CN105842705A - 光功率控制系统、控制方法及激光多普勒测速仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电瞬态测试技术领域，提供一种光功率控制系统、控制方法及激光多普勒测速仪，该光功率控制系统包括光功率参考值输入模块、反射光功率检测模块、控制器、光功率调节模块。本发明提出的技术方案中的发射光功率能够根据反射光功率变化进行动态调节，使反射光功率恒定且与参考光功率相等或保持固定比例，使反射光与参考光耦合干涉信号幅值稳定、基线稳定，能够保证被测物能够返回足够功率的光，提高测试信号的质量，提高信号信噪比，同时还能够抑制因为反射光太弱导致的信号丢失现象，提高测试可靠性。

Description

光功率控制系统、控制方法及激光多普勒测速仪

技术领域

本发明属于光电瞬态测试技术领域，特别涉及一种光功率控制系统、控制方法及激光多普勒测速仪。

背景技术

目前，采用传统激光多普勒测速仪对爆轰加载下试样的运动速度进行测量时，由于发射出的测试光功率为恒定，而爆轰加载下被测物表面状态(粗糙度、反射角)会发生突变，发射光经由被测试样表面反射回仪器的光功率随被测物表面状态变化而变化，这种不稳定功率的反射光与参考光进行干涉所产生的干涉信号幅值和基线不稳定，易导致示波器测试波形出现超屏甚至信号丢失的现象，从而影响测试结果。

发明内容

【要解决的技术问题】

本发明的目的是提供一种光功率控制系统、控制方法及激光多普勒测速仪，以使反射光功率稳定，从而获得幅值稳定、基线稳定和高信噪比的干涉信号，提高激光多普勒测速方法的可靠性和准确性。

【技术方案】

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明首先涉及一种光功率控制系统，包括光功率参考值输入模块、反射光功率检测模块、控制器、光功率调节模块，

所述光功率参考值输入模块被配置成：接收激光多普勒测速仪的激光器发射的参考光并检测参考光功率，将参考光功率信息转变为电信号并将该电信号发送至控制器；

所述反射光功率检测模块被配置成：接收反射光并检测反射光功率，将反射光功率信息转化为电信号并将该电信号发送至控制器；

所述控制器被配置成：计算参考光功率与反射光功率的差值，根据该差值结合控制算法计算控制量并将该控制量发送至光功率调节模块；

所述光功率调节模块被配置成：接收激光多普勒测速仪的激光器发射的具有固定频率的发射光，根据控制器输出的控制量调节发射光的功率并将调节后的发射光进行发射。

作为一种优选的实施方式，所述控制器包括求差模块和控制量计算模块，所述求差模块用于计算参考光功率与反射光功率的差值，所述控制量计算模块根据求差模块计算得到的参考光功率与反射光功率的差值以及控制算法计算得到控制量并将该控制量输出至光功率调节模块。

作为一种优选的实施方式，所述控制算法为PI控制算法。

作为另一种优选的实施方式，所述光功率控制系统与激光多普勒测速仪的激光器之间通过分光器连接，所述激光多普勒测速仪的激光器的输出端与分光器的输入端连接，所述分光器的一个输出端与光功率调节模块连接，所述分光器的另一个输出端与光功率参考值输入模块连接。

