CN108802756B - 一种基于声光零耦合器的全光纤激光多普勒测速系统 - Google Patents

一种基于声光零耦合器的全光纤激光多普勒测速系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于声光零耦合器的全光纤激光多普勒测速系统。该系统包括：激光器、隔离器、声光零耦合器、自聚焦透镜、可调衰减器、布拉格光栅、压电陶瓷、光电探测器。其中，激光器为光纤激光器，隔离器为光纤隔离器，声光零耦合器为光纤零耦合器，布拉格光栅为光纤布拉格光栅。本系统通过采用声光移频的零耦合器实现了信号光与参考光的分离、光波的移频、信号光与参考光的合波。用一个声光零耦合器，实现了传统光路2个耦合器、1个环形器、1个声光移频器的功能，结构上实现了简化，有效降低了成本。此外，本系统采用的声光零耦合器、光纤布拉格光栅是商用单模光纤，是真正意义上的全光纤结构，其插入损耗很小，因此进一步降低了光路损耗。

Description

一种基于声光零耦合器的全光纤激光多普勒测速系统
技术领域
本发明涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种基于声光零耦合器的全光纤激光多普勒测速系统。
背景技术
激光多普勒测速仪(LDV)以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点得到了广泛应用和快速发展。而光纤可以用来发送探测光束，传送远距离或者恶劣环境下的散射光，大大简化了空间光的准直系统且容易实现分布式测量，因而全光纤多普勒测速仪是一种有较大应用前景的速度传感器。
图1是典型的全光纤激光多普勒测速系统。如图1所示，典型的全光纤激光多普勒测速系统包括：2个耦合器C1、C2、1个环形器、1个声光移频器AOFS。该系统实现的探测属于参考光模式的光外差探测方式。为了判断被测物的移动方向，参考光路引入了移频。激光器发出的激光经过光纤耦合器C1分成两路，一路被声光移频器AOFS移频作为参考光，通过耦合器C2进入光电探测器；另一路从1端口通过环形器后从2端口通过准直系统照射到被测物体上，被物体反射的光由于物体的运动而产生了对应的多普勒移频，所以被称为信号光；信号光返回准直系统后从2端口再次通过环形器从3端口输出，然后通过耦合器C2进入光电探测器；参考光和信号光在光电探测器中转换为电信号，通过电信号的分析可以解调出多普勒移频大小和方向，即得到物体的运动速度的大小和方向。
这种系统存在两个问题。第一，器件复杂。光路上需要两个光纤耦合器，第一个实现分束、第二个实现合束；需要一个环形器以控制反射信号光的走向。第二个问题是插入损耗大，由于常用的全光纤声光移频器和光纤环形器其实只是光纤尾纤的器件，其内部核心结构均为非光纤器件，所以器件的插入损耗比较大。光纤声光移频器的典型插入损耗不小于2.2dB，光纤环形器的典型插入损耗为0.8dB。
综上所述，现有全光纤多普勒测振系统由于采用分离移频模块、环形器、多个耦合器，存在结构复杂、插入损耗大、成本高等缺点。
发明内容
本发明旨在提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于声光零耦合器的全光纤激光多普勒测速系统，以解决现有全光纤多普勒测振系统结构复杂、插入损耗大、成本高的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
本发明提供了一种基于声光零耦合器的全光纤激光多普勒测速系统，包括：激光器、声光零耦合器、自聚焦透镜、布拉格光栅、压电陶瓷、光电探测器；
所述激光器发出的光从所述声光零耦合器的第一端口输入，由压电陶瓷加载射频信号，经所述声光零耦合器耦合作用后分成第一光束和第二光束；
所述第一光束经所述声光零耦合器耦合作用后，从所述声光零耦合器的第四端口输出，到达所述布拉格光栅；所述第一光束经所述布拉格光栅反射后作为参考光，进入所述声光零耦合器的第四端口；所述参考光经所述声光零耦合器耦合作用后，从所述声光零耦合器的第二端口输出，进入所述光电探测器；
所述第二光束从所述声光零耦合器的第三端口输出，通过所述自聚焦透镜照射在被测物上，经被测物反射后作为信号光；所述信号光通过所述自聚焦透镜，从声光零耦合器的第三端口进入，经声光零耦合器耦合作用后，从所述声光零耦合器的第二端口输出，进入所述光电探测器；
