CN108955857A - 一种基于光纤的外差干涉光路结构和激光测振仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及干涉测量技术领域，公开了一种基于光纤的外差干涉光路结构和激光测振仪，光路结构包括第一光纤耦合器、光纤移频器、第二光纤耦合器、光纤环路器以及光收发器；上述各器件之间均通过光纤建立连接并构成外差干涉回路。激光测振仪包括测量激光源、平衡光电探测器以及上述的光路结构，测量激光源与第一光纤耦合器的输入端、平衡光电探测器与第二光纤耦合器的输出端均通过光纤连接；本发明通过光纤连接实现占用体积小、可靠性高特点，通过构成外差干涉光路，使得光路系统具有较高的信噪比和抗干扰能力，可用于精密测量领域长度、位移、直线度、平面度等几何量的测量。

Description

一种基于光纤的外差干涉光路结构和激光测振仪

技术领域

本发明涉及干涉测量技术领域，尤其涉及一种基于光纤的外差干涉光路结构和激光测振仪。

背景技术

近年来，随着科学技术的不断发展，振动测量的应用越来越广，振动测量包括接触式测量和非接触式测量，非接触式测量中由于激光的方向性、单色性和相干性好等特性，激光测量技术广泛应用于各种军事目标的测量和精密民用测量中，尤其是在测量各种微弱振动、目标运动的速度及其微小的变化等方面具有较高的灵敏度和准确度。现有的激光测振仪也存在多样化发展趋势，其中激光测振设备的小型化、高可靠性发展一直是技术人员重点研究项。

目前，普遍使用的激光测振系统采用激光外差干涉光路，如公告号为CN203102703U专利文献所示，公开“一种新型激光外差干涉实验仪”，包括一个激光器、两个消偏振分光棱镜、两个直角棱镜、一个声光调制器、一个光电探测器、一个反射镜，和电路部分。将通常干涉仪结构中使用的偏振分光棱镜替换为消偏振分光棱镜，使整个光路系统中的激光偏振态一致，从而省略了调整偏振态的光学元件，但该干涉光路为自由空间光路，系统包含多种棱镜、透镜等光学元件，需要调整多个光学元件角度才能满足严格的光束耦合。自由空间光路的设计导致系统体积难以做小，也由于光学元件需要安装在光学调整座上，导致整个系统可靠性不高，调整座的轻微形变也会迅速拉低整个干涉系统的光学效率。

随着光纤技术的发展，基于光纤的干涉技术成为激光测振仪小型化高可靠性的有效解决途径。如公告号为CN207423216U的专利文献公开了“一种具有全保偏功能的M-Z干涉光路结构”，包括偏振分光装置、第一保偏中转装置、第一法拉第旋转镜、第二保偏中转装置、第二法拉第旋转镜、第一保偏耦合器。第一保偏中转装置包括第一端口、第二端口、第三端口，其第一端口接收偏振分光装置输出的第一偏振光，第二端口与第一法拉第旋转镜相连，第三端口与第一保偏耦合器的第一端口相连。第二保偏中转装置包括第一端口、第二端口、第三端口，其第一端口接收偏振分光装置输出的第二偏振光，第二端口与第二法拉第旋转镜相连，第三端口与第一保偏耦合器的第二端口相连。本设计利用保偏光纤实现了具有全保偏功能的M-Z光路结构，相干光束偏振一致性高，干涉条纹清晰，测量可靠性、灵敏度高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种占用体积小、可靠性高的基于光纤的外差干涉光路结构和激光测振仪。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于光纤的外差干涉光路结构，包括：

第一光纤耦合器、光纤移频器、第二光纤耦合器、光纤环路器以及光收发器；

所述第一光纤耦合器用于将接收的光分为两束并分别传送至所述光纤移频器和所述光纤环路器；

所述光纤移频器接收并调制所述第一光纤耦合器传送的光束，使光束光频率偏移后传送至所述第二光纤耦合器；

所述光纤环路器包括第一端口、第二端口以及第三端口；所述第一端口接收所述第一光纤耦合器传送的光束；所述第二端口与所述光收发器连接，用于传输所述第一端口接收的光束至所述光收发器和接收所述光收发器传送的光束；所述第三端口与所述第二光纤耦合器连接，用于传输所述第二端口从所述光收发器处接收的光束至所述第二光纤耦合器；

所述光纤移频器传送的光束和所述第三端口传输的光束在所述第二光纤耦合器处耦合产生干涉光；

所述光收发器用于发射所述第二端口传输的光束和接收外界反射回的光束并传送至所述第二端口；

所述第一光纤耦合器与所述光纤移频器之间、所述光纤移频器与第二光纤耦合器之间、所述第一光纤耦合器与所述光纤环路器的第一端口之间、所述光纤环路器第二端口与所述光收发器之间、以及所述光纤环路器第三端口与所述第二光纤耦合器之间均通过光纤连接。

通过上述设计，一方面各个光纤器件之间通过光纤作为光波导，由于光纤的柔性使得各个光纤器件之间的距离和位置关系能够根据系统小型化需求较随意的设置，有利于提高空间利用率、减少体积占用；由于光纤中光传播的全反射原理，调整各个光纤器件位置不会出现耦合角度偏差、光学效率降低的现象，因此系统可靠性好；另一方面各个光纤器件之间的连接和作用构成了外差干涉光路，可使得光路系统具有较高的信噪比和抗干扰能力，且可用于精密测量领域长度、位移、直线度、平面度等几何量的测量，测量精度高；

通过光纤移频器设于第一光纤耦合器与第二光纤耦合器之间，将第一光纤耦合器传出的光束进行频率调制，可减小传输过程的噪声和增加光束传播距离，有利于第二光纤耦合器低失真的接收该频率调制后的光信号，增强干涉可靠性；

除此之外，各个光纤器件具有较完整的外壳，相比于外露于空气中的棱镜透镜，各个光纤器件对环境洁净度、温度以及湿度的要求不高，有利于保证系统的光学稳定。

进一步地，所述光纤为保偏光纤，所述第一光纤耦合器、所述光纤移频器、所述第二光纤耦合器以及所述光纤环路器均为保偏光纤器件。有利于实现整个外差干涉光路的良好偏振保持特性，保证线偏振方向不变，进一步提高系统的相干信噪比，实现对物理量的更高精度测量。

