CN110849466B - 一种任意波形的光频调制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种光频调制式激励装置及方法，属于光电测量技术领域。本发明主要由激光测振仪、第一λ/2波片、第二λ/2波片、第三λ/2波片、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第三偏振分光镜、第一透镜、第二透镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一声光调制器、第二声光调制器、FM信号源、任意波发生器、正弦信号源组成。本发明用光频调制方式产生模拟振动的任意波形激励，并能够作为激光测振仪特性测评的激励源，避免振动台等机械运动的技术参数无法完全覆盖测振仪量程的问题，提高激励源的稳定性，实现标准激光测振仪计量溯源。本发明具有更快的上升时间，更宽的频率范围，更大的振幅范围，更复杂多变的波形特征。

Description

一种任意波形的光频调制装置及方法
技术领域
本发明涉及一种任意波形的光频调制装置及方法，属于光电测量技术领域。
背景技术
激光测振仪是一种通用、基础性振动、冲击测量仪器，具有高精度、非接触、对被测对象无附加干扰和影响的测量仪器，它的计量校准与性能测评一直是行业难点问题，主要原因有：1)它的激励为运动量值(位移、速度、加速度)，而所用测量原理又是通过激光多普勒效应进行，需要通过光频率变化感知物理运动，输出又是以电信号数据形式给出结果，涉及机械运动、光频控制、电子测量等不同方面。2)由于光电测量的频率范围和准确度远高于机械运动量值的频率范围与准确度，导致对其进行计量校准和性能测评所需的合适的激励源一直缺乏，很难寻找到合乎要求的装置与设备。3)通常对其计量校准均是通过“标准振动台”激励，以“标准激光测振仪”进行量值测量，对其它激光测振仪进行计量校准。由于振动台属于机电结构的物理运动装置，受限于物理原理和机械原理等的限制，以及材料、机械加工能力等的限制，和激光测振仪这种光电测量仪器相比，其稳定性不易达到很高，频带较窄，并且在低频时振幅可以达到比较大的量值，而高频情况下，振幅仅能实现非常小的量值，准确度也较低，不易达到给激光测振进行计量溯源的技术要求。尽管使用标准激光测振仪进行计量校准，由于振动台特性造成的不确定度以及其振幅和频率范围所造成的限制仍然是激光测振仪计量校准中存在的主要问题。4)另一方面，使用标准激光测振仪对其它激光测振仪进行计量溯源本身，也存在着逻辑上的问题是，标准激光测振仪自己的计量校准问题仍然无法获得解决。
发明内容
针对激光测振仪计量校准与性能测评中存在的受限于振动台等机械运动的技术参数无法完全覆盖测振仪量程且稳定性不如测振仪的主要问题，以及标准激光测振仪计量溯源无法完全解决的问题，本发明公开的一种光频调制式激励装置及方法要解决的技术问题是：用光频调制方式产生模拟振动的任意波形激励，并能够作为激光测振仪特性的测评的激励源，避免受限于振动台等机械运动的技术参数无法完全覆盖测振仪量程，提高测振仪的稳定性，实现标准激光测振仪计量溯源。
本发明使用两个声光调制器AOM进行光频控制和处理，一个是对其加载任意波调制得FM信号，用声光调制器的+1级衍射级产生光频调制信号，另一个是用声光调制器的-1级衍射级进行移频处理，使得调制频率的中值处于激光测振仪输出频率点上。从而获得模拟实际任意波形运动时的光频特征信号。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的一种光频调制式激励装置，主要由激光测振仪、第一λ/2波片、第二λ/2波片、第三λ/2波片、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第三偏振分光镜、第一透镜、第二透镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一声光调制器、第二声光调制器、FM信号源、任意波发生器、正弦信号源组成。