作为另一种优选的实施方式，所述控制器为模拟控制器。

本发明还涉及一种光功率控制方法，包括步骤：

A、光功率参考值输入模块接收激光器发射的参考光并检测参考光功率，将参考光功率信息转变为电信号并将该电信号发送至控制器；

B、反射光功率检测模块接收反射光并检测反射光功率，将反射光功率信息转化为电信号并将该电信号发送至控制器；

C、控制器计算参考光功率与反射光功率的差值，根据该差值结合控制算法计算控制量并将该控制量发送至光功率调节模块；

D、光功率调节模块接收激光器发射的具有固定频率的发射光，根据控制器输出的控制量调节发射光的功率并将调节后的发射光进行发射。

作为一种优选的实施方式，所述控制算法为PI控制算法。

本发明还涉及一种激光多普勒测速仪，其包括激光器、第一分光器、环形器、耦合器、光电转换模块和探头，其还包括上述实施方式中任一所述的光功率控制系统、第二分光器、第三分光器，所述激光器的输出端与第一分光器的输入端连接，所述第一分光器的一个输出端与第二分光器的输入端连接，所述第二分光器的一个输出端与光功率参考值输入模块连接，所述第二分光器的另一个输出端与耦合器连接，所述第一分光器的另一个输出端与光功率调节模块的光输入端连接，所述环形器的第一端口与光功率调节模块的光输出端连接，所述环形器的第二端口与探头连接，所述环形器的第三端口与第三分光器的输入端连接，所述第三分光器的一个输出端与反射光功率检测模块的输入端连接，所述第三分光器的另一个输出端与耦合器连接，所述耦合器的输出端与光电转换模块连接。

下面对本发明进行详细说明。

本发明将反馈控制技术引入到激光多普勒测速仪，提出一种针对激光多普勒测速仪的光功率控制系统。具体地，将光功率控制系统接入激光多普勒测速仪，控制发射光功率依据反射光功率的大小变化情况而动态变化输出，当试样反射面状态变化导致反射光变弱时，光功率控制系统增强发射光功率，当试样反射面状态变化导致反射光变强时，控制系统减弱发射光功率，从而使反射光功率恒定且与参考光强度相等或保持固定比例。具体地，光功率参考值输入模块接收激光多普勒测速仪的激光器发射的参考光并检测参考光功率，将参考光功率信息转变为电信号并将该电信号发送至控制器；反射光功率检测模块接收反射光并检测反射光功率，将反射光功率信息转化为电信号并将该电信号发送至控制器，其中由于参考光功率保持不变，因此当反射光功率越大时，参考光功率与反射光功率的差值越小；控制器计算参考光功率与反射光功率的差值，根据该差值以及控制算法计算控制量并将该控制量发送至光功率调节模块，其中如果参考光功率与反射光功率的差值变小，则该控制量的作用为降低反射光功率，通过使光功率调节模块的发射光的功率变小来实现；光功率调节模块接收激光多普勒测速仪的激光器发射的具有固定频率的发射光，根据控制器输出的控制量调节发射光的功率并将调节后的发射光进行发射。

【有益效果】

本发明提出的技术方案具有以下有益效果：

本发明中的发射光功率能够根据反射光功率变化进行动态调节，从而可大大提升激光多普勒测速仪性能，主要体现五个方面：

(1)使反射光功率恒定且与参考光功率相等或保持固定比例，使反射光与参考光耦合干涉信号幅值稳定、基线稳定；

(2)降低示波器的灵敏度设置裕量，提高信号信噪比；

(3)保证被测物能够返回足够功率的光，提高测试信号的质量，提高信号信噪比；

(4)抑制因为反射光太弱导致的信号丢失现象，提高测试可靠性；

(5)具有自动增强发射光功率能力，可延长测试景深。

附图说明

图1为本发明的实施例一提供的激光多普勒测速仪光功率控制系统原理框图。

图2为本发明的实施例三提供的激光多普勒测速仪的原理框图。

图3为本发明的实施例三提供的激光多普勒测速仪在爆轰加载实验中的实施图。

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

图1为本发明实施例一提供的光功率控制系统原理框图。如图1所示，该光功率控制系统1包括光功率参考值输入模块11、反射光功率检测模块12、控制器13、光功率调节模块14，控制器13包括求差模块131和控制量计算模块132。具体地，光功率调节模块14的输入端接收发射光，光功率参考值输入模块11的输入端接收参考光，反射光功率检测模块12接收反射光，控制量计算模块132的输出端与光功率调节模块的电输入端连接，求差模块131的一个输入端与反射光功率检测模块12的输出端连接，求差模块131的另一个输入端与光功率参考值输入模块11的输出端连接，求差模块131的输出端与控制量计算模块132的输入端连接。