进一步地，所述第一光纤耦合器为分光比为90:10或75:25或50:50的1X2光纤耦合器。

进一步地，所述光纤环路器包括从左往右依次设置的双光纤尾纤、第一准直透镜、方解石棱镜、第二准直透镜以及单光纤尾纤。

进一步地，所述第一准直透镜和所述第二准直透镜均为球面透镜。

进一步地，所述第一准直透镜和所述第二准直透镜均为四分之一节距的自聚焦透镜。

进一步地，所述第一光纤耦合器为1X2光纤耦合器或2X2光纤耦合器，所述第二光纤耦合器为2X2光纤耦合器。

进一步地，所述光纤移频器为基于双折射晶体的声光移频器或全光纤声光移频器。

进一步地，还包括光纤衰减器，所述光纤衰减器通过光纤连接于所述第一光纤耦合器与所述光纤移频器之间，所述光纤衰减器将所述第一光纤耦合器传送的光束进行光功率调节后传送至所述光纤移频器。光纤衰减器的设置是为了平衡光束光功率，使最后光束之间得到更好的干涉效果，有利于最优化系统信噪比。

进一步地，所述光收发器包括第三准直透镜和偏振光学元件，所述第二端口传输的光束经过所述第三准直透镜准直后投射到所述偏振光学元件。第三准直透镜有利于将所述第二端口传输的光束准直，使光束能够水平的传输，能够更好的作用于外界被测物，使反射回的光信号包含更多更真实的被测物信息；偏振光学元件的设置有利于使光束在两次经过偏振光学元件后实现偏振态旋转，以便被测物反射回的光信号能够从与光纤环路器输出至光收发器的光束不同的路径进入光纤环路器。

进一步地，所述第三准直透镜为非球面透镜或渐变折射率透镜或多透镜堆叠组成的透镜组。

进一步地，所述光收发器包括光学头和偏振光学元件，所述光学头包括前镜组和后镜组，所述第二端口传输的光束经过所述后镜组聚焦到第一焦点后经过所述前镜组投射到所述偏振光学元件。光学头的设置有利于实现测量激光在外界被测物表面的聚焦，且聚焦远近可调，也能够更有效的将被测物反射回的光信号接收并耦合进入光纤，使系统获得更高的信噪比。

进一步地，所述偏振光学元件为四分之一波片。

一种激光测振仪，包括测量激光源、平衡光电探测器以及如上文所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构，所述测量激光源通过光纤与所述第一光纤耦合器的输入端连接用于向所述第一光纤耦合器传送测量激光，所述平衡光电探测器通过光纤与所述第二光纤耦合器的输出端连接用于接收所述第二光纤耦合器处干涉光的输出。

通过上述设计，使得该激光测振仪具备占用体积小，抗干扰能力强，可靠性、测量精度高的设计条件；具体地，测量激光源生成激光光束通过光纤高效的、低干扰的传输至外差干涉光路结构的第一光纤耦合器，第一光纤耦合器将激光光束分为测量光和参考光，测量光依次通过光纤进入光纤环路器、光收发器，然后由光收发器将其发射至被测物表面，测量光在被测物表面作用后又反射回光收发器，光收发器继续通过光纤将被测物反射回的信号光依次传输至光纤环路器和第二光纤耦合器；参考光通过光纤传输至光纤移频器，经过频率调制成易于处理的频段后又通过光纤传输至第二光纤耦合器，由此被测物反射回的信号光和经过光纤移频器处理的参考光在第二光纤耦合器发生干涉产生干涉光，然后通过光纤传输至平衡光电探测器的两个光电二极管上，然后就有相应的光电流输出，且该光电流为交流信号，为携带有被测物振动信息的干涉信号，对该干涉信号进行简单处理就能获取准确度高的被测物的相关物理量。

综上，本设计进行交流信号处理，光电信噪比高，能够利用信号相位比较获得较高的测量分辨率，具有测量速度快、抗干扰能力强以及检测灵敏度高的特点；此外，由于平衡光电探测器的两个光电二极管相互匹配，可以实现出色的共模抑制比，有利于较好的降低噪声，由此，不仅可以获取干涉信号中被测物振动信息的微小变化，提高测量精度；还能在较低干扰情况下从干涉信号中准确度较高的得到被测物振动信息。

进一步地，还包括指示光源，所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器均为2X2光纤耦合器，所述指示光源通过光纤与所述第一光纤耦合器的输入端连接用于向所述第一光纤耦合器传送指示光，所述第二光纤耦合器的输出端通过两路光纤与一所述平衡光电探测器连接。由于测量激光源实际应用中所生成的激光属于不可见激光，故设置指示光源与第一光纤耦合器连接，有利于实现指示光与测量激光的同路径传输，用于指示测点位置，有利于帮助测量人员实现肉眼定位；设置第二光纤耦合器的输出端通过两路光纤与一所述平衡光电探测器连接，将干涉光分成两路输入到平衡光电探测器中，有利于产生信号更强的交流信号，后期对该信号强的交流信号进行处理能够更方便、准确、精度高的获取被测物体的振动物理量。

进一步地，所述第一光纤耦合器为1X2光纤耦合器，所述第二光纤耦合器为2X2光纤耦合器，所述第二光纤耦合器的输出端通过两路光纤与一所述平衡光电探测器连接。

进一步地，所述光收发器包括消色差光学头和偏振光学元件。

进一步地，还包括光开关，所述光收发器为多个；

所述光开关包括至少一个输入端口、至少一个控制端以及多个输出端口，所述控制端用于将所述光开关的输入端口的光束传输至所述光开关的多个输出端口的其中一个输出端口输出；有利于基于时间差实现多个不同被测物体或同一被测物体的多个不同位置的物理量测量，有利于节约成本的同时提高测量效率。

