CN113483878A - 一种基于双向声光频率梳的微多普勒振动测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双向声光频率梳的微多普勒振动测量系统及方法，该系统首先将种子激光调制后注入移频回路，移频回路包括光纤延迟线、光放大器、窄带滤波器和可以正向或反向移频的特殊移频配置及其驱动器，最终输出脉冲式双向声光频率梳，再经过光放大器、环形器及光准直器后输出至探测目标；目标回波信号通过光纤耦合器与单频种子激光合束，得到多外差拍频信号，从而实现运动目标的微多普勒振动测量。本发明的有利之处在于可以在较低的探测带宽下得到包含高速运动目标微多普勒振动信息的中频信号，从而精确反演高速运动目标的振动特性。

Description

一种基于双向声光频率梳的微多普勒振动测量系统及方法

技术领域

本发明涉及多普勒振动测量和声光频率梳的产生技术，特别涉及一种基于双向声光频率梳的微多普勒振动测量系统及方法。

背景技术

激光多普勒振动检测技术是一种基于多普勒效应的非接触式、高分辨率、高精度的振动检测技术。该技术已经在航空航天、生物医学、精密加工和超声检测等领域得到了广泛的应用。其基本原理是利用振动目标回波信号的多普勒效应，反演目标在激光照射方向的振动特性。在实际测量中，经常需要对运动目标进行测量，这会使得目标振动的微多普勒信号叠加在目标宏观运动的多普勒频移信号中。此时的回波信号在频域将会呈现出以目标宏观运动的多普勒频移为中心的边带调制现象。通过对该边带调制信号的建模与反演，可以得到目标的振动和转动等微运动信息。然而对于一些高速运动的目标，其多普勒频移量可以达到GHz量级。此时，为了分辨目标宏观多普勒频移中心附近的微多普勒边带调制信号，需要探测系统具有很高的带宽，包括高探测器带宽、高电路传输带宽和高数据处理速率等。通过使用声光频率梳作为激光光源可以降低对系统探测带宽的需求。声光频率梳输出具有等频率间隔的窄线宽激光作为探测光源，其频率间隔在kHz量级至百MHz量级，覆盖带宽能够达到几十GHz。因此，使用声光频率梳作为探测光源时，高速运动目标的回波信号与单频种子激光拍频得到的是多外差拍频信号，即每个声光频率梳梳齿频率与种子激光的拍频，其中任一拍频信号包含了完整的目标运动和振动信息。从而只需提取其中频率较低的中低频信号就可以反演得到高速运动目标的振动信息，大大降低了对探测系统的带宽需求。然而，传统的声光频率梳都是通过对单频种子激光循环移频得到的，其带宽相对于种子激光的频率向正移频或负移频方向中的某一个方向延伸。由于多普勒频移的方向性，这使得传统的声光频率梳只能降低对某一个方向运动的目标测量的探测带宽需求，大大限制了其实际应用范围。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于双向声光频率梳的微多普勒振动测量系统及方法，使用基于双向移频的声光频率梳作为探测光源，不仅能够降低高速运动目标微多普勒振动测量的探测带宽需求，还解决了现有声光频率梳只能探测沿某一个方向高速运动的目标的问题。

本发明系统如图1所示，包括单频种子激光器1、第一光纤耦合器2、强度调制器3、第二光纤耦合器4、光纤延迟线5、第一光放大器6、窄带滤波器7、第一声光调制器8、第二声光调制器9、声光调制器驱动器10、第二光放大器11、环形器12、光准直器13、第三光纤耦合器14、平衡光电探测器15、数据采集和处理模块16；其中单频种子激光器1作为种子激光，由光纤耦合输出至第一光纤耦合器2，其输出中的一路作为参考光输出至第三光纤耦合器14，另一路经强度调制器3后，输出至第二光纤耦合器4，经第二光纤耦合器4之后，激光能量的一部分直接输出至第二光放大器11，另一部分进入移频回路；移频回路中，激光从第二光纤耦合器4输出，经光纤延迟线5，注入第一光放大器6进行放大，放大后的激光经窄带滤波器7滤除杂光，再输入至第一声光调制器8，其输出0级光和+1级光，分别与第二声光调制器(9)的-1级和0级输入相连，或第一声光调制器8输出0级光和-1级光，第二声光调制器9输入+1级光和0级光，分别与第一声光调制8的0级和-1级输出相连；通过声光调制器驱动器10的驱动信号控制激光移频方向，经过移频之后的激光由第二声光调制器9输出，再与第二光纤耦合器4连接形成完整回路，经过循环移频之后输出光频梳；光频梳注入第二光放大器11进行放大，再通过环形器12，经由光准直器13输出，照射探测目标，激光经探测目标散射，由光准直器13收集回波信号，反向进入环形器12，传输至第三光纤耦合器14，与第一光纤耦合器2输出的参考光合束，输出至平衡光电探测器15，平衡光电探测器15输出的拍频信号由数据采集和处理模块16采集并反演得到目标振动信息。