光功率参考值输入模块11被配置成：接收参考光并检测参考光功率，将参考光功率信息转变为电信号并将该电信号发送至控制器13；

反射光功率检测模块12被配置成：接收反射光并检测反射光功率，将反射光功率信息转化为电信号并将该电信号发送至控制器13，其中由于参考光功率保持不变，因此当反射光功率越大时，参考光功率与反射光功率的差值越小。

本实施例中，求差模块131用于计算参考光功率与反射光功率的差值，控制量计算模块132根据求差模块131计算得到的参考光功率与反射光功率的差值计算得到控制量并将该控制量输出至光功率调节模块14，其中如果参考光功率与反射光功率的差值变小，则该控制量的作用为降低反射光功率，通过使光功率调节模块的发射光的功率变小来实现。具体地，本实施例中，根据参考光功率与反射光功率的差值，结合PI控制算法可以求解得到控制量。

本实施例中，光功率调节模块14被配置成：接收发射光，根据控制器13输出的控制量调节发射光的功率并将调节后的发射光进行发射。

采用实施例一中的系统实现的光功率控制方法可以参考下述具体方法实施例。

实施例二

实施例二提供一种光功率控制方法，包括以下步骤。

步骤(1)：光功率参考值输入模块接收激光多普勒测速仪的激光器发射的参考光并检测参考光功率，将参考光功率信息转变为电信号并将该电信号发送至控制器。

步骤(2)：反射光功率检测模块接收反射光并检测反射光功率，将反射光功率信息转化为电信号并将该电信号发送至控制器；

步骤(3)：控制器计算参考光功率与反射光功率的差值，根据该差值结合控制算法计算控制量并将该控制量发送至光功率调节模块。本实施例中，控制算法为PI控制算法。

步骤(4)：光功率调节模块接收激光多普勒测速仪的激光器发射的具有固定频率的发射光，根据控制器输出的控制量调节发射光的功率并将调节后的发射光进行发射。

实施例三

实施例三提供一种激光多普勒测速仪，其包括实施例一中的激光多普勒测速仪光功率控制系统1。

图2为实施例三提供的激光多普勒测速仪的原理框图，如图2所示，其包括实施例一中的光功率控制系统1，其还包括激光器2、第一分光器3、环形器4、耦合器5、光电转换模块6、探头7、第二分光器8、第三分光器9，激光器2的输出端与第一分光器3的输入端连接，第一分光器3的一个输出端与第二分光器8的输入端连接，第二分光器8的一个输出端与光功率参考值输入模块11连接，第二分光器8的另一个输出端与耦合器5连接，第一分光器3的另一个输出端与光功率调节模块14的光输入端连接，环形器4的第一端口a与光功率调节模块14的光输出端连接，环形器4的第二端口b与探头连接，环形器4的第三端口c与第三分光器9的输入端连接，第三分光器9的一个输出端与反射光功率检测模12块的输入端连接，第三分光器9的另一个输出端与耦合器5连接，耦合器5的输出端与光电转换模块6连接。

爆轰加载实验

下面将实施例三提供的激光多普勒测速仪应用于爆轰加载实验。

如图2所示，测量之前，将加入光功率控制系统1的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7通过长距离光缆放置在飞片前端并与飞片垂直，通过长距离光缆将经由光功率控制系统1的激光传入光纤探头7并从光纤探头7发射到飞片表面。当爆轰波加载飞片开始运动时，发射光在飞片表面产生反射并具有多普勒效应，从飞片表面反射回来的反射光进入光纤探头7并通过长距离光缆传回至光功率控制系统1，光功率控制系统1则会自动根据反射光的功率变化对发射光强度进行实时调节，由于光路和电路的快速响应能力，则可让反射光的功率趋于稳定。反射信号光携带有与参考光不同的多普勒频移信息，二者经过耦合器5耦合混频后，二者频率之差被光光电转换模块6探测到并经示波器记录下来。最后，根据采集到的波形数据，经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。