所述第二端口通过光纤与所述光开关的输入端口连接，所述光开关的多个输出端口分别通过光纤与一所述光收发器连接。

进一步地，还包括第一光纤分路器和第二光纤分路器，所述光纤环路器、所述光收发器、所述第二光纤耦合器、所述平衡光电探测器均为多个；

所述第一光纤分路器包括至少一个输入端口和多个输出端口，所述第一光纤分路器的输入端口与所述第一光纤耦合器通过光纤连接，所述第一光纤分路器的多个输出端口分别通过光纤与一所述光纤环路器的第一端口连接，所述第一光纤分路器用于将所述第一光纤耦合器传送的光束均分为多个光束输出；每个所述光纤环路器的第二端口通过光纤与一所述光收发器连接；

所述第二光纤分路器包括至少一个输入端口和多个输出端口，所述第二光纤分路器的输入端口与所述光纤移频器通过光纤连接，所述第二光纤分路器的多个输出端口分别通过光纤与一所述第二光纤耦合器连接；所述第二光纤分路器用于将所述光纤移频器传送的光束均分为多个光束输出；

每个所述光纤环路器的第三端口通过光纤与一所述第二光纤耦合器的输入端连接；每个所述第二光纤耦合器的输出端通过两路光纤与一所述平衡光电探测器连接。综上，有利于实现被测物的多维检测，即实现同一时间被测物体的各个被测点的振动信息的同时提取。

进一步地，还包括光纤放大器，所述光纤放大器通过光纤连接于所述第一光纤耦合器的输出端与所述第一光纤分路器的输入端口之间。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：通过第一光纤耦合器、光纤移频器、第二光纤耦合器、光纤环路器以及光收发器之间的连接构成了外差干涉回路，使得光路系统具有较高的信噪比和抗干扰能力，可用于精密测量领域长度、位移、直线度、平面度等几何量的测量，有利于测量准确度、精度的提高；

设置上述器件均为保偏器件且各个器件之间连接通过保偏光纤形成了全保偏光纤干涉回路，有利于保证光束传播线偏振方向不变，提高系统的相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量；设置光开关，有利于使得系统具备光路选择功能，通过在时间维度上的错位利用，有利于实现分别对不同被测物体的测量，较之仅能实现一个被测物体振动信息测量的激光测振仪，能够极大地节约系统成本，提高检测效率；

通过指示光源的上述设置，使得指示光与测量光从同一光纤输出，有利于实现指示光对测量光测量点的指示，在测量激光产生的激光无法肉眼识别时，方便工作人员肉眼识别测量点，调整被测物体，获取需要的振动信息；

设置光收发器包括光学头和偏振光学元件，光学头包括前镜组和后镜组，有利于实现不同工作距离上对被测物体的激光聚焦，由于激光被聚焦于被测物体表面，被测物体表面的漫反射光信号能够更有效的被光学头接收并耦合进入光纤，使系统获得更高的信噪比；

通过第一光纤分路器和第二光纤分路器的设置，以及多个光纤环路器、光收发器、第二光纤耦合器、平衡光电探测器之间的连接关系，能够将测量光分成多路输出，构成了多个测量点的同时测量，有利于实现多个不同被测物体或同一被测物体的多个不同位置的物理量的同时测量，能够提高测量效率，增加激光测振仪的测量范围；

设置光纤放大器，形成对测量激光的相干放大，有利于在后续分光成多路通道输出后的各路测量激光仍能保证较好的光功率用于振动测量，使得获取的交流信号更具有解调分析的价值，且解调分析更简单方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术的技术方案，附图如下：

图1为本发明实施例1提供的一种基于光纤的外差干涉光路结构；

图2为本发明实施例2提供的优选光纤环路器的结构示意图；

图3为本发明实施例2提供的优选光纤环路器两端保偏光纤设置结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的优选的一种基于光纤的外差干涉光路结构；

图5为本发明实施例3提供的光收发器工作原理图；

图6为本发明实施例4提供的一种激光测振仪结构示意图；

图7为本发明实施例5提供的一种激光测振仪结构示意图；

图8为本发明实施例6提供的一种激光测振仪结构示意图；

图9为本发明实施例7提供的一种激光测振仪结构示意图。

图中，201-第一光纤耦合器，202-光纤移频器，203-第二光纤耦合器，204-光纤环路器，205-光收发器，2041-双光纤尾纤，2042-第一准直透镜，2043-方解石棱镜，2044-第二准直透镜，2045-单光纤尾纤，206-光纤衰减器，2051-第三准直透镜，2052-偏振光学元件，2053-前镜组，2054-后镜组，100-测量激光源，300-平衡光电探测器，200-外差干涉光路结构，400-指示光源，500-光开关，600-第一光纤分路器，700-第二光纤分路器，800-光纤放大器。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于光纤的外差干涉光路结构，包括：

第一光纤耦合器201、光纤移频器202、第二光纤耦合器203、光纤环路器204以及光收发器205；

所述第一光纤耦合器201用于将接收的光分为两束并分别传送至所述光纤移频器202和所述光纤环路器204；

所述光纤移频器202接收并调制所述第一光纤耦合器201传送的光束，使光束光频率偏移后传送至所述第二光纤耦合器203；

所述光纤环路器204包括第一端口P1、第二端口P2以及第三端口P3；所述第一端口P1接收所述第一光纤耦合器201传送的光束；所述第二端口P2与所述光收发器205连接，用于传输所述第一端口P1接收的光束至所述光收发器205和接收所述光收发器205传送的光束；所述第三端口P3与所述第二光纤耦合器203连接，用于传输所述第二端口P2从所述光收发器205处接收的光束至所述第二光纤耦合器203；

所述光纤移频器202传送的光束和所述第三端口P3传输的光束在所述第二光纤耦合器203处耦合产生干涉光；

所述光收发器205用于发射所述第二端口P2传输的光束和接收外界反射回的光束并传送至所述第二端口P2；

所述第一光纤耦合器201与所述光纤移频器202之间、所述光纤移频器202与第二光纤耦合器203之间、所述第一光纤耦合器201与所述光纤环路器204的第一端口P1之间、所述光纤环路器204第二端口P2与所述光收发器205之间、以及所述光纤环路器204第三端口P3与所述第二光纤耦合器203之间均通过光纤连接。

