CN109557615A - 一种开放光路下的激光信号接收装置和接收方法 - Google Patents

一种开放光路下的激光信号接收装置和接收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开放光路下的激光信号接收装置和接收方法。本发明的激光信号接收装置包括金属外壳，所述的金属外壳内设有二自由度位移台、聚焦透镜、第一丝杆步进电机、第二丝杆步进电机、多模光纤、第一弹簧和第二弹簧；所述的聚焦透镜固定在二自由度位移台上端部的中央处；所述二自由度位移台的上端面与第一丝杆步进电机的丝杆底部和第二丝杆步进电机的丝杆底部均抵触，通过丝杆的动作使二自由度位移台进行X轴和Y轴方向上的角度调整；所述二自由度位移台的下端中心连接多模光纤，使多模光纤的接收端位于聚焦透镜的焦点处。当激光发射端和接收端的相对位置频繁发生变化时，本发明可以使完整的激光信号进入多模光纤，保障测量的准确性。

Description

一种开放光路下的激光信号接收装置和接收方法
技术领域
本发明涉及激光信号接收领域，特别是一种开放光路下的激光信号接收装置和接收方法，尤其用于激光信号发射端和激光信号接收端的相对位置频繁发生变化的场合。
背景技术
可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)分析方法，是常用的气体分析方法，主要是利用半导体激光器的可调谐和窄线宽特性，通过选择待测气体的某条特定的吸收光谱线进行测量，可排除其他气体的光谱的干扰，实现待测气体浓度的快速在线检测。TDLAS气体浓度测量系统需要一个激光发射端和一个激光接收端，激光自发射端射出穿过待测气体后射到激光接收端，根据激光信号强度的衰减来推算待测气体浓度。
传统的激光信号接收装置主要针对光程池、气体吸收池(如图1、图2)等封闭环境，其激光接收端与收到激光的位置通常无变化。
在光程较短的情况下，可以在激光信号接收端直接部署光纤，其激光接收端构造如图1虚线框内所示，激光穿过气体吸收池后可以较为方便地进入接收端部署的光纤。在光程较长的情况下，考虑到接收端的激光光束会有一定的发散，接收端光斑会大于光纤直径，其激光接收端构造如图2虚线框内所示，该类接收端会在激光末端光斑处放置聚焦透镜，并将光纤放置在聚焦透镜的焦点处，激光光束经过聚焦后进入光纤。
传统方法主要针对封闭光路设计，激光发射端与激光接收端的位置保持不变，在固定完善后，激光光束能够始终平行于光纤或接收透镜的光轴，不易产生信号丢失。
在开放光路下，由于激光信号发射端和激光信号接收端的相对位置频繁发生变化，激光信号与接收端透镜光轴往往存在一定偏角，聚焦后的激光难以进入光纤，导致激光信号丢失，影响测量的准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种开放光路下的激光信号接收装置，其可以将来自不同角度的平行光汇聚至一根光纤内，以有效保障完整的激光信号进入光纤，保障测量的准确性。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种开放光路下的激光信号接收装置，包括金属外壳，所述的金属外壳内设有二自由度位移台、聚焦透镜、第一丝杆步进电机、第二丝杆步进电机、多模光纤、第一弹簧和第二弹簧；
所述的聚焦透镜固定在二自由度位移台上端部的中央处，聚焦透镜用于将接收到的激光光斑进行聚焦，聚焦后的光斑位于聚焦透镜的焦面上；
所述二自由度位移台的上端面与第一丝杆步进电机的丝杆底部和第二丝杆步进电机的丝杆底部均抵触，通过丝杆的动作使二自由度位移台进行X轴和Y轴方向上的角度调整；二自由度位移台的下端面与金属外壳内壁的底面之间设第一弹簧和第二弹簧，第一弹簧位于第一丝杆步进电机的丝杆正下方，用于支撑此处的二自由度位移台，使此处的二自由度位移台与第一丝杆步进电机的丝杆同步动作，在X轴方向上自由调整角度；第二弹簧位于第二丝杆步进电机的丝杆正下方，用于支撑此处的二自由度位移台，使此处的二自由度位移台与第二丝杆步进电机的丝杆同步动作，在Y轴方向上自由调整角度；
所述二自由度位移台的下端中心连接多模光纤，使多模光纤的接收端位于聚焦透镜的焦点处，从而接收完整的激光信号。
