CN114265079A

CN114265079A - 一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统

Info

Publication number: CN114265079A
Application number: CN202111593374.5A
Authority: CN
Inventors: 曾小龙; 张世伟; 王志远; 郭顺和; 范端; 罗胜年
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2041-12-23
Also published as: CN114265079B

Abstract

本发明公开了一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统，涉及激光干涉测速领域，包括第一光纤激光器、第二光纤激光器、分光器组件、信号延迟放大模块、信号控制模块、光电探测器组件，信号采集与处理模块；工作时，信号延迟放大模块将在被测运动物体上生成的具有多普勒频移的散射光信号进行延迟放大处理，得到多路且具有不同光程差的放大后的散射光信号；信号控制模块将多路放大后的散射光信号整合为一路目标信号，同时关闭无用光信号通道；光电探测器组件根据第二光纤激光器产生的参考光信号和目标信号，生成带有光源相位信息的拍频干涉信号，并根据此拍频干涉信号，计算被测运动物体的速度。本发明能够降低信号干扰，提高信号测量精度。

Description

一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统

技术领域

本发明涉及激光干涉测速技术领域，特别是涉及一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统。

背景技术

多普勒测速装置是基于多普勒效应原理对产生多普勒频移的光波进行偏移频率测量的测速装置，具有非接触测量、时间分辨率高、测速精度高及测量动态范围大等优点。目前在激光干涉测速技术领域中，普遍采用双光束双散射光路结构，激光器发出的激光经过光纤耦合器后被分成两束，一束作为参考光通过光纤耦合器直接进入探测器，另一束作为信号光通过探头照射到待测运动物体表面，信号光随着待测物体移动产生多普勒频移，通过信号采集装置将产生多普勒频移的信号光传输至光纤耦合器，并经过光纤耦合器后入射到探测器。参考光和产生频移的信号光因依次进入探测器，存在光程差，产生拍频干涉信号。通过探测器将收集的信号传入示波器并记录波形信号，再将波形信号传入计算机，最后进行信号处理就可以计算出运动物体的速度。

仍然存在以下缺点：

1.光信号经信号采集装置中的光纤延迟后，在传输过程中会产生不同程度的衰减。信号强度过弱会导致探测器无法采集到准确的信号信息，影响信号测量。

2.光信号经延迟放大后直接进入光纤合束器整合，不能实时关闭无用光信号通道，存在光噪声干扰，影响输出信号的一致性。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统，降低信号干扰，提高信号测量精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统，包括第一光纤激光器、第二光纤激光器、分光器组件、信号延迟放大模块、信号控制模块、光电探测器组件，以及信号采集与处理模块；所述信号延迟放大模块包括多个支路，且每个所述支路均包括延迟光纤以及与所述延迟光纤连接的掺铒光纤放大器；所述信号控制模块包括与每个所述掺铒光纤放大器连接的光路转换器件；其中，不同的所述支路具有不同长度的延迟光纤；

所述第一光纤激光器，用于产生光纤通信指定频率的连续波激光；

所述第二光纤激光器，用于产生光纤通信指定频率的连续波激光，形成参考光信号；

所述分光器组件，用于对所述第一光纤激光器产生的激光进行分束处理，形成多束信号光；所述信号光用于照射在被测运动物体上；

所述信号延迟放大模块，用于获取具有多普勒频移的散射光信号，并对所述具有多普勒频移的散射光信号进行延迟放大处理，得到多路放大后的散射光信号；不同路的放大后的散射光信号具有不同的光程差；所述具有多普勒频移的散射光信号为所述信号光照射在所述被测运动物体时产生的信号；