由激光测振仪产生的激光，经过第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第一λ/2波片，到达第一声光调制器，任意波发生器产生所需的任意波形调制信号，对FM信号源进行频率调制，产生已调FM信号控制第一声光调制器，对第一λ/2波片传输来的光频进行调制，产生+1级衍射激光，该激光经过第一透镜变为平行光，到达第一平面反射镜，经过第一平面反射镜反射后回到第一声光调制器，再次被第一声光调制器调制，经过第一λ/2波片、被第二偏振分光镜反射，经第三偏振分光镜反射、穿过第三λ/2波片、到达第二声光调制器，正弦信号源对第二声光调制器进行控制，对第三λ/2波片传来的激光进行调制，产生-1级衍射激光。该激光经过第二透镜后变为平行光，到达第二平面反射镜，经过第二平面反射镜反射后回到第二声光调制器，再次被第二声光调制器调制，经过第三λ/2波片，穿过第三偏振分光镜，到达第三平面反射镜，穿过第二λ/2波片、被第一偏振分光镜反射，回到激光测振仪。完成以任意波发生器产生的任意波形对激光测振仪进行振动激励的模拟过程。
从激光测振仪测量获得的波形结果与任意波发生器的比较中，获得激光测振仪1的激励响应特性，完成相应激光测振仪性能测评。
本发明公开的一种光频调制式激励方法，基于所述的一种光频调制式激励装置实现，使用声光调制器以任意波形的调频信号控制方式，获得光频调制器的激光频率调制信号波形，然后再使用声光调制器进行频率移动，使得光频调制信号保持中值频率不变的特征返回激光测振仪1进行测量处理，获得其对任意波形运动时的响应波形。
作为优选，所述的一种光频调制式激励方法，使用电信号控制光信号产生具有任意波形运动特征的激光多普勒信号，以光频控制变化代替物理的机械运动产生多普勒频移方式，直接产生具有任意波形运动多普勒特征的光频调制信号，从而避免由机械运动产生高质量任意波形运动信号的难点。
针对激光经过声光调制器，被任意波形进行光频调制时，由于衍射会导致激光束产生随频率变化而出现的色散，直接传输给后续光学器件时，会出现光路特性不稳定问题。为避免该色散问题，作为优选，所述的一种光频调制式激励方法，使用将声光调制器放到透镜焦距处，将其散射光线转换成平行光，反射回来后，依然汇聚成原始质量的光束，增强系统的稳定性，并将调制频偏增大一倍。
作为优选，所述的一种光频调制式激励方法，完全采用被测量的激光测振仪发出的稳频激光，并不需要自己的激光光源，因此，能够降低成本，并避免标准装置的激光光源参量与被计量校准激光参量不一致而产生的不确定度的问题。
所述声光调制器包括第一声光调制器、第二声光调制器。
有益效果：
1、本发明公开的一种光频调制式激励装置及方法，使用声光调制器以任意波形的调频信号控制方式，获得光频调制器的激光频率调制信号波形，然后再使用声光调制器进行频率移动，使得光频调制信号保持中值频率不变的特征返回激光测振仪进行测量处理，获得其对任意波形运动时的响应波形。
2、本发明公开的一种光频调制式激励装置及方法，最大优点是使用电信号控制光信号产生具有任意波形运动特征的激光多普勒信号，以光频控制变化代替物理的机械运动产生多普勒频移方式，直接产生具有运动多普勒特征的光频调制信号，从而避免机械运动产生高质量任意波形运动信号的难点。由此计量校准或评估激光测振仪的任意波形运动的响应特性，与冲击机等的激励相比，本发明具有更快的上升时间，更宽的频率范围，更大的振幅范围，更复杂多变的波形特征。
3、本发明公开的一种光频调制式激励装置及方法，在激光经过声光调制器，被任意波形进行光频调制时，由于衍射会导致激光束产生随频率变化而出现的色散，直接传输给后续光学器件时，会出现光路特性不稳定等问题。为避免该色散问题出现，使用将声光调制器放到透镜焦距处，将其散射光线转换成平行光，反射回来后，依然汇聚成原始质量的光束，增强系统的稳定性，并将调制频偏增大一倍。