本发明用于解决开放光路下由于激光信号偏离光轴而造成进入光纤信号产生丢失的问题。当激光光路偏离接收端聚焦透镜的光轴，聚焦后的激光光斑不在焦点上，激光信号难以进入光纤。本发明可以通过丝杆步进电机调节二自由度位移台的位置，从而保证聚焦后的激光光斑能进入光纤。丝杆步进电机的控制指令根据多模光纤中激光信号的强弱进行计算得到。
进一步地，所述多模光纤的输出端连接一激光探测器，该激光探测器通过BNC线与信号采集卡连接，信号采集卡与电机控制器相连。
进一步地，所述多模光纤的入射角度θ与聚焦透镜的焦距f和射到聚焦透镜(1)的激光最大光斑半径r适配。
进一步地，所述的θ≥arctan(r/f)。
进一步地，所述二自由度位移台的高度D与聚焦透镜的焦距f相等。
进一步地，所述第一丝杆步进电机的丝杆抵触在二自由度位移台上端面的左侧端，第二丝杆步进电机的丝杆抵触在二自由度位移台上端面的前侧端。
进一步地，所述二自由度位移台下端面的右侧端固定连接第一支架；二自由度位移台下端面的后侧端固定连接第二支架。通过第一支架、第二支架、第一弹簧和第二弹簧的配合使用，形成二自由度位移台的多点支撑，使二自由度位移台动作时平稳。
进一步地，所述第一丝杆步进电机的丝杆中心与第一弹簧的中心位于同一轴线上，所述第二丝杆步进电机的丝杆中心与第二弹簧的中心位于同一轴线上。通过这一设置，使本发明二自由度位移台在X轴方向上角度和Y轴方向上角度调整时更为稳定。
进一步地，所述的二自由度位移台中空，保证激光光路不被遮挡。
本发明的另一目的是提供一种采用上述激光信号接收装置的激光信号接收方法，用激光探测器将激光信号转化为电信号，通过BNC线将电信号传输给信号采集卡，接着将电信号传输给电机控制器；
根据电机控制器接收到的信号强弱判断当前接收端激光信号与多模光纤的耦合程度，并发送控制指令至第一丝杆步进电机和第二丝杆步进电机，调节二自由度位移台在X和Y方向上的角度，直至电机控制器接收到的信号强度最大，从而使完整的激光信号进入多模光纤。
进一步地，将二自由度位移台在X和Y方向上转动的最大角度表示为α和β，0<α<π/2，0<β<π/2，用θX、θY表示当前二自由度位移台在X和Y方向上所处的角度，用d表示丝杆步进电机在一个脉冲下带动二自由度位移台转过的角度；
通过不断地调节二自由度位移台，使接收端激光平行于聚焦透镜的光轴，具体调节步骤如下：
1)调节第一丝杆步进电机和第二丝杆步进电机，使θX＝0，θY＝0；
2)调节第一丝杆步进电机，使得θX不断增大，观察是否接收到激光信号；
3)当θX＝α，如果还未寻找到激光信号，向第二丝杆步进电机发送一个脉冲，使θY＝θY+d，调节第一丝杆步进电机，使得θX不断减小，观察是否接收到激光信号；
4)当θX＝0，如果还未寻找到激光信号，向第二丝杆步进电机发送一个脉冲，使θY＝θY+d，调节第一丝杆步进电机，使得θX不断增大，观察是否接收到激光信号；
5)重复步骤3)和步骤4)，直至得到激光信号；
6)对第一丝杆步进电机和第二丝杆步进电机进行小范围调节，使得激光信号幅值最大，并锁定当前位置。
本发明具有以下有益效果：本发明将聚焦透镜固定在二自由度位移台上，其二维位置可调节，保障来自不同角度的激光光速能聚焦至同一点；当激光发射端和接收端的相对位置频繁发生变化时，本发明可以使完整的激光信号进入光纤，保障测量的准确性。
附图说明
图1为现有技术中短光程下的激光接收端结构示意图；
图2为现有技术中长光程下的激光接收端结构示意图；
图3为本发明的结构示意图；
图4为本发明二自由度位移台的侧视图。
图1-2中，A-光纤，B-准直器，C-气体吸收池，D-激光光速，E-激光接收端，F-聚焦透镜；
图3-4中，1-聚焦透镜，2-二自由度位移台，3-第一丝杆步进电机，4-第二丝杆步进电机，5-金属外壳，6-多模光纤，7-第一弹簧，8-第二弹簧，9-第一支架，10-第二支架。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点表达的更加清晰、明白，下面结合附图及实施例对本发明再做进一步详细的说明。
实施例1
本实施例提供一种开放光路下的激光信号接收装置，如图3-4所示，金属外壳5内设有二自由度位移台2、聚焦透镜1、第一丝杆步进电机3、第二丝杆步进电机4、多模光纤6、第一弹簧7和第二弹簧8，所述的二自由度位移台2中空。
