调制器5后，反射信号光与参考光所分出的等比例部分被各自的光电转换器探测到并转换为与光强大小成正比的电压信号，输入差分比较器7的两个端口进行比较，从差分比较器7输出的光强差值大小再实时输入控制器6，控制器6根据光强差值的大小对光强调制器5进行控制，从而对反射信号光的光强进行调节，使其光强大小与参考光实时地保持一致，且使光强功率保持稳定。光强强度一致的反射信号光和参考光经光纤耦合器4后形成干涉光，其中当飞片被爆轰加载后发生运动时，由于多普勒效应，反射信号光携带有与参考光不同的多普勒频移信息，二者耦合混频后，二者频率之差被光电转换器12探测到并转换为对应的电压强度信号，并经示波器13记录下来，频率信息提取模块14通过傅立叶变换提取出与飞片运动速度成正比的频率信息，最终获得飞片运动速度历程。
其中，因为反射信号光光强与参考光光强因光强自动增益调节反馈回路的存在而始终保持相等，所以信噪比始终保持最优状态，且二者耦合后的光强大小也一直保持稳定状态，避免了光强突变带来的示波器采集过程中基线突变以及信号幅值突变而导致的超屏现象，从而有效避免了信号丢失问题。
从以上实施例可以看出，本发明实施例保证了激光多普勒测速仪获得的干涉信号一直处于稳定状态；另外，本发明实施例改善了激光多普勒测速仪信噪比不稳定以及信噪比差的缺点；同时，本发明实施例还避免了光强突变带来的超屏信号丢失现象，解决了现有技术中的激光多普勒测速仪的有效信号丢失问题；最后，本发明实施例采用全自动式自适应实时调节方式，避免了人为调节的不便。
需要说明，上述描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，也不是对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种光强自适应型激光多普勒测速仪，其包括激光器(1)、第一光纤分束器(2)、环形器(15)、光纤探头(3)、光纤耦合器(4)，所述激光器(1)与第一光纤分束器(2)的输入端连接，所述第一光纤分束器(2)的一个输出端与环形器(15)的第一端口(a)连接，所述环形器(15)的第二端口(b)与光纤探头(3)连接，其特征在于：还包括光强自动增益调节反馈模块，所述光强自动增益调节反馈模块包括光强调制器(5)、控制器(6)、差分比较器(7)、第一光电转换器(8)、第二光电转换器(9)、第二光纤分束器(10)、第三光纤分束器(11)、第三光电转换器(12)，所述第二光纤分束器(10)的输入端与第一光纤分束器(2)的另一个输出端连接，所述第二光纤分束器(10)的一个输出端与第一光电转换器(8)的输入端连接，所述第二光纤分束器(10)的另一个输出端与光纤耦合器(4)的一个输入端连接，所述差分比较器(7)的正输入端与第一光电转换器(8)的输出端连接，所述差分比较器(7)的负输入端与第二光电转换器(9)的输出端连接，所述差分比较器(7)的输出端与控制器(6)的输入端连接，所述光强调制器(5)的光输入端与环形器(15)的第三端口(c)连接，所述光强调制器(5)的电输入端与控制器(6)的输出端连接，所述光强调制器(5)的输出端与第三光纤分束器(11)的输入端连接，所述第三光纤分束器(11)的一个输出端与光纤耦合器(4)的另一个输入端连接，所述第三光纤分束器(11)的另一个输出端与第二光电转换器(9)的输入端连接，所述光纤耦合器(4)的输出端与第三光电转换器(12)的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的光强自适应型激光多普勒测速仪，其特征在于所述控制器(6)被配置成：根据差分比较器(7)输出值调节光强调制器(5)的输出，使光纤探头(3)接收到的反射光光强与激光器(1)发射的参考光光强相等。
3.根据权利要求1或2所述的光强自适应型激光多普勒测速仪，其特征在于还包括与第三光电转换器(12)连接的频率信息提取模块(14)，所述频率信息提取模块(14)用于根据第三光电转换器(12)得到的电压信号，通过傅立叶变换得到对应的频率信息。
4.根据权利要求1所述的光强自适应型激光多普勒测速仪，其特征在于所述控制器(6)为FPGA、DSP或ARM。
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