通过上述设计，一方面各个光纤器件之间通过光纤作为光波导，相较于自由空间的光束传播方式，光纤的柔性使得各个光纤器件之间的距离和位置关系能够根据系统小型化需求较随意的设置，有利于提高空间利用率、减少体积占用；又由于光纤中光传播的全反射原理，光纤之间以及光纤与各个器件之间的连接可通过熔接或光纤连接器连接的方式，使得调整各个光纤器件位置不会出现耦合角度偏差、光学效率降低的现象，因此系统可靠性好，较之于自由空间光路中复杂的且可靠性不高的光学调整座，光纤的使用简化了系统结构，提高了系统可靠性、进一步减小了系统的体积；

另一方面各个光纤器件之间的连接和作用构成了外差干涉光路，可使得光路系统具有较高的信噪比和抗干扰能力，且可用于精密测量领域长度、位移、直线度、平面度等几何量的测量，测量精度高；

通过光纤移频器202设于第一光纤耦合器201与第二光纤耦合器203之间，将第一光纤耦合器201传出的光束进行频率调制，使得光束发生一定的光频率偏移，一方面可减小传输过程的噪声和增加光束传播距离，有利于第二光纤耦合器203低失真的接收该频率调制后的光信号，增强干涉可靠性；另一方面可使得后期产生的干涉信号可以用于确定被测物体振动瞬时速度的方向；

除此之外，各个光纤器件具有较完整的外壳，相比于外露于空气中的棱镜透镜，各个光纤器件对环境洁净度、温度以及湿度的要求不高，有利于保证系统的光学稳定。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例详细的补充说明了外差干涉回路的结构，所述光纤为保偏光纤，所述第一光纤耦合器201、所述光纤移频器202、所述第二光纤耦合器203以及所述光纤环路器204均为保偏光纤器件，即第一光纤耦合器201、第二光纤耦合器203均为保偏光纤耦合器，光纤移频器202为保偏光纤移频器，光纤环路器204为保偏光纤环路器。

保偏光纤之间、保偏光纤与各个保偏光纤器件之间均采用具有斜8度角的APC型光纤连接器对接；其中斜8°角指的是光纤端面的倾角，采用斜面连接是提高光纤连接回波损耗性能的一个有效途径，理论推算表明，采用斜8°连接的光纤回波损耗平均可达66dB，相应的插入损耗平均为0.18dB；此外，APC（Advance Physical Connect）技术，即在传统PC研磨的基础上，再用二氧化硅磨片或微粉进行超精细研磨，以减小因光纤连接端面处折射率不匹配对插入损耗和回波损耗性能的影响；这种不匹配是由于研磨受力所产生的损伤层造成的，一般经过PC研磨后，损伤层的折射率约为1.54，高于光纤纤芯的折射率1.46左右值，而经过APC研磨处理的端面，其折射率约为1.46，接近或达到纤芯的折射率；

使用光纤连接器连接，光纤链路中始终会存在光纤端面，光纤端面的存在必将导致能量损耗和回波干扰，作为进一步优选，保偏光纤之间、保偏光纤与各保偏光纤器件之间均采用光纤熔接机进行熔接，可以最大限度地减小端面损耗和回波干扰；

综合上述全保偏光纤干涉光路的设计，有利于实现整个外差干涉光路的良好偏振保持特性，保证线偏振方向不变，进一步提高系统的相干信噪比，实现对物理量的更高精度测量。

所述第一光纤耦合器201为分光比为90:10或75:25或50:50的1X2光纤耦合器。第一光纤耦合器201用于将进入其中的输入光束一分为二，一束作为测量光进入光纤环路器204，一束作为参考光进入光纤移频器202；由于测量光需先后进入光纤环路器204、光收发器205，然后经过光收发器205发射到空气中并被照射到外界被测物体上，然后被测物体产生漫反射将光信号传回光收发器205，这个过程中由于存在漫反射和光耦合等现象存在，导致达到第二光纤耦合器203的光束光功率会大大减小，不利于激光干涉；而激光干涉时，不需要参考光具有很高的光功率，因此，第一光纤耦合器201分光时分配给测量光的功率多一点会有利于激光干涉测量的效果；优选第一光纤耦合器201分光比可为90:10，其中90代表测量光光功率占输入光束总功率的百分比为90%，10代表参考光光功率占输入光束总功率的百分比为10%；同理，分光比为75:25时，代表分配测量光光功率占输入光束总功率的百分比为75%，参考光光功率占输入光束总功率的百分比为25%；分光比为50:50时，代表分配测量光光功率占输入光束总功率的百分比为50%，参考光光功率占输入光束总功率的百分比为50%。

如图2所示，所述光纤环路器204包括从左往右依次设置的双光纤尾纤2041、第一准直透镜2042、方解石棱镜2043、第二准直透镜2044以及单光纤尾纤2045。

其中，双光纤尾纤2041包括双头连接头和两根保偏光纤，每根保偏光纤的一端设于双头连接头中，另一端用于通过保偏光纤与其他保偏器件连接；双光纤尾纤2041的设置即构成了P1端和P3端，本实施例中双光纤尾纤2041 P1端的保偏光纤与第一光纤耦合器201连接，P3端保偏光纤与第二光纤耦合器203连接；单光纤尾纤2045包括单头连接头和一根保偏光纤，单光纤尾纤2045的设置即构成了P2端，P2端的保偏光纤与光收发器205连接；

如图3所示，P1端口和P3端口所对应的保偏光纤的慢轴相互垂直，并匹配方解石棱镜2043的偏振方向，P2端口所对应的保偏光纤的慢轴与P1端口所对应的保偏光纤的慢轴方向相同；第一准直透镜2042和第二准直透镜2044的设置用于对保偏光纤传入的高斯光束进行准直，当准直透镜焦点位于光纤尾纤的端面时，满足光纤准直条件，并与光纤尾纤一起构成光纤准直器，两光纤准直器间隔一段距离相对放置可以保证较高的耦合效率，同时，在该段间隔中插入一些光学元件（如本实施中的方解石棱镜），有利于实现偏振传输，使得被测物漫反射回的光信号能够从P3端输出至第二光纤耦合器203。