所述的聚焦透镜1固定在二自由度位移台2上端部的中央处，聚焦透镜1用于将接收到的激光光斑进行聚焦，聚焦后的光斑位于聚焦透镜1的焦面上。
所述二自由度位移台2的上端面与第一丝杆步进电机3的丝杆底部和第二丝杆步进电机4的丝杆底部均抵触，通过丝杆的动作使二自由度位移台2进行X轴和Y轴方向上的角度调整；二自由度位移台2的下端面与金属外壳内壁的底面之间设第一弹簧7和第二弹簧8，第一弹簧8位于第一丝杆步进电机3的丝杆正下方，用于支撑此处的二自由度位移台，使此处的二自由度位移台2与第一丝杆步进电机3的丝杆同步动作，在X轴方向上自由调整角度；第二弹簧8位于第二丝杆步进电机3的丝杆正下方，用于支撑此处的二自由度位移台，使此处的二自由度位移台2与第二丝杆步进电机4的丝杆同步动作，在Y轴方向上自由调整角度。
所述二自由度位移台2的下端中心连接多模光纤6，使多模光纤6的接收端位于聚焦透镜1的焦点处，多模光纤6的输出端连接激光探测器11，该激光探测器11通过BNC线与信号采集卡12连接，信号采集卡12与电机控制器13相连。
所述多模光纤6的入射角度θ与聚焦透镜1的焦距f和射到聚焦透镜(1)的激光最大光斑半径r适配。所述的θ≥arctan(r/f)。二自由度位移台2的高度D与聚焦透镜1的焦距f相等。
所述第一丝杆步进电机3的丝杆抵触在二自由度位移台2上端面的左侧端，第二丝杆步进电机4的丝杆抵触在二自由度位移台2上端面的前侧端。所述二自由度位移台2下端面的右侧端固定连接第一支架9；二自由度位移台2下端面的后侧端固定连接第二支架10。
所述第一丝杆步进电机3的丝杆中心与第一弹簧7的中心位于同一轴线上，第二丝杆步进电机4的丝杆中心与第二弹簧8的中心位于同一轴线上。
所述的第一丝杆步进电机3和第二丝杆步进电机4通过连杆与金属外壳5的内侧壁固定连接。
实施例2
本实施例提供一种采用实施例1所述激光信号接收装置进行接收的方法，用激光探测器将激光信号转化为电信号，通过BNC线将电信号传输给信号采集卡，接着将电信号传输给电机控制器。
根据电机控制器接收到的信号强弱判断当前接收端激光信号与多模光纤的耦合程度，并发送控制指令至第一丝杆步进电机和第二丝杆步进电机，调节二自由度位移台在X和Y方向上的角度，直至电机控制器接收到的信号强度最大，从而使完整的激光信号进入多模光纤。
将二自由度位移台在X和Y方向上转动的最大角度表示为α和β，0<α<π/2，0<β<π/2，用θX、θY表示当前二自由度位移台在X和Y方向上所处的角度，用d表示丝杆步进电机在一个脉冲下带动二自由度位移台转过的角度。
通过不断地调节二自由度位移台，使接收端激光平行于聚焦透镜的光轴，具体调节步骤如下：
1)调节第一丝杆步进电机和第二丝杆步进电机，使θX＝0，θY＝0；
2)调节第一丝杆步进电机，使得θX不断增大，观察是否接收到激光信号；
3)当θX＝α，如果还未寻找到激光信号，向第二丝杆步进电机发送一个脉冲，使θY＝θY+d，调节第一丝杆步进电机，使得θX不断减小，观察是否接收到激光信号；
4)当θX＝0，如果还未寻找到激光信号，向第二丝杆步进电机发送一个脉冲，使θY＝θY+d，调节第一丝杆步进电机，使得θX不断增大，观察是否接收到激光信号；
5)重复步骤3)和步骤4)，直至得到激光信号；
6)对第一丝杆步进电机和第二丝杆步进电机进行小范围调节，使得激光信号幅值最大，并锁定当前位置。
上述实施方式已经对本发明的一些细节进行了描述，但是不能理解为对本发明的限制，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对其进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种开放光路下的激光信号接收装置，包括金属外壳(5)，其特征在于，所述的金属外壳(5)内设有二自由度位移台(2)、聚焦透镜(1)、第一丝杆步进电机(3)、第二丝杆步进电机(4)、多模光纤(6)、第一弹簧(7)和第二弹簧(8)；
所述的聚焦透镜(1)固定在二自由度位移台(2)上端部的中央处，聚焦透镜(1)用于将接收到的激光光斑进行聚焦，聚焦后的光斑位于聚焦透镜(1)的焦面上；