所述信号控制模块，用于将多路所述放大后的散射光信号整合为一路目标信号，同时关闭无用光信号通道；

所述光电探测器组件，用于根据所述第二光纤激光器产生的激光和获取的所述目标信号，生成带有光源相位信息的拍频干涉信号；

所述信号采集与处理模块，用于根据获取的所述带有光源相位信息的拍频干涉信号，计算所述被测运动物体的速度。

可选的，所述分光器组件包括光纤耦合器以及与所述光纤耦合器的输出端连接的多个光纤环形器；

所述光纤耦合器，用于对所述第一光纤激光器产生的激光进行分束处理，形成多束信号光；

所述光纤环形器，用于将所述信号光照射在所述被测运动物体上。

可选的，所述延迟光纤，用于对获取的具有多普勒频移的散射光信号进行延迟处理，得到延迟处理后的散射光信号；其中，不同的所述延迟光纤输出具有不同延迟时间的延迟处理后的散射光信号；

所述掺铒光纤放大器，用于对所述延迟处理后的散射光信号进行放大处理，得到放大后的散射光信号。

可选的，所述光路转换器件的个数与所述支路的个数相同。

可选的，所述光电探测器组件包括光电探测器、第一光纤合束器和第二光纤合束器；

所述第一光纤合束器，用于将所述目标信号发送至所述第二光纤合束器；

所述第二光纤合束器，用于：

获取所述第二光纤激光器产生的参考光信号；

将所述第二光纤激光器产生的参考光信号和所述目标信号发送至所述光电探测器；

所述光电探测器，用于根据所述第二光纤激光器产生的参考光信号和所述目标信号，生成带有光源相位信息的拍频干涉信号，并将所述带有光源相位信息的拍频干涉信号转化为目标电信号。

可选的，所述信号采集与处理模块包括：信号采集装置和数据处理装置；

所述信号采集装置，用于获取所述目标电信号，并将所述目标电信号转化成波形信号数据；

所述数据处理装置，用于对所述波形信号数据进行处理，得到所述被测运动物体的速度。

可选的，所述信号采集装置为示波器。

可选的，所述数据处理装置，用于利用数学软件对所述波数信号数据进行FFT处理，得到激光偏移频率与时间的线性关系，从而计算出所述被测运动物体的速度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1、本发明利用掺铒光纤放大器，对经光纤延迟后的散射光信号进行放大，有效解决了信号延迟后产生不同程度的衰减问题，提高了信号强度，从而使采集到的光强信息更加精确。

2、本发明采用信号控制模块将输入的多路光信号整合为一路输出，同时可以关闭无用光信号通道，消除光噪声干扰，提高了输出信号的一致性、信噪比、以及测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统的结构框图；

图2为本发明一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统的整体结构图；

图3为本发明信号频率谱示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明采用掺铒光纤放大器及光开关等器件，对以往的时分复用多普勒测速系统做优化。利用掺铒光纤放大器和延迟光纤将不同通道的回光延迟到不同的时刻点，并将光信号放大到可探测范围，有效解决了多路测量对探测系统的依赖，以及信号经光纤延迟后产生不同程度的衰减问题，提高了信号强度，使采集的光强信息更精确。同时利用光开关等光路转换器件，控制光信号输出，实现多路光信号输入，一路光信号输出的采集系统，从而提高采集信号的一致性，信噪比、以及测量精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供的一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统，包括第一光纤激光器、第二光纤激光器、分光器组件、信号延迟放大模块、信号控制模块、光电探测器组件，以及信号采集与处理模块；所述信号延迟放大模块包括多个支路，且每个所述支路均包括延迟光纤以及与所述延迟光纤连接的掺铒光纤放大器；所述信号控制模块包括与每个所述掺铒光纤放大器连接的光路转换器件；其中，不同的所述支路具有不同长度的延迟光纤。

所述第一光纤激光器，用于产生光纤通信指定频率的连续波激光。

所述第二光纤激光器，用于产生光纤通信指定频率的连续波激光，形成参考光信号。

所述分光器组件，用于对所述第一光纤激光器产生的激光进行分束处理，形成多束信号光；所述信号光用于照射在待测运动物体上。

所述信号延迟放大模块，用于获取具有多普勒频移的散射光信号，并对所述具有多普勒频移的散射光信号进行延迟放大处理，得到多路放大后的散射光信号；不同路的放大后的散射光信号具有不同的光程差；所述具有多普勒频移的散射光信号为所述信号光照射在所述被测运动物体时产生的信号。