进一步地，双头连接头以及单头连接头均为有斜8度角的通用光纤接头，第一准直透镜2042靠近双头连接头一端，第二准直透镜2044靠近单头连接头一端，均具有与双头连接头和单头连接头斜8度角相匹配的8度角研磨，有利于增大回波损耗。

进一步地，所述第一准直透镜2042和所述第二准直透镜2044均为球面透镜（即C-Lens）。C-Lens可通过增大端面曲率半径来增加工作距离，具有长距离工作的优势，且成本较节约。

优选地，所述第一准直透镜2042和所述第二准直透镜2044均为四分之一节距的自聚焦透镜（即G-Lens，Grin Lens，又称格林透镜）。自聚焦透镜又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜，具有聚焦和成像功能。对于四分之一节距的自聚焦透镜，当从一端面输入一束平行光时，经过自聚焦透镜后光线会汇聚在另一端面上，得到较集中的输出，这是传统C-Lens所无法实现的；当汇聚光从自聚焦透镜一端面输入时，经过自聚焦透镜后光线会转变为平行光线实现较好的准直效果。因此自聚焦透镜具备光路矫正作用，有利于减少像差，当光纤的数值半径（NA）较大时，首选用G-Lens，有利于降低插入损耗（IL），除此之外，G-Lens的前端面为平面，更有利于光学元件（如本实施例的方解石棱镜）的插入与固定。

所述第一光纤耦合器201为1X2光纤耦合器或2X2光纤耦合器，所述第二光纤耦合器203为2X2光纤耦合器。

所述光纤移频器202为基于双折射晶体的声光移频器或全光纤声光移频器。基于双折射晶体的声光移频器是利用双折射晶体的声光相互作用来获得光的移频，工作在布拉格衍射模式，可以获得尽可能高的衍射光功率输出；全光纤声光移频器是依据光纤导声波与导光波相互作用理论而制作的一种全光纤型的声光器件，光纤波导能够支持光能量相互转换的两个波导模式，如果两个波导模之间的拍长与声波波长满足谐振条件（布拉格条件），则可利用光纤波导中的声光效应实现两导模之间的功率耦合，相对于基于双折射晶体的声光移频器，全光纤声光移频器的体积更加小巧，功耗也更低。

如图4所示，还包括光纤衰减器206，所述光纤衰减器206通过光纤连接于所述第一光纤耦合器201与所述光纤移频器202之间，所述光纤衰减器206将所述第一光纤耦合器201传送的光束进行光功率调节后传送至所述光纤移频器202。光纤衰减器206的设置是为了平衡光束光功率，使最后光束之间得到更好的干涉效果，有利于最优化系统信噪比。

进一步地，所述光收发器205包括第三准直透镜2051和偏振光学元件2052，所述第二端口P2传输的光束经过所述第三准直透镜2051准直后投射到所述偏振光学元件2052。第三准直透镜2051有利于将所述第二端口P2传输的光束准直，使光束能够水平的传输，能够更好的作用于外界被测物，使反射回的光信号包含更多更真实的被测物信息；偏振光学元件2052的设置有利于使光束在两次经过偏振光学元件2052后实现偏振态旋转，以便被测物反射回的光信号能够从与光纤环路器204输出至光收发器205的光束不同的路径进入光纤环路器，即例如，光纤环路器204 P2端口输出至光收发器205的测量光束经过保偏光纤的慢轴传输并被偏振光学元件2052偏转后发射至被测物，被测物处反射回的光信号再次被偏振光学元件2052偏转，并以快轴对准耦合进入P2端口所对应的保偏光纤，而不是原来的慢轴对准方式，可见P2端口向光收发器205输出光束所用路径与P2端口从光收发器205接收的光束时所用路径不同，有利于保证信号的完整性，减少信号干扰。若光纤环路器204 P2端口与光收发器205之间的连接不采用保偏光纤时还希望实现上述不同路径的传输，则需要在P2端口处设置两条光纤，以备输入输出信号的不同路径传输。

进一步地，所述第三准直透镜2051为非球面透镜或渐变折射率透镜或多透镜堆叠组成的透镜组，多透镜堆叠组成的透镜组相比单个非球面透镜或渐变折射率透镜可获得更佳的准直效果，但需要占据较大的体积，因此第三准直透镜2051的选择需根据实际需求取舍；需要注意的是，第三准直透镜2051应当与光收发器205上连接光纤的端面同轴设置，且第三准直透镜2051的焦点位于光线端面上，以使得光纤输出的光束准直并被投射到被测物体上，第三准直透镜2051的外径可设在1-10mm之间，适用于空间受限的测量环境。

实施例3

本实施例与实施例2的区别在于，如图5所示，本实施例中所述光收发器205包括光学头和偏振光学元件2052，所述光学头包括前镜组2053和后镜组2054，所述第二端口P2传输的光束经过所述后镜组2054聚焦到第一焦点后经过所述前镜组2053投射到所述偏振光学元件2052。具体地，后镜组2054和前镜组2053在光线端面前端先后同轴放置，光纤输出的高斯光束通过后镜组2054聚焦到第一焦点，前镜组2053将第一焦点的聚焦光斑成像到被测物体表面。被测点与第一焦点存在物像共轭关系，可表示为：

其中，为第一焦点到前镜组2053之间的光程，为被测物体上聚焦光斑所在的点到前镜组2053之间的光程，f为前镜组2053的焦距。当=f时，无穷大，激光准直输出；当>f时，为有限值，且随着逐渐增加，激光焦点位置逐渐由远及近，从而实现不同工作距离上对被测物体的激光聚焦。

综上，光学头的设置有利于实现测量激光在外界被测物表面的聚焦，具有极高的空间分辨率，聚焦远近可通过调节更换前镜组2053、后镜组2054实现；又由于激光被聚焦于被测物体表面，也能够更有效的将被测物反射回的光信号接收并耦合进入光纤，使系统获得更高的信噪比。

所述偏振光学元件2052为四分之一波片，且优选其表面与光轴之间设置夹角为45度，以保证光束两次经过偏振光学元件2052后能够实现90度偏转，以使得被测物体反射回的光信号更多的耦合进入保偏光纤的快轴。