4、本发明公开的一种光频调制式激励装置及方法，将线运动信号(线运动速度、线运动加速度)量值通过频率调制与解调技术溯源到频率量值上，因而从原理上，具有比机械运动激励更高的测量准确度和稳定性。因为频率量值是当今计量行业里所能达到最高测量准确度的一个物理量，远高于任何其它物理量。
附图说明
图1为本发明的装置的结构示意图。
1—被测量对象激光测振仪、2—第一λ/2波片、13—第二λ/2波片、17—第三λ/2波片、3—第一偏振分光镜、4—第二偏振分光镜、8—第三偏振分光镜、6—第一透镜、10—第二透镜、7—第一平面反射镜、11—第二平面反射镜、12—第三平面反射镜、5—第一声光调制器、9—第二声光调制器、14—FM信号源、15—任意波发生器、16—正弦信号源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例
如图1所示，本实施例公开的一种任意波形的光频调制装置，由激光测振仪1、第一λ/2波片2、第二λ/2波片13、第三λ/2波片17、第一偏振分光镜3、第二偏振分光镜4、第三偏振分光镜8、第一透镜6、第二透镜10、第一平面反射镜7、第二平面反射镜11、第三平面反射镜12、第一声光调制器5、第二声光调制器9、FM信号源14、任意波发生器15、正弦信号源16组成。
由激光测振仪1产生的激光，经过第一偏振分光镜3、第二偏振分光镜4、第一λ/2波片2，到达第一声光调制器5，任意波发生器15产生所需的任意波形调制信号，对FM信号源14进行频率调制，产生已调FM信号控制第一声光调制器5，对第一λ/2波片2传输来的光频进行调制，产生+1级衍射激光，该激光经过第一透镜6变为平行光，到达第一平面反射镜7，经过第一平面反射镜7反射后回到第一声光调制器5，再次被第一声光调制器5调制，经过第一λ/2波片2、被第二偏振分光镜4反射，经第三偏振分光镜8反射、穿过第三λ/2波片17、到达第二声光调制器9，正弦信号源16对第二声光调制器9进行控制，对第三λ/2波片17传来的激光进行调制，产生-1级衍射激光。该激光经过第二透镜10后变为平行光，到达第二平面反射镜11，经过第二平面反射镜11反射后回到第二声光调制器9，再次被第二声光调制器9调制，经过第三λ/2波片17，穿过第三偏振分光镜8，到达第三平面反射镜12，穿过第二λ/2波片13、被第一偏振分光镜3反射，回到激光测振仪1。完成以任意波发生器15产生的任意波形对激光测振仪1进行振动激励的模拟过程。
从激光测振仪1测量获得的波形结果与任意波发生器15的比较中，获得激光测振仪1的激励响应特性，完成相应激光测振仪1性能测评。
本实施例公开的一种光频调制式激励方法，基于所述的一种光频调制式激励装置实现，使用声光调制器以任意波形的调频信号控制方式，获得光频调制器的激光频率调制信号波形，然后再使用声光调制器进行频率移动，使得光频调制信号保持中值频率不变的特征返回激光测振仪1进行测量处理，获得其对任意波形运动时的响应波形。
所述的一种光频调制式激励方法，使用电信号控制光信号产生具有任意波形运动特征的激光多普勒信号，以光频控制变化代替物理的机械运动产生多普勒频移方式，直接产生具有任意波形运动多普勒特征的光频调制信号，从而避免由机械运动产生高质量任意波形运动信号的难点。
针对激光经过声光调制器，被任意波形进行光频调制时，由于衍射会导致激光束产生随频率变化而出现的色散，直接传输给后续光学器件时，会出现光路特性不稳定问题。为避免该色散问题，所述的一种光频调制式激励方法，使用将声光调制器放到透镜焦距处，将其散射光线转换成平行光，反射回来后，依然汇聚成原始质量的光束，增强系统的稳定性，并将调制频偏增大一倍。