所述信号控制模块，用于将多路所述放大后的散射光信号整合为一路目标信号，同时关闭无用光信号通道。

所述光电探测器组件，用于根据所述第二光纤激光器产生的激光和获取的所述目标信号，生成带有光源相位信息的拍频干涉信号。

优选地，本实施例所述的分光器组件包括光纤耦合器以及与所述光纤耦合器的输出端连接的多个光纤环形器。

所述光纤耦合器，用于对所述第一光纤激光器产生的激光进行分束处理，形成多束信号光。

优选地，本实施例所述的延迟光纤，用于对获取的具有多普勒频移的散射光信号进行延迟处理，得到延迟处理后的散射光信号；其中，不同的所述延迟光纤输出具有不同延迟时间的延迟处理后的散射光信号。

优选地，本实施例所述的光路转换器件的个数与所述支路的个数相同。

优选地，本实施例所述的光电探测器组件包括光电探测器、第一光纤合束器和第二光纤合束器。

所述第一光纤合束器，用于将所述目标信号发送至所述第二光纤合束器。

所述第二光纤合束器，用于：

获取所述第二光纤激光器产生的参考光信号；

将所述第二光纤激光器产生的参考光信号和所述目标信号发送至所述光电探测器。

进一步地，所述信号采集与处理模块包括：信号采集装置和数据处理装置。

所述信号采集装置，用于获取所述目标电信号，并将所述目标电信号转化成波形信号数据。

其中，所述信号采集装置为示波器。

所述数据处理装置，用于利用数学软件对所述波数信号数据进行FFT处理，得到激光偏移频率与时间的线性关系，从而计算出所述被测运动物体的速度。

实施例二

本实施例提供的一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统，如图2所示，包括：光纤激光器1，光纤激光器2，光纤耦合器3，光纤环形器4-1，光纤环形器4-2，光纤环形器4-3，…，光纤环形器4-n，运动物体5，信号延迟放大模块6，信号控制模块9，光纤合束器10，光纤合束器11，高频光电探测器12，信号采集装置13和数据处理装置14。

其中，信号采集装置13包括但不限于示波器，数据处理装置14包括但不限于计算机。

本实施例采用双路激光结构，光纤激光器1发出的激光经过光纤耦合器3后被分为多束，通过光纤环形器4-1，光纤环形器4-2，光纤环形器4-3，…，光纤环形器4-n，入射到运动物体5表面，产生具有多普勒频移的散射光信号，该散射光信号再经过光纤环形器后进入信号延迟放大模块6。

延迟光纤的长度包括但不限于简单的倍数关系，例如：延迟光纤7-1的长度为L，延迟线7-2的长度为2L，延迟线7-3的长度为3L，…，延迟线3-n的长度为nL。通过调节每一路散射光信号的光程差，可以精确控制每一路散射光信号之间的时间间隔。

如图3所示，若延迟线7-1的长度为2km，则0～t2的时间约为10微秒(此时间长短需要精确标定，以下时间同理)；若延迟线7-2的长度为4km，则t2～t4的时间为10微秒；若延迟线7-3的长度为6km，则t4～t6的时间为10微秒。根据需求不同，每一路散射光信号的时间间隔差可以为10～100微秒。

散射光信号经过不同长度的延迟光纤进行延迟后，会有不同程度的信号衰减，因此需要利用掺铒光纤放大器8(其中，EDFA，是英文“Erbium-doped OpticalFiberAmplifier”的缩写，称为即掺铒光纤放大器，是一种对信号光放大的有源光器件)对衰减信号进行放大，提高信号强度。从延迟光纤出来的散射光信号经过掺铒光纤放大器8放大后，得到放大后的散射光信号，并将放大后的散射光信号传输至信号控制模块9中。信号控制模块9可以实时控制放大后的散射光信号输出，将输入的多路放大后的散射光信号整合为一路放大后的散射光信号输出，同时可以关闭无用光信号通道，消除光噪声干扰。