所述参考光和所述信号光在所述光电探测器中产生交流电信号；通过对所述交流电信号进行分析，得到所述被测物的运动速度和运动方向。
在一种可能实施的方式中，所述激光器为光纤激光器。
在一种可能实施的方式中，所述声光零耦合器为光纤零耦合器。
在一种可能实施的方式中，所述布拉格光栅为光纤布拉格光栅。
在一种可能实施的方式中，所述系统还包括隔离器；所述激光器发射的光经所述隔离器，由所述声光零耦合器的第一端口输入进入所述声光零耦合器。
在一种可能实施的方式中，所述隔离器为光纤隔离器。
在一种可能实施的方式中，所述系统还包括可调衰减器。
在一种可能实施的方式中，从所述声光零耦合器第四端口输出的光，经所述可调衰减器照射到所述布拉格光栅，由所述布拉格光栅反射后，经过所述可调衰减器，由所述声光零耦合器的第四端口输入进入所述声光零耦合器。
本发明提出一种基于光纤零耦合器的全光纤多普勒测速系统，通过声光零耦合器腰区的声光耦合，实现耦合器的光波功率分配以及耦合器交叉路的光波移频。本系统有如下四个优点：
(1)本发明实施例提供的系统，采用声光移频的零耦合器实现了信号光与参考光的分离、光波的移频、信号光与参考光的合波，用一个器件，即声光零耦合器，实现了传统光路2个耦合器、1个环形器、1个声光移频器的功能，结构上实现了简化，能有效降低本发明的制造成本。
(2)本发明实施例采用的声光零耦合器、光纤布拉格光栅是商用单模光纤，是真正意义上的全光纤结构，其插入损耗很小。由于精简掉了光纤尾纤的环形器(典型插入损耗0.8dB)、声光移频器(典型插入损耗>2.2dB)，因此进一步降低了光路损耗。
(3)本发明实施例可采用光纤声光零耦合器实现光波的移频，其移频量的大小由声波频率决定，其典型值为500kHz～3MHz，远小于光纤耦合的声光移频器的声波频率(典型值55MHz，一般为10MHz～1700MHz)，具体的频率可以通过拉制不同外径的零耦合器实现。小的移频量可以减小光电探测器及后续电路的带宽要求，降低本发明的制造成本。
(4)本发明实施例可采用光纤声光零耦合器实现光波的移频，其声波的驱动功率(典型值1mW)远小于光纤耦合的声光移频器的驱动功率(典型值1W)，在降低本发明的制造成本的同时，也可降低功耗。
附图说明
图1是现有的典型全光纤激光多普勒测量系统光路图；
图2是本发明实施例提供的一种基于声光零耦合器的全光纤激光多普勒测速系统的结构示意图；
图3是图2所示系统的光波频率示意图；
图4是图2所示系统的光波强度示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图2是本发明实施例提供的一种基于声光零耦合器的全光纤激光多普勒测速系统的结构示意图。如图2所示，该系统包括：光纤激光器、隔离器、声光零耦合器、自聚焦透镜、可调衰减器、光纤布拉格光栅、压电陶瓷、光电探测器。其中，声光零耦合器为光纤零耦合器。隔离器可采用光纤隔离器，用于确保反射光不会返回激光器造成激光器损伤，当采用内部自带隔离的激光器时，可以不用再外加隔离器。
光纤激光器输出的偏振光，经过光纤隔离器以后，输入到光纤零耦合器的端口1。
当压电陶瓷未加载射频信号时，由光纤零耦合器端口1输入的光从直通路端口3输出，通过自聚焦透镜，射入自由空间，照射在被测物上。
当压电陶瓷加载射频信号时，压电陶瓷的振动通过铝锥加载到光纤零耦合器的腰区。此时，由光纤零耦合器端口1输入的光，由于声光耦合作用，分成两部分。一部分被耦合到交叉路端口4，经可调衰减器后，到达光纤布拉格光栅，作为参考光再被光纤布拉格光栅反射，参考光经可调衰减器，进入端口4。参考光经光纤零耦合器，从端口2到达光电探测器。另一部分光沿直通路端口3出射到自聚焦透镜，自聚焦透镜的出射方向对准被测物。从被测物返回的信号光从自聚焦透镜进入端口3，经声光耦合到端口2，到达光电探测器。
本系统中，参考光与信号光的强度可由声波强度调节。参考光的移频量由声波驱动频率调节。本系统的光场频率和强度特性分析如下：
图3是本实施例系统中的光波频率示意图。图4是本实施例系统中的光波强度示意图。结合图3、图4所示，设光纤激光器输出的光频率为f0，从声光零耦合器的非预拉端口1输入(非预拉光纤的另一端口为3)。
光纤激光器输出的光频率为f0，从声光零耦合器的非预拉端口1输入(若从预拉端口输入，其分析过程与此类似)，压电陶瓷上加载的射频频率为fa，所激发的声波由端口1传向端口3(若压电陶瓷的位置靠近端口3则声波向端口1传播，其分析过程与此类似)。