所述的一种光频调制式激励方法，完全采用被测量的激光测振仪发出的稳频激光，并不需要自己的激光光源，因此，能够降低成本，并避免标准装置的激光光源参量与被计量校准激光参量不一致而产生的不确定度的问题。
所述声光调制器包括第一声光调制器5、第二声光调制器9。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，均落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种光频调制式激励装置，其特征在于：主要由激光测振仪(1)、第一λ/2波片(2)、第二λ/2波片(13)、第三λ/2波片(17)、第一偏振分光镜(3)、第二偏振分光镜(4)、第三偏振分光镜(8)、第一透镜(6)、第二透镜(10)、第一平面反射镜(7)、第二平面反射镜(11)、第三平面反射镜(12)、第一声光调制器(5)、第二声光调制器(9)、FM信号源(14)、任意波发生器(15)、正弦信号源(16)组成；
由激光测振仪(1)产生的激光，经过第一偏振分光镜(3)、第二偏振分光镜(4)、第一λ/2波片(2)，到达第一声光调制器(5)，任意波发生器(15)产生所需的任意波形调制信号，对FM信号源(14)进行频率调制，产生已调FM信号控制第一声光调制器(5)，对第一λ/2波片(2)传输来的光频进行调制，产生+1级衍射激光，该激光经过第一透镜(6)变为平行光，到达第一平面反射镜(7)，经过第一平面反射镜(7)反射后回到第一声光调制器(5)，再次被第一声光调制器(5)调制，经过第一λ/2波片(2)、被第二偏振分光镜(4)反射，经第三偏振分光镜(8)反射、穿过第三λ/2波片(17)、到达第二声光调制器(9)，正弦信号源(16)对第二声光调制器(9)进行控制，对第三λ/2波片(17)传来的激光进行调制，产生-1级衍射激光；该激光经过第二透镜(10)后变为平行光，到达第二平面反射镜(11)，经过第二平面反射镜(11)反射后回到第二声光调制器(9)，再次被第二声光调制器(9)调制，经过第三λ/2波片(17)，穿过第三偏振分光镜(8)，到达第三平面反射镜(12)，穿过第二λ/2波片(13)、被第一偏振分光镜(3)反射，回到激光测振仪(1)；完成以任意波发生器(15)产生的任意波形对激光测振仪(1)进行振动激励的模拟过程；
从激光测振仪1测量获得的波形结果与任意波发生器(15)的比较中，获得激光测振仪1的激励响应特性，完成相应激光测振仪(1)性能测评。
2.一种光频调制式激励方法，基于如权利要求1所述的一种光频调制式激励装置实现，其特征在于：基于所述的一种光频调制式激励装置实现，使用声光调制器以任意波形的调频信号控制方式，获得光频调制器的激光频率调制信号波形，然后再使用声光调制器进行频率移动，使得光频调制信号保持中值频率不变的特征返回激光测振仪1进行测量处理，获得其对任意波形运动时的响应波形。
3.一种光频调制式激励方法，基于如权利要求1所述的一种光频调制式激励装置实现，其特征在于：使用电信号控制光信号产生具有任意波形运动特征的激光多普勒信号，以光频控制变化代替物理的机械运动产生多普勒频移方式，直接产生具有任意波形运动多普勒特征的光频调制信号。
4.一种光频调制式激励方法，基于如权利要求1所述的一种光频调制式激励装置实现，其特征在于：使用将声光调制器放到透镜焦距处，将其散射光线转换成平行光，反射回来后，依然汇聚成原始质量的光束，增强稳定性，并将调制频偏增大一倍。
5.一种光频调制式激励方法，基于如权利要求1所述的一种光频调制式激励装置实现，其特征在于：完全采用被测量的激光测振仪发出的稳频激光，并不需要自己的激光光源，因此，能够降低成本，并避免标准装置的激光光源参量与被计量校准激光参量不一致而产生的不确定度的问题。
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