所述系统中，单频种子激光器1输出窄线宽连续激光，其线宽小于1MHz；

所述系统中，强度调制器3采用声光调制器、电光调制器或机械开关调制器；

所述移频回路中，光纤延迟线5的光纤长度在0km–10km之间可变。

该一种基于双向声光频率梳的微多普勒振动测量系统的振动测量方法的步骤如下：

1、双向声光频率梳的产生

单频种子激光器1作为种子激光，通过第一光纤耦合器2，其输出中的一路作为参考光输出至第三光纤耦合器14，另一路输出至强度调制器3；通过强度调制器3调制后的激光是脉冲激光或连续激光，当强度调制器3处于常开状态时，输出为连续光；当强度调制器3处于脉冲调制状态时，输出为脉冲光；经调制后的激光通过第二光纤耦合器4，激光能量的一部分直接输出至第二光放大器11，另一部分进入移频回路；在移频回路中，激光首先通过光纤延迟线5；对于连续激光注入，光纤延迟线5的长度设置为0km或者调整其长度使移频回路引入的相位延迟是2π的整数倍，即令双向声光频率梳中的所有频率能够相干叠加，从而使得移频回路最终输出脉冲激光；对于脉冲激光注入，光纤延迟线5令脉冲在时域上引入一个延迟，从而与后续脉冲在时域上分离，最终输出脉冲激光；激光经过延迟后进入第一光放大器6，补偿回路中的损耗，再经窄带滤波器7滤除杂光并限制声光频率梳的带宽，然后通过第一声光调制器8和第二声光调制器9，使其频率产生固定的偏移；当声光调制器驱动器10的驱动信号开启第一声光调制器8并且关闭第二声光调制器9时，激光输入第一声光调制器8，能够经0级和+1级输出，再分别输入至第二声光调制器9的-1级和0级，此时第二声光调制器9处于关闭状态，只能通过0级光，因而最终输出+1级正移频激光；当声光调制器驱动器10的驱动信号关闭第一声光调制器8并且开启第二声光调制器9时，激光输入第一声光调制器8，只能经0级输出，再输入至第二声光调制器9的-1级，因而最终输出-1级负移频激光；或使用的是第一声光调制器8输出0级光和-1级光，第二声光调制器9输入+1级光和0激光时，其控制移频方向的原理相同，但此时开启第一声光调制器8并且关闭第二声光调制器9输出-1级负移频激光，而关闭第一声光调制器8并且开启第二声光调制器9输出+1级正移频激光；移频后的激光回到第二光纤耦合器4，输出一部分移频后的激光能量，剩余能量再经回路的时间延迟、放大、滤波和移频过程；通过控制强度调制器3和声光调制器驱动器10，使得初始种子激光频率经过多次正移频循环和反移频循环，最后输出时域上呈脉冲形式，频率上相对于种子激光频率沿双向等间隔移频的双向声光频率梳；

2、激光功率放大及高速运动目标的微多普勒振动信息采集

输出激光注入第二光放大器11中进行功率放大，经过环形器12后输出至光准直器13，从而发射至自由空间，照射探测目标，目标回波信号再次由光准直器13收集，反向进入环形器12，输出至第三光纤耦合器14，然后与第一光纤耦合器2分出的一部分光合束，通过平衡光电探测器15接收，探测器的输出信号经由数据采集和处理模块16采集、存储和反演；