实施例4

如图6所示，本实施例提供一种激光测振仪，包括测量激光源100、平衡光电探测器300以及如实施例1所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构200，所述测量激光源100通过光纤与所述第一光纤耦合器201的输入端连接用于向所述第一光纤耦合器201传送测量激光，所述平衡光电探测器300通过光纤与所述第二光纤耦合器203的输出端连接用于接收所述第二光纤耦合器203处干涉光的输出。

通过上述设计，使得该激光测振仪具备占用体积小，抗干扰能力强，可靠性、测量精度高的设计条件；具体地，测量激光源100生成激光光束通过光纤高效的、低干扰的传输至外差干涉光路结构的第一光纤耦合器201，第一光纤耦合器201将激光光束分为测量光和参考光，测量光依次通过光纤进入光纤环路器204、光收发器205，然后由光收发器205将其发射至被测物表面，测量光在被测物表面作用后又反射回光收发器205，光收发器205继续通过光纤将被测物反射回的信号光依次传输至光纤环路器204和第二光纤耦合器203；参考光通过光纤传输至光纤移频器202，经过频率调制成易于处理的频段后又通过光纤传输至第二光纤耦合器203，由此被测物反射回的信号光和经过光纤移频器202处理的参考光在第二光纤耦合器203发生干涉产生干涉光，然后通过光纤传输至平衡光电探测器300的两个光电二极管上，然后就有相应的光电流输出，且该光电流为交流信号，为携带有被测物振动信息的干涉信号，对该干涉信号进行简单解调处理就能获取准确度高的被测物的相关物理量（如频率、速度、位移、加速度等）。

综上，本设计整个过程光束通过光纤传输，相较于自由光路传播可靠性更高，调整各个光纤器件的距离不会引起耦合角度偏差、光学效率降低的现象，有利于激光测振仪的小型化设计；

本设计整个过程最终输出交流信号，进行交流信号处理，光电信噪比高，利用信号相位比较可获得较高的测量分辨率，具有测量速度快、抗干扰能力强以及检测灵敏度高的特点；此外，由于平衡光电探测器300的两个光电二极管相互匹配，可以实现出色的共模抑制比，有利于较好的降低噪声，由此，不仅可以获取干涉信号中被测物振动信息的微小变化，提高测量精度；还能在较低干扰情况下从干涉信号中准确度较高的得到被测物振动信息。

进一步地，所述第一光纤耦合器201为1X2光纤耦合器，所述第二光纤耦合器203为2X2光纤耦合器，所述第二光纤耦合器203的输出端通过两路光纤与一所述平衡光电探测器300连接，优选第二光纤耦合器203分光比为50:50，第二光纤耦合器203的输出端通过两路光纤将干涉光均分输出至平衡光电探测器300的两个光电二极管上，实现了出色的共模抑制比，较好的降低了噪声，有利于获得效果更好、信号更强的光电流信号输出，方便后期解调处理。

进一步地，测量激光源100与第一光纤耦合器201之间，第二光纤耦合器203与平衡光电探测器300之间的光纤连接均采用具有斜8度角的APC型光纤连接器对接，或采用光纤熔接机熔接。

进一步地，所述第一光纤耦合器201与所述光纤移频器202之间通过光纤连接有光纤衰减器206，所述光纤衰减器206将所述第一光纤耦合器201传送的光束进行光功率调节后传送至所述光纤移频器202。光纤衰减器206的设置能够平衡光束光功率，使最后光束之间得到更好的干涉效果，有利于最优化系统信噪比，优选第一光纤耦合器201与光纤衰减器206之间、光纤衰减器206与光纤移频器202之间选用保偏光纤连接。

进一步地，本实施例中所述光收发器205包括第三准直透镜2051和偏振光学元件2052，其中，偏振光学元件2052表面与光轴方向之间夹角设置为45度；优选上述各个光纤器件之间的连接所用光纤均为保偏光纤。可形成全保偏的干涉回路，更有利于被测物物理量的计算和提取。

具体如，测量激光器100辐射出的激光与保偏光纤慢轴对准经由保偏光纤进入分光比为90:10的第一光纤耦合器201，第一光纤耦合器201将激光分成两路，一路为测量光，占比90%，一路为参考光，占比10%。

测量光经由光纤环路器204的P1端口输入光纤环路器204，光纤输出的高斯光束首先被第一准直透镜2042准直，然后被方解石棱镜2043偏转，再通过第二准直透镜2044耦合进入P2端口所对应的保偏光纤，此时进入保偏光纤的光束依然是慢轴对准；然后测量光被光收发器205最终发射到被测物体表面，被测物体振动通过激光多普勒效应会引起测量激光的光频率变化，被调制后的漫反射信号光被同一光收发器205所接收并重新耦合到P2端口所对应的保偏光纤中，此时，由于激光两次经过偏振光学元件2052的角度偏转，形成最终90度的偏振态旋转，使得信号光耦合到P2端口时为快轴对准态，然后信号光经第二准直透镜2044准直，方解石棱镜2043偏转以及第一准直透镜2042准直，最终耦合进入P3端口所对应的保偏光纤, 又因为P1端口和P3端口所对应的保偏光纤的慢轴相互垂直，并匹配方解石棱镜2043的光束出射的偏振方向，因此信号光是以慢轴对准耦合进入P3端口所对应的保偏光纤的，最终信号光进入到第二光纤耦合器203；从而实现保偏光纤回路，保证了信号光与参考光的偏振态相同，以满足相互干涉条件；

参考光则先后通过光纤衰减器206和光纤移频器202进行光功率平衡和光频率偏移，然后进入分光比为50:50的第二光纤耦合器203；

综上，信号光和参考光在第二光纤耦合器203处汇聚，满足相干条件并发生干涉，然后经过两路保偏光纤将干涉光均分输出至平衡光电探测器300的两个光电二极管的探测面上，最终由平衡光电探测器300输出的光电流即为信号光和参考光干涉结果的表达，该干涉信号后期通过信号处理器进行滤波、放大等处理后传给解码器所解调出的信息（如频率、速度、位移、加速度）即为所需测量的物体振动的相关物理量。

