CN114152778B - 基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置及方法 - Google Patents

基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置及方法，主要解决现有技术难以满足较高速度测量范围的激光多普勒测速仪的检测和校准的问题。该校准装置包括铌酸锂调制器、射频信号放大器、信号源、光纤隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器和光纤扩束器。该装置和方法通过模拟多普勒信号的方法生成标准速度，根据标准速度和测量速度即可得到测量精度，被检测的激光多普勒测速仪进行校准，理论最高可模拟的标准速度超过10km/s。

Description

基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置及方法
技术领域
本发明属于激光多普勒速度、加速度、振动和位移测量领域，具体涉及一种基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置及方法，用于对激光多普勒测速仪实现高精度、溯源和操作简便的检测和校准。
背景技术
激光多普勒测速技术是一种基于光学多普勒效应的高精度非接触式速度测量技术，同时基于测速数据，可进行加速度、振动和位移量的间接测量，具有测量精度高、非接触和抗电磁干扰等优点，被广泛应用于各种场合。
激光多普勒测速仪使用时，需对其进行校准，激光多普勒测速仪的常规检测校准方法为：利用某种装置生成一个标准速度源，通过激光多普勒测速仪测量标准速度源的运动速度，通过标准速度与实测速度的对比，对激光多普勒测速仪的速度测量精度进行评估。
常见的标准速度生成装置包括两种：一种是在直线导轨上对物体进行加速，使其保持匀速直线运动；二是利用角速度与线速度之间的关系，通过转动电机转动，得到一个较为稳定的线速度。这两种标准速度生成装置的主要弊端为可模拟的标准速度较低，第一种方式可模拟的标准速度不超过1m/s，第二方式可模拟的标准速度不超过50m/s。由于以上两种标准速度生成装置产生的标准速度较低，难以满足较高速度测量范围的激光多普勒测速仪的检测和校准。
发明内容
为解决现有技术难以满足较高速度测量范围的激光多普勒测速仪的检测和校准的问题，本发明为激光多普勒测速仪的检测和校准提供一种高精度、可溯源和操作简便的检测校准装置及方法。本发明方法通过模拟多普勒信号的方法生成标准速度，根据标准速度和测量速度即可得到测量精度，被检测的激光多普勒测速仪进行校准，理论最高可模拟的标准速度超过10km/s。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置，包括铌酸锂调制器、射频信号放大器、信号源、光纤隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器和光纤扩束器；待检测激光多普勒测速仪设置在光纤扩束器的一端，所述光纤扩束器的另一端与第一光纤耦合器的一端通过光纤连接，用于将光纤内的光束准直为空间中传播的光束，或将空间中传播的光束耦合进光纤内进行传输；所述第一光纤耦合器的另一端与第二光纤耦合器的一端连接，同时通过光纤隔离器与第三光纤耦合器的一端连接；所述第二光纤耦合器的另一端分别与第三光纤耦合器的另一端以及铌酸锂调制器连接，且第三光纤耦合器的另一端同时与铌酸锂调制器连接；所述信号源通过射频信号放大器与铌酸锂调制器连接，用于产生调制铌酸锂调制器的调制电信号。
进一步地，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器为1×2光纤耦合器或2×2光纤耦合器。
进一步地，所述光纤为单模光纤。
进一步地，所述射频信号放大器通过电信号传输线与信号源连接。
同时，本发明还提供一种基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准方法，包括以下步骤：
步骤一、待检测激光多普勒测速仪发出一束测量激光光束；
步骤二、步骤一中的测量激光光束被光纤扩束器接收，耦合进光纤内进行传输；
步骤三、将光纤内传输的光束为两束，分别为第一光束、第二光束；所述第一光束再次被分为两束，分别为第三光束和第四光束；所述第二光束被隔离而无法传输；所述第三光束进入铌酸锂调制器，第四光束沿光纤传输至第三光纤耦合器；
步骤四、进入铌酸锂调制器的第三光束被进行相位调制；
步骤五、被施加相位调制后的第三光束和沿光纤传输的第四光束在第三光纤耦合器发生干涉；
步骤六、干涉后的光信号继续沿光纤传输，随后将在光纤内的光束准直为空间中传播的光束，并发射向待检测激光多普勒测速仪，此时再发射的信号已经携带了频率信息，其信号的频率即为信号源所发出的频率f；
步骤七、根据激光多普勒测速仪的速度测量原理，频率为f的干涉光信号对应的标准速度为；
Figure BDA0003430298970000031
其中：v0表示标准速度，λ表示激光波长：
步骤八、待检测激光多普勒测速仪接收到频率为f的干涉信号后，测量得到对应的速度值为v1，此时，待检测激光多普勒测速仪的速度测量精度Δv＝v1-v0，采用Δv对待检测激光多普勒测速仪进行校准。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.可模拟的速度范围广：铌酸锂调制器、射频信号放大器的最大带宽可达20GHz，高性能信号源的最大带宽可达20-30GHz，因此通过本发明装置和方法可模拟的标准速度可高达8km/s以上，能够满足绝大多数激光多普勒测速仪的检测和校准。
2.溯源性好：本发明装置和方法通过模拟多普勒信号生成标准速度，多普勒信号的频率由信号源生成，经射频信号放大器放大，最终对铌酸锂调制器进行调制，这三个器件均可溯源至频率国家标准，即以上三种器件定期进行频率检定，即可保证本发明方法具有较高的检测及校准精度。