3、目标微多普勒振动信息反演

由数据采集和处理模块(16)采集和存储的信息，通过反演可以得到目标微多普勒振动信息；对于连续光注入移频回路得到的脉冲输出，其为双向声光频率梳中所有频率的相干叠加，因此在采集一段时间的信号之后，对时域拍频信号做傅里叶变换可以得到输出的双向声光频率梳的梳齿频率与单频种子激光的多外差拍频信号，每个拍频信号均包含了完整的振动信息，在较低的探测带宽下，只需分析其中频率较低的中频信号，即可得到目标的微多普勒振动信息；对于脉冲注入移频回路得到的双向声光频率梳，时域上的一个脉冲对应于频域上的一个频率，因此，对于高速运动的微多普勒振动测量时，可以通过直接提取其中某一个脉冲与种子激光的拍频，即可在较低的探测带宽下反演得到目标的微多普勒振动信息。

本发明基于双向声光频率梳实现了对高速运动目标的微多普勒振动测量，该方法通过在移频回路中构建特殊的移频配置，实现了相对于种子激光频率的双向频率梳齿的产生，其频率覆盖范围可以达到±10GHz以上，频率间隔可以通过调整第一声光调制器8和第二声光调制器9的调制频率改变，因此，使用该双向声光频率梳作为探测光源时，能够适应不同目标的探测需求，尤其是可以大大降低对高速运动目标微多普勒振动测量的带宽需求；并且相对于种子激光的双向移频，能够实现对接近和远离探测系统两个方向的运动目标的探测，因此能够对目标微多普勒振动信号精确采集，从而反演目标的振动信息。

本发明的目的是提供一种基于双向声光频率梳的微多普勒振动测量系统及方法，可以应用于高速运动目标的微多普勒振动测量技术，该发明的有益效果在于：

1)实现了相对于种子激光的双向移频，并且移频带宽足够高，移频间隔可调；

2)实现了基于双向声光频率梳的高速运动目标微多普勒振动测量；

3)降低了对于高速运动目标的微多普勒振动测量的带宽需求；

4)保证了对于不同运动方向的目标探测的适应性。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图，图中：1——单频种子激光器；2——第一光纤耦合器；3——强度调制器；4——第二光纤耦合器；5——光纤延迟线；6——第一光放大器；7——窄带滤波器；8——第一声光调制器；9——第二声光调制器；10——声光调制器驱动器；11——第二光放大器；12——环形器；13——光准直器；14——第三光纤耦合器；15——平衡光电探测器；16——数据采集和处理模块。

具体实施方式

下面结合附图和一个1530nm波段的基于脉冲注入的双向声光频率梳的运动目标微多普勒振动测量实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明中所采用的主要器件描述如下：

1、种子激光1：中心波长1529.55nm的稳频分布反馈式激光二极管(FRL-15DCWD-A81-19600-C，FITEL)，光纤耦合输出。

2、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器4、第三光纤耦合器14：为RUIK公司生产，分光比分别为90:10、50:50、50:50。

3、光纤延迟线5：为约1km长的PM1550保偏光纤。

4、窄带滤波器7、环形器12、光准直器13：为RUIK公司生产，窄带滤波器带宽100GHz；光准直器输出光斑大小约7mm。

5、平衡光电探测器15：探测带宽400MHz的平衡光电探测器(PDB470C，Thorlabs)。

6、数据采集和处理模块16：使用示波器(DSOV134A，KEYSIGHT)采集数据以及个人计算机处理数据。

7、其他器件为定制器件：强度调制器3为声光强度调制器，第一声光调制器8和第二声光调制器9使用的是声光频率调制器，调制频率分别为+1级100MHz，-1级-100MHz，声光调制器驱动器10为配套驱动器，其控制信号由一个双通道任意波形发生器(DG5352，RIGOL)输出；第一光放大器6和第二光放大器11为自制的光纤放大器；探测目标使用一个固定在平移台上的正弦振动目标，作为实验室的演示实验，无法获得高速运动目标，其平动速度仅为0.2m/s。