其中，信号控制模块9包括但不限于MEMS光开关等光路转换器件。MEMS，是“Micro-Electro-Mechanical System”的缩写，是一种基于微机电系统实现光路转换的器件。

多路放大后的散射光信号经过信号控制模块9处理后传输至光纤合束器10中，光纤合束器10将一路放大后的散射光信号传输至光纤合束器11中，通过光纤合束器11整合后传输至高频光电探测器12中。

光纤激光器2发出的激光作为参考光信号，经过光纤合束器11后进入高频光电探测器12。由于参考光信号和一路放大后的散射光信号是分别依次进入高频光电探测器12中，存在光程差，故参考光信号与放大后的散射光信号会发生拍频干涉，生成带有光源相位信息的拍频干涉信号，通过高频光电探测器12将带有光源相位信息的拍频干涉信号转化为电信号并传输至信号采集装置13中以形成波形信号数据，波形信号数据经过处理后再通过信号采集装置13的模拟通道或数学通道传输至数据处理装置14中，并利用Simulink、Mathematica等数学软件进行FFT处理，将时域信号转化为频域信号，得到激光偏移频率与时间的线性关系，从而计算出运动物体的速度。

其中，FFT英文全称为fast Fouriertransform，称为快速傅立叶变换。

本发明公开了一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统，涉及激光干涉测速技术领域，包括：光纤激光器，光纤耦合器，光纤环形器，信号延迟放大模块，信号控制模块，光纤合束器，高频光电探测器，信号采集装置和数据处理装置。本实施例利用信号延迟放大模块及信号控制模块，调节光信号的输出，将输入的多路光信号整合为一路光信号输出，同时利用信号延迟放大模块中的掺铒光纤放大器增强多路光信号强度，从而提高输出信号强度的一致性、信噪比以及测量精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统，其特征在于，包括第一光纤激光器、第二光纤激光器、分光器组件、信号延迟放大模块、信号控制模块、光电探测器组件，以及信号采集与处理模块；所述信号延迟放大模块包括多个支路，且每个所述支路均包括延迟光纤以及与所述延迟光纤连接的掺铒光纤放大器；所述信号控制模块包括与每个所述掺铒光纤放大器连接的光路转换器件；其中，不同的所述支路具有不同长度的延迟光纤；

所述光电探测器组件，用于根据所述第二光纤激光器产生的参考光信号和获取的所述目标信号，生成带有光源相位信息的拍频干涉信号；

2.根据权利要求1所述的一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统，其特征在于，所述分光器组件包括光纤耦合器以及与所述光纤耦合器的输出端连接的多个光纤环形器；

3.根据权利要求1所述的一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统，其特征在于，所述延迟光纤，用于对获取的具有多普勒频移的散射光信号进行延迟处理，得到延迟处理后的散射光信号；其中，不同的所述延迟光纤输出具有不同延迟时间的延迟处理后的散射光信号；

4.根据权利要求1所述的一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统，其特征在于，所述光路转换器件的个数与所述支路的个数相同。

5.根据权利要求1所述的一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统，其特征在于，所述光电探测器组件包括光电探测器、第一光纤合束器和第二光纤合束器；

所述第二光纤合束器，用于：

获取所述第二光纤激光器产生的参考光信号；

6.根据权利要求5所述的一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统，其特征在于，所述信号采集与处理模块包括：信号采集装置和数据处理装置；

7.根据权利要求6所述的一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统，其特征在于，所述信号采集装置为示波器。

8.根据权利要求6所述的一种采用掺铒光纤放大器的时分复用多普勒测速系统，其特征在于，所述数据处理装置，用于利用数学软件对所述波数信号数据进行FFT处理，得到激光偏移频率与时间的线性关系，从而计算出所述被测运动物体的速度。