3.结构简单：利用直线导轨生成较高的标准速度时，需考虑加速、匀速和减速过程，需要较长的导轨长度，操作复杂；利用转动电机生成较高的标准速度时，电机转速受到较大限制，且高转速电机具有一定的危险性。本发明方法通过模拟多普勒信号的方法生成标准速度，无需大规模的运动机构，在普通试验室即可完成对激光多普勒测速仪的检测或校准。
附图说明
图1为本发明基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置示意图。
附图标记：1-待检测激光多普勒测速仪，2-激光光束，3-光纤扩束器，4-第一光纤耦合器，5-光纤，6-光纤隔离器，7-铌酸锂调制器，8-射频信号放大器，9-电信号传输线，10-信号源，11-第二光纤耦合器，13-第三光纤耦合器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置包括铌酸锂调制器7、射频信号放大器8、信号源10、光纤隔离器6、第一光纤耦合器4、第二光纤耦合器11、第三光纤耦合器12和光纤扩束器3。待检测激光多普勒测速仪1设置在光纤扩束器3的一端，光纤扩束器3的另一端与第一光纤耦合器4的一端通过光纤5连接，用于将光纤5内的光束准直为空间中传播的光束，或将空间中传播的光束耦合进光纤5内进行传输。第一光纤耦合器4的另一端与第二光纤耦合器11的一端连接，同时通过光纤隔离器6与第三光纤耦合器12的一端连接；第二光纤耦合器11的另一端分别与第三光纤耦合器12的另一端以及铌酸锂调制器7连接，且第三光纤耦合器12的另一端同时与铌酸锂调制器7连接。
上述信号源10通过射频信号放大器8与铌酸锂调制器7连接，信号源10用于产生调制铌酸锂调制器7的调制电信号；射频信号放大器8用于将信号源10发出的调制电信号放大后，加载在铌酸锂调制器7上，使其能够正常工作；铌酸锂调制器7用于对光纤5内的光信号进行调制。具体的，信号源10通过电信号传输线9与射频信号放大器8，电信号传输线9用于传输调制电信号。
上述光纤扩束器3具体可为光纤扩束镜、光纤准直镜或光纤准直器，主要用于将在光纤5内的光束准直为空间中传播的光束，或将空间中传播的光束耦合进光纤5内进行传输。
上述第一光纤耦合器4、第二光纤耦合器11、第三光纤耦合器12为1×2光纤5耦合器或2×2光纤5耦合器，第一光纤耦合器4、第二光纤耦合器11和第三光纤耦合器13的结构完全相同，也可以不同，主要作用是将在一根光纤5中传输的光束分为两束，分别在两根光纤5内传输。光纤5具体可为单模光纤，用于传输光信号。
上述光纤隔离器6用于隔离光纤5内某个方向的光束传播，使光纤5中的光信号仅能单向传播，此处的光纤隔离器6使该段光纤5内的光信号仅能由第三光纤耦合器12向第一光纤耦合器4传输，而无法反向传输。
本发明提供一种基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准方法，具体包括以下步骤：
步骤一、待检测激光多普勒测速仪1发出一束测量激光光束2；
步骤二、光纤扩束器3接收到待检测激光多普勒测速仪1的测量激光光束2，并耦合进光纤内传输；
步骤三、第一光纤耦合器4将光纤内的光束分为两路，分别为第一光束、第二光束；第一光束进入第二光纤耦合器11，第二光束进入光纤隔离器6，其中进入光纤隔离器6的第二光束将被隔离而无法传输；第二光纤耦合器11将光纤5内的第一光束再分为两路，分别为第三光束和第四光束，第三光束进入铌酸锂调制器7，第四光束沿光纤5正常传导；
步骤四、进入铌酸锂调制器7的第三光束被进行了相位调制，其信号可表示为：
Figure BDA0003430298970000061
其中，E1表示激光振幅，ω1表示多普勒测速仪发射的激光角频率，
Figure BDA0003430298970000066
表示铌酸锂调制器7所施加的相位调制量，f表示铌酸锂调制器7所施加相位调制量的频率，该信号由信号源10发出，经射频信号放大器8放大后加载在铌酸锂调制器7上，t表示时间；e1表示光波；
步骤五、被施加相位调制后的第三光束和沿光纤5传输的第四光束在第三光纤耦合器13将发生干涉，干涉后的光信号I(t)可表示为：
Figure BDA0003430298970000062
其中，E2表示沿光纤5传输的激光振幅，ω2表示沿光纤5传输的激光角频率，
Figure BDA0003430298970000063
表示光纤5传输的激光信号的相位；
由于第三光纤耦合器12分束后不改变其内传输激光信号的角频率，因此认为ω1＝ω2，未经铌酸锂调制器7调制的激光信号相位变化极低，因此近似认为
Figure BDA0003430298970000067
根据这些近似，干涉后的光信号I(t)可表示为：
Figure BDA0003430298970000064
其中，
Figure BDA0003430298970000065
其中，A表示光波中的直流分量，主要由于其频率过高，探测器无法识别，因此表达为直流信号，B表示光波中的交流分量，由于其频率较低，探测器可识别，因此表达为带有一定频率的交流信号；
步骤六、干涉后的信号继续沿光纤5传输，通过光纤隔离器6后传输至第一光纤耦合器4，最终由光纤扩束器3扩束后重新进入空间传输，并发射向激光多普勒测速仪，此时再发射的信号已经携带了频率信息，其信号的频率即为信号源10所发出的频率f；
步骤七、根据激光多普勒测速仪的速度测量原理，频率为f的干涉光信号对应的标准速度为：
Figure BDA0003430298970000071
其中，v0表示标准速度，λ表示激光波长，f表示干涉光信号所携带的频率；
步骤八、待检测激光多普勒测速仪1接收到频率为f的干涉信号后，测量得到对应的速度值为v1，因此待检测激光多普勒测速仪1的速度测量精度为Δv＝v1-v0，采用速度测量精度Δv对待检测激光多普勒测速仪1进行校准即可。

