CN114325739A - 超高速瞬态光子多普勒测速系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的超高速瞬态光子多普勒测速系统，属于激光干涉测速技术领域。本发明包括激光干涉测速、微波光子和数据采集与信号处理三部分。本发明将光子多普勒测速仪在提高时间分辨率的同时，降低数模转换技术的频限压力，提高普通光子多普勒测速系统动态范围。由于数模转换的采样时钟抖动引起的误差会因信号转换速率的下降而下降，本发明通过时间拉伸能减轻由采样时钟抖动引起的信噪比下降影响。本发明的微波光子处理部分中比例因子M只和两段色散光纤长度有关，不存在高阶非线性现象，能够有效抑制功率代价。本发民能够测量更高速度运动物体产生的多普勒频移信号，降低多普勒频移信号，并等比例提高时间分辨率。
Description
技术领域
本发明属于激光干涉测速技术领域，涉及一种超高速瞬态光子多普勒测速系统。
背景技术
自从光子多普勒测速仪(PDV，Photonic Doppler Velocimetry)提出以来，光子多普勒测速技术因为其非接触测量、成本低、使用方便、响应快、量值溯源性好、频响高、动态性能好的优点，已广泛应用于动高压技术加载飞片、空间碎片模拟和材料高应变率动态力学性能测试实验中。
若使用波长1550nm激光器，1km/s的速度会产生1.29GHz的多普勒频移，并且运动物体多普勒频移信号与运动速度成正比。在超高速瞬态测量场景中，测试目标加速度极高、一般在几μs甚至几百ns的时间从零加速到几km/s甚至几十km/s。例如化学爆炸和高功率激光驱动高速飞片的速度测量中，在几十ns时间内速度能够达到10km/s，此时会产生12.9GHz的多普勒频移信号。面对这些高测速动态性能需求，目前国内市场上成熟示波器带宽仅能够达到5GHz，远不能够达到要求。因此普通光子多普勒测速系统因为数模转换技术的带宽和采样率瓶颈问题，导致了通过直接测量方法的测速动态范围受到限制。
而时间拉伸微波光子技术的带宽的主要限制因素为电光强度调制的输入带宽，目前较为成熟的铌酸锂M-Z电光调制器的输入带宽通常能达到40GHz，因此该系统能将其动态范围扩展至31km/s，并且其拉伸倍数最高能达到40倍，在扩展系统测速范围和时间分辨能力同时，对于(1～10)km/s的目标物体的测量信号可以降低频率为几百兆赫兹甚至几十兆赫兹的电信号，为实时测量提供条件。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超高速瞬态光子多普勒测速系统，能够测量更高速度运动物体产生的多普勒频移信号，降低多普勒频移信号，并等比例提高时间分辨率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明公开的超高速瞬态光子多普勒测速系统，包括激光干涉测速、微波光子和数据采集与信号处理三部分。所述激光干涉测速部分包括连续激光器、环形器、光纤探头、光电探测器。所述连续激光器与环形器端口a连接，所述环形器的端口b与光纤探头连接，所述环形器端口c与光电探测器连接。
所述微波光子部分包括飞秒脉冲激光器、第一色散光纤、第二色散光纤、M-Z调制器、光纤放大器。所述飞秒脉冲激光器与第一色散光纤连接，所述第一色散光纤与M-Z调制器相连接。所述M-Z调制器与第二色散光纤相连接，所述第二色散光纤与光纤放大器相连接。
所述数据采集与信号处理部分包括光电探测器、高速示波器、计算机。光电探测器与高速示波器相连接，所述高速示波器与计算机。
所述光电探测器与电放大器相连接、所述电放大器与电滤波器相连接、所述电滤波器与功分器相连接、所述功分器的0°和90°相移信号与微波光子部分双端口M-Z调制器相连接，所述微波光子部分的光纤放大器和数据采集与信号处理部分的光电探测器相连接。
进一步的，功分器用于将电滤波器输出电信号分为调制在M-Z调制器10上0°和90°两路电信号。
进一步的，在数据采集与信号处理部分，计算机通过时频分析算法、能量脊线提取算法、数据拼接算法还原目标物体速度信号。
进一步的，光纤探头为双纤探头、三纤探头、微透镜阵列探头、多方向光纤探头、内弹道光纤探头的任意一种。
进一步的，第一色散光纤和第二色散光纤，为单模光纤、色散补偿光纤、大色散光子晶体光纤、光纤Bragg光栅、阵列波导光栅的任意一种。