本发明方法示意图如图1所示。具体情况描述如下：

1、双向声光频率梳的产生

单频种子激光器1作为种子激光，通过第一光纤耦合器2，其输出能量的10％作为参考光输出至第三光纤耦合器14，剩余90％的能量输入至强度调制器3，经强度调制后输出周期性的脉冲光，输入至第二光纤耦合器4，通过第二光纤耦合器4，激光能量的50％直接输出至第二光放大器11，剩余能量进入移频回路；在移频回路中，激光首先通过约1km长的光纤延迟线5，在时域上引入一个延迟，经过延迟后的激光进入第一光放大器6，补偿回路中的损耗，再经窄带滤波器7滤除杂光，然后通过第一声光调制器8和第二声光调制器9，使其频率产生偏移；采用先正向循环移频再反向循环移频的方式，由声光调制器驱动器10的驱动信号开启第一声光调制器8并且关闭第二声光调制器9，脉冲正移频100MHz输出，移频后的脉冲最后回到第二光纤耦合器4，再次输出50％的脉冲能量，剩余能量再经回路的时间延迟、放大、滤波和正频移程序，经过指定次数的正移频循环之后，此时由强度调制器3再次向移频回路中注入初始频率的种子脉冲，在回路中经历时间延迟、放大、滤波以及负移频(由声光调制器驱动器10的驱动信号关闭第一声光调制器8并且开启第二声光调制器9，脉冲负移频100MHz)，经过指定次数的负移频循环之后，输出为一个完整的双向声光频率梳。

2、激光功率放大及运动目标的微多普勒振动测量

输出的双向声光频率梳注入第二光放大器11中进行功率放大，经过环形器12后输出至光准直器13，发射至探测目标，照射目标，激光经目标散射后，其回波信号再次由光准直器13收集，反向进入环形器12，输出至第三光纤耦合器14，然后与第一光纤耦合器2分出的一部分光合束，通过平衡光电探测器15探测，由数据采集和处理模块16中的示波器采集、存储信号，由计算机对信号进行滤波和傅里叶变换等反演过程，即可得到目标的振动特性。

综上所述，该系统可以对运动目标的微多普勒振动进行测量。又因为本发明产生的双向声光频率梳的频率相对于种子激光频率双向移频，频率覆盖范围和频率间隔可调，因此可以适用于不同运动方向的目标，能够实现对高速运动目标微多普勒振动的测量。

Claims (5)

1.一种基于双向声光频率梳的微多普勒振动测量系统，包括单频种子激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、强度调制器(3)、第二光纤耦合器(4)、光纤延迟线(5)、第一光放大器(6)、窄带滤波器(7)、第一声光调制器(8)、第二声光调制器(9)、声光调制器驱动器(10)、第二光放大器(11)、环形器(12)、光准直器(13)、第三光纤耦合器(14)、平衡光电探测器(15)、数据采集和处理模块(16)，其特征在于：

单频种子激光器(1)发出的激光输出至第一光纤耦合器(2)，其输出中的一路作为参考光输出至第三光纤耦合器(14)，另一路经强度调制器(3)后，输出至第二光纤耦合器(4)，经第二光纤耦合器(4)之后，一部分激光直接输出，另一部分激光进入移频回路；移频回路中，激光经光纤延迟线(5)，注入第一光放大器(6)进行放大，放大后的激光经窄带滤波器(7)滤除杂光，再导入第一声光调制器(8)，输出0级光和+1级光，分别与第二声光调制器(9)的-1级和0级输入相连，或第一声光调制器(8)输出0级光和-1级光，第二声光调制器(9)输入+1级光和0激光，分别与第一声光调制器(8)的0级和-1级输出相连；通过声光调制器驱动器(10)的驱动信号控制激光移频方向，经过移频之后的激光由第二声光调制器(9)输出，与第二光纤耦合器(4)连接形成完整回路，经过指定次数的正移频循环和负移频循环之后输出双向声光频率梳；双向声光频率梳注入第二光放大器(11)进行放大，再通过环形器(12)，经由光准直器(13)输出，照射探测目标，激光经探测目标散射，由光准直器(13)收集回波信号，再反向进入环形器(12)，传输至第三光纤耦合器(14)，与第一光纤耦合器(2)输出的参考光合束，输出至平衡光电探测器(15)，其输出的多外差拍频信号由数据采集和处理模块(16)采集并反演得到目标振动信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于双向声光频率梳的微多普勒振动测量系统，其特征在于：所述的单频种子激光器(1)输出窄线宽连续激光，其线宽小于1MHz。