Claims (7)

1.一种基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置，其特征在于：包括铌酸锂调制器(7)、射频信号放大器(8)、信号源(10)、光纤隔离器(6)、第一光纤耦合器(4)、第二光纤耦合器(11)、第三光纤耦合器(12)和光纤扩束器(3)；
待检测激光多普勒测速仪(1)设置在光纤扩束器(3)的一端，所述光纤扩束器(3)的另一端与第一光纤耦合器(4)的一端通过光纤(5)连接，用于将光纤(5)内的光束准直为空间中传播的光束，或将空间中传播的光束耦合进光纤(5)内进行传输；
所述第一光纤耦合器(4)的另一端与第二光纤耦合器(11)的一端连接，同时通过光纤隔离器(6)与第三光纤耦合器(12)的一端连接；
所述第二光纤耦合器(11)的另一端分别与第三光纤耦合器(12)的另一端以及铌酸锂调制器(7)连接，且第三光纤耦合器(12)的另一端同时与铌酸锂调制器(7)连接；
所述信号源(10)通过射频信号放大器(8)与铌酸锂调制器(7)连接，用于产生调制铌酸锂调制器(7)的调制电信号。
2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置，其特征在于：所述第一光纤耦合器(4)、第二光纤耦合器(11)、第三光纤耦合器(12)为1×2光纤耦合器或2×2光纤耦合器。
3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置，其特征在于：所述光纤(5)为单模光纤。
4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置，其特征在于：所述射频信号放大器(8)通过电信号传输线(9)与信号源(10)连接。
5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置，其特征在于：所述光纤扩束器(3)具体为光纤扩束镜、光纤准直镜或光纤准直器。
6.一种采用权利要求1-5任一所述的基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、待检测激光多普勒测速仪(1)发出一束测量激光光束(2)；
步骤二、步骤一中的测量激光光束(2)被光纤扩束器(3)接收，耦合进光纤内进行传输；
步骤三、将光纤内传输的光束为两束，分别为第一光束、第二光束；所述第一光束再次被分为两束，分别为第三光束和第四光束；所述第二光束被隔离而无法传输；所述第三光束进入铌酸锂调制器(7)，第四光束沿光纤传输至第三光纤耦合器(12)；
步骤四、进入铌酸锂调制器(7)的第三光束被进行相位调制；
步骤五、被施加相位调制后的第三光束和沿光纤传输的第四光束在第三光纤耦合器(12)发生干涉；
步骤六、干涉后的光信号继续沿光纤传输，随后将在光纤内的光束准直为空间中传播的光束，并发射向待检测激光多普勒测速仪，此时再发射的信号已经携带频率信息，其信号的频率即为信号源所发出的频率f；
步骤七、根据激光多普勒测速仪的速度测量原理，频率为f的干涉光信号对应的标准速度为；
Figure FDA0003718664630000021
其中：v0表示标准速度，λ表示激光波长：
步骤八、待检测激光多普勒测速仪(1)接收到频率为f的干涉信号后，测量得到对应的速度值为v1，此时，待检测激光多普勒测速仪(1)的速度测量精度Δv＝v1-v0，采用Δv对待检测激光多普勒测速仪(1)进行校准。
7.根据权利要求6所述的基于铌酸锂调制器的激光多普勒测速仪的校准装置的校准方法，其特征在于：第一光纤耦合器(4)、第二光纤耦合器(11)、第三光纤耦合器(12)为1×2光纤耦合器或2×2光纤耦合器。
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