当压电陶瓷加载射频信号时，由声光零耦合器的分析可知，由端口1输入的光，假设功率为1，一部分功率M(0≤M≤1)被声波耦合到交叉路端口4并产生fa的下移频，从端口4输出。另一部分的光，剩余功率为(1-M)，该部分的光保持频率不变，仍从声光零耦合器的直通路端口3输出。
从端口4输出的光经过可调衰减器后被光纤布拉格光栅反射，反向通过可调衰减器后从端口4入射，光功率为bM，频率保持为f0-fa。经过声光作用以后，功率为bM2的光被耦合到交叉路从端口1出射，同时再产生下移频fa，即频率为f0-fa-fa从交叉路端口1输出。剩余bM(1-M)功率的光从直通路端口2保持频率不变以f0-fa出射，进入光电探测器。
从端口3输出的光经过一个自聚焦透镜后照射到被测物体上，被物体反射后作为信号光返回自聚焦透镜，由于被测物的运动，返回的信号光会有一个和物体运动速度相关的移频量fd，即此时频率为f0+fd。同时由于被测物的反射率、自聚焦透镜孔径等原因，返回光的功率衰减为a(1-M)。从端口3返回的光，经过声光作用以后，功率为a(1-M)2的光保持频率f0+fd从直通路端口1输出。功率为a(1-M)M的光被耦合到交叉路端口2输出，同时产生上移频fa，即此时功率为a(1-M)M的光的频率为f0+fd+fa，该部分的光从交叉路端口2输出，进入光电探测器。
在探测器端，从端口4返回的参考光频率为f0-fa，功率为bM(1-M)；从端口3返回的信号光频率为f0+fd+fa，功率为a(1-M)M；二者在光电探测器中产生拍频为2fa+fd的交流电信号，功率为
Figure BDA0001759107600000051
为获得最大的交流信号，M取值为0.5，b取值为1，即可省略可调衰减器。只考虑最佳信噪比时，可调衰减器设置使得a＝b。通常可调衰减器的衰减量由最大信号功率、信噪比、探测器及后续电路综合考虑确定。
从上面的分析可以看出，光电探测器产生的交流信号频率为2fa+fd，由于声波驱动的频率fa是已知的，所以被测物运动产生的多普勒移频fd就可以求出。只要多普勒移频量|fd|小于2倍的声波驱动频率fa，被测物的运动速度和运动方向求解就不会出现歧义。
通过以上分析，可以得到本发明实施例提供的上述系统的优点如下：
(1)本发明实施例提供的系统，采用声光移频的零耦合器实现了信号光与参考光的分离、光波的移频、信号光与参考光的合波，用一个器件，即声光零耦合器，实现了传统光路2个耦合器、1个环形器、1个声光移频器的功能，结构上实现了简化，能有效降低本发明的制造成本。
(2)本发明实施例采用的声光零耦合器、光纤布拉格光栅是商用单模光纤，是真正意义上的全光纤结构，其插入损耗很小。由于精简掉了光纤尾纤的环形器(典型插入损耗0.8dB)、声光移频器(典型插入损耗>2.2dB)，因此进一步降低了光路损耗。
(3)本发明实施例可采用光纤声光零耦合器实现光波的移频，其移频量的大小由声波频率决定，其典型值为500kHz～3MHz，远小于光纤耦合的声光移频器的声波频率(典型值55MHz，一般为10MHz～1700MHz)。具体的频率可以通过拉制不同外径的零耦合器实现。小的移频量可以减小光电探测器及后续电路的带宽要求，降低本发明的制造成本。
(4)本发明实施例可采用光纤声光零耦合器实现光波的移频，其声波的驱动功率(典型值1mW)远小于光纤耦合的声光移频器的驱动功率(1W)，在降低本发明的制造成本的同时，也可降低功耗。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种基于声光零耦合器的全光纤激光多普勒测速系统，其特征在于，所述系统包括：激光器、声光零耦合器、自聚焦透镜、布拉格光栅、压电陶瓷、光电探测器；
所述激光器发出的光从所述声光零耦合器的第一端口(1)输入，由压电陶瓷加载射频信号，经所述声光零耦合器耦合作用后分成第一光束和第二光束；
所述第一光束经所述声光零耦合器耦合作用后，从所述声光零耦合器的第四端口(4)输出，到达所述布拉格光栅；所述第一光束经所述布拉格光栅反射后作为参考光，进入所述声光零耦合器的第四端口(4)；所述参考光经所述声光零耦合器耦合作用后，从所述声光零耦合器的第二端口(2)输出，进入所述光电探测器；