3.根据权利要求1所述的一种基于双向声光频率梳的微多普勒振动测量系统，其特征在于：所述的强度调制器(3)采用声光调制器、电光调制器或机械开关调制器。

4.根据权利要求1所述的一种基于双向声光频率梳的微多普勒振动测量系统，其特征在于：所述的光纤延迟线(5)的光纤长度在0km–10km之间可变。

5.一种基于权利要求1所述的一种基于双向声光频率梳的微多普勒振动测量系统的振动测量方法，其特征在于方法步骤如下：

1)双向声光频率梳的产生

单频种子激光器(1)作为种子激光，通过第一光纤耦合器(2)，其输出中的一路作为参考光输出至第三光纤耦合器(14)，另一路经强度调制器(3)；通过强度调制器(3)调制后的激光是脉冲激光或连续激光，当强度调制器(3)处于常开状态时，为连续光输入至第二光纤耦合器(4)，当强度调制器(3)处于脉冲调制状态时，是脉冲光输入至第二光纤耦合器(4)；通过第二光纤耦合器(4)，其激光能量的一部分直接输出至第二光放大器(11)，另一部分进入移频回路；移频回路中，激光首先通过光纤延迟线(5)；对于连续激光注入，光纤延迟线(5)的长度设置为0km或调整其长度使移频回路引入的相位延迟是2π的整数倍，即令双向声光频率梳中的所有频率能够相干叠加，使移频回路最终输出相干增强的周期性脉冲激光；对于脉冲激光注入，光纤延迟线(5)使脉冲在时域上引入一个延迟，从而与后续脉冲在时域上分离，最终输出周期性脉冲激光；经过延迟后激光进入第一光放大器(6)，再经窄带滤波器(7)滤除杂光及限制带宽，然后通过第一声光调制器(8)和第二声光调制器(9)，使其频率产生固定的偏移，通过设置声光调制器驱动器(10)的驱动信号控制激光频率偏移方向；当声光调制器驱动器(10)的驱动信号开启第一声光调制器(8)并且关闭第二声光调制器(9)时，激光输入第一声光调制器(8)，经0级和+1级输出，再分别输入至第二声光调制器(9)的-1级和0级，此时第二声光调制器(9)处于关闭状态，只能通过0级光，因而最终输出+1级正移频激光；当声光调制器驱动器(10)的驱动信号关闭第一声光调制器(8)并且开启第二声光调制器(9)时，激光输入第一声光调制器(8)，只能经0级输出，再输入至第二声光调制器(9)的-1级，因而最终输出-1级负移频激光；或使用第一声光调制器(8)输出0级光和-1级光，第二声光调制器(9)输入+1级光和0激光时，开启第一声光调制器(8)并且关闭第二声光调制器(9)输出-1级负移频激光，关闭第一声光调制器(8)并且开启第二声光调制器(9)输出+1级正移频激光；移频后的激光回到第二光纤耦合器(4)，输出一部分激光能量，剩余能量再经回路的时间延迟、放大、滤波和移频过程，经过多次正移频循环和反移频循环之后输出相对于种子激光频率的双向声光频率梳；

2)激光功率放大及高速运动目标的微多普勒振动信息采集

输出的双向声光频率梳在时域上为周期性的脉冲，将输出激光注入第二光放大器(11)中进行功率放大，经过环形器(12)后输出至光准直器(13)，从而发射至自由空间，照射探测目标，目标散射的回波信号再次由光准直器(13)收集，反向进入环形器(12)，输出至第三光纤耦合器(14)，然后与第一光纤耦合器(2)分出的参考光合束，通过平衡光电探测器(15)接收，探测器的输出信号经由数据采集和处理模块(16)采集、存储和反演；

3)目标微多普勒振动信息反演

由数据采集和处理模块(16)采集和存储的信息，通过反演得到目标微多普勒振动信息；对于连续光注入移频回路得到的脉冲输出，其为双向声光频率梳中所有频率的相干叠加，因此在采集一段时间的信号之后，对时域拍频信号做傅里叶变换得到输出的双向声光频率梳的梳齿频率与单频种子激光的多外差拍频信号，每个拍频信号均包含了完整的振动信息，在较低的探测带宽下，只需分析其中频率较低的中频信号，即可得到目标的微多普勒振动信息；对于脉冲注入移频回路得到的双向声光频率梳，时域上的一个脉冲对应于频域上的一个频率，因此通过直接提取某个脉冲与种子激光的拍频，反演得到目标的微多普勒振动信息。

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