所述二自由度位移台(2)的上端面与第一丝杆步进电机(3)的丝杆底部和第二丝杆步进电机(4)的丝杆底部均抵触，通过丝杆的动作使二自由度位移台(2)进行X轴和Y轴方向上的角度调整；二自由度位移台(2)的下端面与金属外壳内壁的底面之间设第一弹簧(7)和第二弹簧(8)，第一弹簧(8)位于第一丝杆步进电机(3)的丝杆正下方，用于支撑此处的二自由度位移台，使此处的二自由度位移台(2)与第一丝杆步进电机(3)的丝杆同步动作，在X轴方向上自由调整角度；第二弹簧(8)位于第二丝杆步进电机(3)的丝杆正下方，用于支撑此处的二自由度位移台，使此处的二自由度位移台(2)与第二丝杆步进电机(4)的丝杆同步动作，在Y轴方向上自由调整角度；
所述二自由度位移台(2)的下端中心连接多模光纤(6)，使多模光纤(6)的接收端位于聚焦透镜(1)的焦点处。
2.根据权利要求1所述的激光信号接收装置，其特征在于，所述多模光纤(6)的输出端连接一激光探测器(11)，该激光探测器(11)通过BNC线与信号采集卡(12)连接，信号采集卡(12)与电机控制器(13)相连。
3.根据权利要求1或2所述的激光信号接收装置，其特征在于，所述多模光纤(6)的入射角度θ与聚焦透镜(1)的焦距f和射到聚焦透镜(1)的激光最大光斑半径r适配，所述的θ≥arctan(r/f)。
4.根据权利要求1或2所述的激光信号接收装置，其特征在于，所述二自由度位移台(2)的高度D与聚焦透镜(1)的焦距f相等。
5.根据权利要求1或2所述的激光信号接收装置，其特征在于，所述第一丝杆步进电机(3)的丝杆抵触在二自由度位移台(2)上端面的左侧端，第二丝杆步进电机(4)的丝杆抵触在二自由度位移台(2)上端面的前侧端。
6.根据权利要求5所述的激光信号接收装置，其特征在于，所述二自由度位移台(2)下端面的右侧端固定连接第一支架(9)；二自由度位移台(2)下端面的后侧端固定连接第二支架(10)。
7.根据权利要求5所述的激光信号接收装置，其特征在于，所述第一丝杆步进电机(3)的丝杆中心与第一弹簧(7)的中心位于同一轴线上；所述第二丝杆步进电机(4)的丝杆中心与第二弹簧(8)的中心位于同一轴线上。
8.根据权利要求1或2所述的激光信号接收装置，其特征在于，所述的二自由度位移台(2)中空。
9.采用权利要求1-8任一项所述激光信号接收装置的激光信号接收方法，其特征在于，用激光探测器(11)将激光信号转化为电信号，通过BNC线将电信号传输给信号采集卡(12)，接着将电信号传输给电机控制器(13)；
根据电机控制器(13)接收到的信号强弱判断当前接收端激光信号与多模光纤(6)的耦合程度，并发送控制指令至第一丝杆步进电机(3)和第二丝杆步进电机(4)，调节二自由度位移台(2)在X和Y方向上的角度，直至电机控制器(13)接收到的信号强度最大，从而使完整的激光信号进入多模光纤(6)。
10.根据权利要求9所述的激光信号接收方法，其特征在于，将二自由度位移台(2)在X和Y方向上转动的最大角度表示为α和β，0<α<π/2，0<β<π/2，用θX、θY表示当前二自由度位移台(2)在X和Y方向上所处的角度，用d表示丝杆步进电机在一个脉冲下带动二自由度位移台转过的角度；
通过不断地调节二自由度位移台(2)，使接收端激光平行于聚焦透镜(1)的光轴，具体调节步骤如下：
1)调节第一丝杆步进电机(3)和第二丝杆步进电机(4)，使θX＝0，θY＝0；
2)调节第一丝杆步进电机(3)，使得θX不断增大，观察是否接收到激光信号；
3)当θX＝α，如果还未寻找到激光信号，向第二丝杆步进电机(4)发送一个脉冲，使θY＝θY+d，调节第一丝杆步进电机(3)，使得θX不断减小，观察是否接收到激光信号；
4)当θX＝0，如果还未寻找到激光信号，向第二丝杆步进电机(4)发送一个脉冲，使θY＝θY+d，调节第一丝杆步进电机(3)，使得θX不断增大，观察是否接收到激光信号；
5)重复步骤3)和步骤4)，直至得到激光信号；
6)对第一丝杆步进电机(3)和第二丝杆步进电机(4)进行小范围调节，使得激光信号幅值最大，并锁定当前位置。
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