本发明公开的超高速瞬态光子多普勒测速系统的工作方法为：
通过普通光子多普勒测速系统外差干涉产生多普勒拍频信号，连续激光保证信号在时域上的连续性。脉冲激光器首先经过长度为L1第一色散光纤的时间拉伸使得光信号铺满整个时域，由于第一色散光纤的色散作用，在一个重复周期内，不同波长的光信号随传输时间连续展开。通过M-Z强度调制器将信号调制到第一色散光纤的输出信号上，在再经过长度L2第二色散光纤第二次时间拉伸，多普勒频移信号也得到了时间拉伸，其频率便得到降低。由此构成比例因子M＝(L1+L2)/L1，此时多普勒信号频率降低为1/M倍，拉伸后的信号因为同样采样间隔但得到M倍的采样时间，从而得到更多采样点所以时间分辨率提高为M倍。
多普勒频移信号通过使用电放大器和电滤波器进行处理。处理后的电学信号使用单边带调制方法，经过功分器分为0°和90°的两路信号，调制在双端口M-Z调制器上，能够有效抑制功率代价。
而单边带调制虽然去除了引起功率代价的因子cosφDIP，同时单边带调制同样引起待处理信号-φDIP+π/4的相位变化。由于-φDIP由于输入模拟信号带宽有关，会很产生由于频率相关的相位移动而造成信号混叠，严重失真的问题。
通过在数字域相位矫正算法进行矫正，消除信号混叠带来的失真，即通过光电探测器和高速示波器对信号进行采集，相邻周期的信号因为时间拉伸虽然混叠在一起，但通过计算器时频分析算法将时频信号在时频域进行分离，避免信号混叠现象，通过能量脊线提取算法提取出分段的多普勒频移信号，利用数据拼接算法将分段信号连接起来还原速度信号，即实现超高速瞬态光子多普勒测速。
有益效果：
1本发明公开的超高速瞬态光子多普勒测速系统，将光子多普勒测速仪在提高时间分辨率的同时，降低数模转换技术的频限压力，提高普通光子多普勒测速系统动态范围。
2本发明公开的超高速瞬态光子多普勒测速系统，由于数模转换的采样时钟抖动引起的误差会因信号转换速率的下降而下降，通过时间拉伸能减轻由采样时钟抖动引起的信噪比下降影响。
3本发明公开的超高速瞬态光子多普勒测速系统，微波光子处理部分中比例因子M只和两段色散光纤长度有关，不存在高阶非线性现象，能够有效抑制功率代价。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2微波光子部分时间拉伸原理图。
图3混叠信号时频分析算法结果示意图。
图4分离信号拼接结果示意图。
其中：1—连续激光器、2—环形器、3—光纤探头、4—光电探测器、5—电放大器、6—电滤波器、7—功分器、8—飞秒脉冲激光器、9—第一色散光纤、10—M-Z调制器、11—第二色散光纤、12—掺铒光纤放大器、13—光电探测器、14—高速示波器、15—计算机。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本实施例公开的超高速瞬态光子多普勒测速系统，包括激光干涉测速、微波光子和数据采集与信号处理三部分，激光干涉测速部分包括连续激光器1、环形器2、光纤探头3、光电探测器4等器件，微波光子信号处理部分包括飞秒脉冲激光器8、第一色散光纤9和第二色散光纤11、M-Z调制器10、掺铒光纤放大器12、波分复用器13、光电接收器14等器件，数据采集与信号处理部分包括，光电探测器13、高速示波器14、计算机15等器件。连续激光器1产生激光经过三端口环路器2到达光纤探头3。一部分直接反射回的光称为参考光，另一部分到达运动物体16表面反射回的光经过光纤探头3收集回光路系统的光称为信号光。参考光和信号光进行混合然后经过光电接收器4。由于光电接收器4的平方效应，探测到信号光与参考光的差频信号即多普勒频移信号。多普勒频移信号经过电放大器5和电滤波器6的处理到达功分器7。同时，飞秒激光器8产生飞秒脉冲激光经过第一色散光纤9产生啁啾脉冲经过M-Z调制器10调制，将多普勒频移信号调制到啁啾脉冲上。然后经过第二色散光纤11的时间拉伸，完成了多普勒频移信号的降低和时间分辨率的提高。最后，采用高速示波器14采集信号，在计算机终端16完成混叠信号时频域分离、拼接还原处理。
功分器7分为调制在M-Z调制器10上0°和90°两路电信号。
在数据采集与信号处理部分计算机15通过时频分析算法、能量脊线提取算法、数据拼接算法还原目标物体速度信号。