所述第二光束从所述声光零耦合器的第三端口(3)输出，通过所述自聚焦透镜照射在被测物上，经被测物反射后作为信号光；所述信号光通过所述自聚焦透镜，从声光零耦合器的第三端口(3)进入，经声光零耦合器耦合作用后，从所述声光零耦合器的第二端口(2)输出，进入所述光电探测器；
所述参考光和所述信号光在所述光电探测器中产生交流电信号；通过对所述交流电信号进行分析，得到所述被测物的运动速度和运动方向；
当压电陶瓷加载射频信号时，由声光零耦合器的分析可知，由声光零耦合器的第一端口(1)输入的光，假设功率为p，一部分功率为M的光被声波耦合到交叉路声光零耦合器的第四端口(4)并产生fa的下移频，其中0≤M≤p，从声光零耦合器的第四端口(4)输出；剩余功率为p-M的光保持频率不变，仍从声光零耦合器的直通路即声光零耦合器的第三端口(3)输出；
从声光零耦合器的第四端口(4)输出的光经过可调衰减器后被光纤布拉格光栅反射，反向通过可调衰减器后从声光零耦合器的第四端口(4)入射，光功率为bM，频率保持为f0-fa，f0是激光器输出的光频率；经过声光作用以后，功率为bM2的光被耦合到交叉路从声光零耦合器的第一端口(1)出射，同时再产生下移频fa，即频率为f0-fa-fa的光从交叉路声光零耦合器的第一端口(1)输出；剩余bM(p-M)功率的光从直通路声光零耦合器的第二端口(2)保持频率不变以f0-fa出射，进入光电探测器；
从声光零耦合器的第三端口(3)输出的光经过一个自聚焦透镜后照射到被测物体上，被物体反射后作为信号光返回自聚焦透镜，由于被测物的运动，返回的信号光会有一个和物体运动速度相关的移频量fd，即此时频率为f0+fd；返回光的功率衰减为a(p-M)，从声光零耦合器的第三端口(3)返回的光，经过声光作用以后，功率为a(p-M)2的光保持频率f0+fd从直通路声光零耦合器的第一端口(1)输出；功率为a(p-M)M的光被耦合到交叉路声光零耦合器的第二端口(2)输出，同时产生上移频fa，即此时功率为a(p-M)M、频率为f0+fd+fa的光从交叉路声光零耦合器的第二端口(2)输出，进入光电探测器；
在探测器端，从声光零耦合器的第四端口(4)返回的参考光频率为f0-fa，功率为bM(p-M)；从声光零耦合器的第三端口(3)返回的信号光频率为f0+fd+fa，功率为a(p-M)M；二者在光电探测器中产生拍频为2fa+fd的交流电信号，功率为
Figure FDA0003087874590000021
光电探测器产生的交流信号频率为2fa+fd，由于声波驱动的频率fa是已知的，所以被测物运动产生的多普勒移频fd就可以求出，其中多普勒移频量|fd|小于2倍的声波驱动频率fa。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光器为光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述声光零耦合器为光纤零耦合器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述布拉格光栅为光纤布拉格光栅。
5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括隔离器；所述激光器发射的光经所述隔离器，由所述声光零耦合器的第一端口(1)输入进入所述声光零耦合器。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述隔离器为光纤隔离器。
7.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括可调衰减器。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，从所述声光零耦合器第四端口(4)输出的光，经所述可调衰减器照射到所述布拉格光栅，由所述布拉格光栅反射后，经过所述可调衰减器，由所述声光零耦合器的第四端口(4)输入进入所述声光零耦合器。
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可实现连续激光-脉冲转换的全光纤声光耦合环形谐振腔;程凯等;《中国激光》;20030430;第30卷(第4期);第325页右栏第一段-第328页左栏第一段 *

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