实施例5

如图7所示，本实施例的激光测振仪较之实施例4还包括指示光源400，所述第一光纤耦合器201和所述第二光纤耦合器203均为2X2光纤耦合器，所述指示光源400通过光纤与所述第一光纤耦合器201的输入端连接用于向所述第一光纤耦合器201传送指示光，所述第二光纤耦合器203的输出端通过两路光纤与一所述平衡光电探测器300连接；为兼顾可见的指示光的分光，所述第一光纤耦合器201的分光比优选75:25，所述第二光纤耦合器203的分光比优选50:50，所述测量激光源100为一种保偏光纤耦合输出的波长在1100nm到1700nm之间的窄线宽激光器，具体地，测量激光器为1550nm窄线宽半导体激光器。选用波长在1100nm到1700nm之间激光器是由于光纤通信行业普遍采用的波段，该类光纤工艺成熟、可靠，成本相对较低。

由于测量激光源100实际应用中所生成的激光属于不可见激光，肉眼进行测点定位相对困难，故设置指示光源400与第一光纤耦合器201连接，有利于实现指示光与测量激光的同路径传输，用于指示测点位置，有利于帮助测量人员实现肉眼定位；设置第二光纤耦合器203的输出端通过两路光纤与一所述平衡光电探测器300连接，将干涉光分成两路输入到平衡光电探测器300中，有利于产生信号更强的交流信号，后期对该信号强的交流信号进行解调处理能够更方便、准确、精度高的获取被测物体的振动物理量。

设置指示光源400后，所述光收发器205优选包括消色差光学头和偏振光学元件2052。具体地，消色差光学头需具备除实施例2中所述第三准直透镜2051或实施例3中所述光学头的功能外，还需具备消色差功能，以使得测量激光和指示光两者焦点位置相同或相近，实现“所指即所测”，即指示光指示位置即为测量激光所到位置，测量激光所到位置被漫反射回的激光信号即为所需测得的信号。

实施例6

如图8所示，本实施例与实施例4或实施例5的区别在于，本实施例提供的激光测振仪还包括光开关500，所述光收发器205为多个；

所述光开关500包括至少一个输入端口、至少一个控制端以及多个输出端口，所述控制端用于将所述光开关500的输入端口的光束传输至所述光开关500的多个输出端口的其中一个输出端口输出；所述第二端口P2通过光纤与所述光开关500的输入端口连接，所述光开关500的多个输出端口分别通过光纤与一所述光收发器205连接。光开关500基于上述设计，能够实现光路选择功能，调整控制端可改变测量点的位置，有利于基于时间差实现多个不同被测物体或同一被测物体的多个不同位置的物理量测量，有利于节约成本的同时提高测量效率。

具体地，例如，所述控制端为反射镜，通过调节反射镜的角度，实现激光光束从光开关500的多个输出端口的其中一个输出端口输出的选择功能，优选光开关500的输出端口数在2-32个之间。

光开关500的结构设计不限于上述设计，为了使得光开关500光束传播效果更好，控制端调整更方便等，光开关500还可采用如公告号CN105511022B公开的光开关或公告号CN104583839B公开的光开关设计，此处不再详细展开。

每个所述光收发器205的照射前方均可以作为一个测量点，当某一光收发器205中有光束输入时，该处即为具备测量功能的测量点，其他则为闲置测量点，当控制端通过控制实现高频切换输出端口时，就能实现多点测振，有利于提高测量效率。

实施例7

如图9所示，本实施例与实施例4或实施例5的区别在于，还包括第一光纤分路器600和第二光纤分路器700，所述光纤环路器204、所述光收发器205、所述第二光纤耦合器203、所述平衡光电探测器300均为多个；

所述第一光纤分路器600包括至少一个输入端口和多个输出端口，所述第一光纤分路器600的输入端口与所述第一光纤耦合器201通过光纤连接，所述第一光纤分路器600的多个输出端口分别通过光纤与一所述光纤环路器204的第一端口P1连接，所述第一光纤分路器600用于将所述第一光纤耦合器201传送的光束均分为多个光束输出，即将测量激光均分为多束传输；每个所述光纤环路器204的第二端口P2通过光纤与一所述光收发器205连接；

所述第二光纤分路器700包括至少一个输入端口和多个输出端口，所述第二光纤分路器700的输入端口与所述光纤移频器202通过光纤连接，所述第二光纤分路器700的多个输出端口分别通过光纤与一所述第二光纤耦合器203连接；所述第二光纤分路器700用于将所述光纤移频器202传送的光束均分为多个光束输出，即将参考光均分为多束传输；

每个所述光纤环路器204的第三端口P3通过光纤与一所述第二光纤耦合器203的输入端连接；每个所述第二光纤耦合器203的输出端通过两路光纤与一所述平衡光电探测器300连接。

综上，有利于实现被测物的多维检测，即实现同一时间被测物体的各个被测点的振动信息的同时提取。

考虑到当测量激光均分的光束较多时，会导致每个光路中分到的光功率较小，不利于被测物的测量，因此优选还包括光纤放大器800，所述光纤放大器800通过光纤连接于所述第一光纤耦合器201的输出端与所述第一光纤分路器600的输入端口之间。用于将第一光纤耦合器201的输出端输出的测量激光放大后再通过第一光纤分路器600均分输出。

具体地，光纤放大器800所用技术就是在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀土元素，如铒、镨、铷等离子，光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在测量光诱导下，产生受激辐射，形成对测量光的相干放大。对测量光的功率放大有利于在后续分光后仍能保证每一通道的光功率用于振动测量。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (20)

1.一种基于光纤的外差干涉光路结构，其特征在于，包括：

第一光纤耦合器、光纤移频器、第二光纤耦合器、光纤环路器以及光收发器；

所述第一光纤耦合器用于将接收的光分为两束并分别传送至所述光纤移频器和所述光纤环路器；

所述光纤移频器接收并调制所述第一光纤耦合器传送的光束，使光束光频率偏移后传送至所述第二光纤耦合器；

所述光纤环路器包括第一端口、第二端口以及第三端口；所述第一端口接收所述第一光纤耦合器传送的光束；所述第二端口与所述光收发器连接，用于传输所述第一端口接收的光束至所述光收发器和接收所述光收发器传送的光束；所述第三端口与所述第二光纤耦合器连接，用于传输所述第二端口从所述光收发器处接收的光束至所述第二光纤耦合器；