从以上实施例可以看出，本发明实施例本发明中的发射光功率能够根据反射光功率变化进行动态调节，从而可大大提升激光多普勒测速仪性能。一方面，本发明实施例使反射光功率恒定且与参考光功率相等或保持固定比例，使反射光与参考光耦合干涉信号幅值稳定、基线稳定；另外，本发明实施例能够降低示波器的灵敏度设置裕量，提高信号信噪比；同时，本发明实施例还能够保证被测物能够返回足够功率的光，提高测试信号的质量，提高信号信噪比；此外，本发明实施例能抑制因为反射光太弱导致的信号丢失现象，提高测试可靠性；最后，本发明实施例具有自动增强发射光功率能力，可延长测试景深。

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 (7)

1.一种光功率控制系统，其特征在于包括光功率参考值输入模块、反射光功率检测模块、控制器、光功率调节模块，

所述光功率参考值输入模块被配置成：接收激光器发射的参考光并检测参考光功率，将参考光功率信息转变为电信号并将该电信号发送至控制器；

所述反射光功率检测模块被配置成：接收反射光并检测反射光功率，将反射光功率信息转化为电信号并将该电信号发送至控制器；

所述控制器被配置成：计算参考光功率与反射光功率的差值，根据该差值结合控制算法计算控制量并将该控制量发送至光功率调节模块；

所述光功率调节模块被配置成：接收激光多普勒测速仪的激光器发射的具有固定频率的发射光，根据控制器输出的控制量调节发射光的功率并将调节后的发射光进行发射。

2.根据权利要求1所述的光功率控制系统，其特征在于所述控制器包括求差模块和控制量计算模块，所述求差模块用于计算参考光功率与反射光功率的差值，所述控制量计算模块根据求差模块计算得到的参考光功率与反射光功率的差值以及控制算法计算得到控制量并将该控制量输出至光功率调节模块。

3.根据权利要求1或2所述的光功率控制系统，其特征在于所述控制算法为PI控制算法。

4.根据权利要求1所述的光功率控制系统，其特征在于所述控制器为模拟控制器。

5.一种激光多普勒测试仪，其包括激光器、第一分光器、环形器、耦合器、光电转换模块和探头，其特征在于还包括权利要求1至4中任一所述的光功率控制系统、第二分光器、第三分光器，所述激光器的输出端与第一分光器的输入端连接，所述第一分光器的一个输出端与第二分光器的输入端连接，所述第二分光器的一个输出端与光功率参考值输入模块连接，所述第二分光器的另一个输出端与耦合器连接，所述第一分光器的另一个输出端与光功率调节模块的光输入端连接，所述环形器的第一端口与光功率调节模块的光输出端连接，所述环形器的第二端口与探头连接，所述环形器的第三端口与第三分光器的输入端连接，所述第三分光器的一个输出端与反射光功率检测模块的输入端连接，所述第三分光器的另一个输出端与耦合器连接，所述耦合器的输出端与光电转换模块连接。

6.一种光功率控制方法，其特征在于包括步骤：

A、光功率参考值输入模块接收激光器发射的参考光并检测参考光功率，将参考光功率信息转变为电信号并将该电信号发送至控制器；

B、反射光功率检测模块接收反射光并检测反射光功率，将反射光功率信息转化为电信号并将该电信号发送至控制器；

C、控制器计算参考光功率与反射光功率的差值，根据该差值结合控制算法计算控制量并将该控制量发送至光功率调节模块；

D、光功率调节模块接收激光器发射的具有固定频率的发射光，根据控制器输出的控制量调节发射光的功率并将调节后的发射光进行发射。

7.根据权利要求6所述的光功率控制方法，其特征在于所述控制算法为PI控制算法。