所述光纤移频器传送的光束和所述第三端口传输的光束在所述第二光纤耦合器处耦合产生干涉光；

所述光收发器用于发射所述第二端口传输的光束和接收外界反射回的光束并传送至所述第二端口；

所述第一光纤耦合器与所述光纤移频器之间、所述光纤移频器与第二光纤耦合器之间、所述第一光纤耦合器与所述光纤环路器的第一端口之间、所述光纤环路器第二端口与所述光收发器之间、以及所述光纤环路器第三端口与所述第二光纤耦合器之间均通过光纤连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构，其特征在于，所述光纤为保偏光纤，所述第一光纤耦合器、所述光纤移频器、所述第二光纤耦合器以及所述光纤环路器均为保偏光纤器件。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构，其特征在于，所述第一光纤耦合器为分光比为90:10或75:25或50:50的1X2光纤耦合器。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构，其特征在于，所述光纤环路器包括从左往右依次设置的双光纤尾纤、第一准直透镜、方解石棱镜、第二准直透镜以及单光纤尾纤。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构，其特征在于，所述第一准直透镜和所述第二准直透镜均为球面透镜。

6.根据权利要求4所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构，其特征在于，所述第一准直透镜和所述第二准直透镜均为四分之一节距的自聚焦透镜。

7.根据权利要求1所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构，其特征在于，所述第一光纤耦合器为1X2光纤耦合器或2X2光纤耦合器，所述第二光纤耦合器为2X2光纤耦合器。

8.根据权利要求1所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构，其特征在于，所述光纤移频器为基于双折射晶体的声光移频器或全光纤声光移频器。

9.根据权利要求1所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构，其特征在于，还包括光纤衰减器，所述光纤衰减器通过光纤连接于所述第一光纤耦合器与所述光纤移频器之间，所述光纤衰减器将所述第一光纤耦合器传送的光束进行光功率调节后传送至所述光纤移频器。

10.根据权利要求1所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构，其特征在于，所述光收发器包括第三准直透镜和偏振光学元件，所述第二端口传输的光束经过所述第三准直透镜准直后投射到所述偏振光学元件。

11.根据权利要求10所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构，其特征在于，所述第三准直透镜为非球面透镜或渐变折射率透镜或多透镜堆叠组成的透镜组。

12.根据权利要求1所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构，其特征在于，所述光收发器包括光学头和偏振光学元件，所述光学头包括前镜组和后镜组，所述第二端口传输的光束经过所述后镜组聚焦到第一焦点后经过所述前镜组投射到所述偏振光学元件。

13.根据权利要求10或12所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构，其特征在于，所述偏振光学元件为四分之一波片。

14.一种激光测振仪，其特征在于，包括测量激光源、平衡光电探测器以及如权利要求1所述的一种基于光纤的外差干涉光路结构，所述测量激光源通过光纤与所述第一光纤耦合器的输入端连接用于向所述第一光纤耦合器传送测量激光，所述平衡光电探测器通过光纤与所述第二光纤耦合器的输出端连接用于接收所述第二光纤耦合器处干涉光的输出。

15.根据权利要求14所述的一种激光测振仪，其特征在于，还包括指示光源，所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器均为2X2光纤耦合器，所述指示光源通过光纤与所述第一光纤耦合器的输入端连接用于向所述第一光纤耦合器传送指示光，所述第二光纤耦合器的输出端通过两路光纤与一所述平衡光电探测器连接。

16.根据权利要求14所述的一种激光测振仪，其特征在于，所述第一光纤耦合器为1X2光纤耦合器，所述第二光纤耦合器为2X2光纤耦合器，所述第二光纤耦合器的输出端通过两路光纤与一所述平衡光电探测器连接。

17.根据权利要求15所述的一种激光测振仪，其特征在于，所述光收发器包括消色差光学头和偏振光学元件。

18.根据权利要求14或15所述的一种激光测振仪，其特征在于，还包括光开关，所述光收发器为多个；

所述光开关包括至少一个输入端口、至少一个控制端以及多个输出端口，所述控制端用于将所述光开关的输入端口的光束传输至所述光开关的多个输出端口的其中一个输出端口输出；

所述第二端口通过光纤与所述光开关的输入端口连接，所述光开关的多个输出端口分别通过光纤与一所述光收发器连接。

19.根据权利要求14或15所述的一种激光测振仪，其特征在于，还包括第一光纤分路器和第二光纤分路器，所述光纤环路器、所述光收发器、所述第二光纤耦合器、所述平衡光电探测器均为多个；

所述第一光纤分路器包括至少一个输入端口和多个输出端口，所述第一光纤分路器的输入端口与所述第一光纤耦合器通过光纤连接，所述第一光纤分路器的多个输出端口分别通过光纤与一所述光纤环路器的第一端口连接，所述第一光纤分路器用于将所述第一光纤耦合器传送的光束均分为多个光束输出；每个所述光纤环路器的第二端口通过光纤与一所述光收发器连接；

所述第二光纤分路器包括至少一个输入端口和多个输出端口，所述第二光纤分路器的输入端口与所述光纤移频器通过光纤连接，所述第二光纤分路器的多个输出端口分别通过光纤与一所述第二光纤耦合器连接；所述第二光纤分路器用于将所述光纤移频器传送的光束均分为多个光束输出；

每个所述光纤环路器的第三端口通过光纤与一所述第二光纤耦合器的输入端连接；每个所述第二光纤耦合器的输出端通过两路光纤与一所述平衡光电探测器连接。

20.根据权利要求19所述的一种激光测振仪，其特征在于，还包括光纤放大器，所述光纤放大器通过光纤连接于所述第一光纤耦合器的输出端与所述第一光纤分路器的输入端口之间。