光纤探头3为双纤探头、三纤探头、微透镜阵列探头、多方向光纤探头、内弹道光纤探头的任意一种。
第一色散光纤9和第二色散光纤11为单模光纤、色散补偿光纤、光纤Bragg光栅、阵列波导光栅的任意一种。
通过普通光子多普勒测速系统外差干涉产生多普勒拍频信号，同时连续激光保证了信号在时域上的连续性。由光电转换定律知道，光电探测器5输出的光电流与入射平均光功率成正比，即光电探测器5输出的光电流与光电场强度的平方成正比。参考光与信号光叠加后的通过光电探测器5检测到的干涉光强为：
其中，θ为光探头轴向与物体运动方向的夹角，I1为参考光光强，I2为信号光光强，目标物体运动速度为μ(t)，
分别为参考光和信号光初始相位。
探测器5检测到的拍频信号为参考光与信号光频率之差：
其中目标物体运动速度μ，探测光波长为λ0。
如图2，脉冲激光首先经过长度为L1第一色散光纤9的时间拉伸使得光信号铺满整个时域，由于第一色散光纤9的色散作用，在一个重复周期内，不同波长的光信号随传输时间连续展开。通过M-Z强度调制器10将信号调制到L1第一色散光纤9的输出啁啾信号上，在再过长度为L2第二色散光纤11第二次时间拉伸，多普勒频移信号在时域上也得到了拉伸，其频率便得到了降低。由图2可以看出，时间拉伸比例也就是D点和C点时间长度之比，即取决于两端色散介质的总色散值，由此构成比例因子：
其中，D1和D2分别表示两端光纤的总色散量。由于使用的同一种光纤作为色散介质，此时公式(3)可表示为
M＝(L1+L2)/L1 (4)
含有光脉冲展宽形成的包络IEnv在小调制深度条件下(调制系数m<<1)，ωRF为待处理模拟电信号的频率，M为缩放因子，β2表示二阶群速度色散参数，L2表示第二段光纤长度，表示为：
由公式(5)可知，在确定的时间拉伸模数转换器(L2，β2，M均确定)情况下，φDIP仅与待处理模拟信号的频率有关。结合公式(6)可知，对于不同频率的待处理模拟信号，时间拉伸信号的幅度将有所改变——即功率代价现象，该现象将降低时间拉伸模数转换器的工作效果。
首先将多普勒频移信号通过使用电放大器5和电滤波器6进行处理。处理后的电学信号利用单边带调制方法，经过功分器分为0°和90°的两路信号，调制在双端口M-Z调制器10上，可以有效抑制功率代价。通过单边带调制，公式(6)改写为：
而单边带调制虽然去除了引起功率代价的因子cosφDIP，同时单边带调制同样引起了待处理信号-φDIP+π/4的相位变化。由于-φDIP由于输入模拟信号带宽有关，会很产生由于频率相关的相位移动而造成信号混叠，严重失真的问题，该问题可以通过在数字域相位矫正算法进行矫正。
通过短时傅里叶变换算法将高速示波器采集的时域信号转换至时频域，如图3，多普勒频移信号在每个脉冲周期T内，在时频域被独立分离。通过图像处理算法对时频能量图进行图像分割，提取区域骨架，分离的骨架通过平移拼接为一条速度曲线(如图4)。图4中，虚线表示通过直接测量得到的原速度信号，实线表示经过微波光子处理和数据采集和信号处理后的速度曲线。缩放因子M＝2，信号被降低为原来0.5倍，信号因在时域上被拉伸为原来的2倍，采样点也变为原来2倍，因此时间分辨力提升为原来2倍。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.超高速瞬态光子多普勒测速系统，其特征在于：包括激光干涉测速、微波光子和数据采集与信号处理三部分；所述激光干涉测速部分包括连续激光器(1)、环形器(2)、光纤探头(3)、光电探测器(4)；所述连续激光器(1)与环形器(2)端口a连接，所述环形器(2)的端口b与光纤探头(3)连接，所述环形器(2)端口c与光电探测器(4)连接；
所述微波光子部分包括飞秒脉冲激光器(8)、第一色散光纤(9)、第二色散光纤(11)、M-Z调制器(10)、光纤放大器(12)；所述飞秒脉冲激光器(8)与第一色散光纤(9)连接，所述第一色散光纤(9)与M-Z调制器(10)相连接；所述M-Z调制器(10)与第二色散光纤(11)相连接，所述第二色散光纤(11)与光纤放大器(12)相连接；
所述数据采集与信号处理部分包括光电探测器(13)、高速示波器(14)、计算机(15)15；光电探测器(13)与高速示波器(14)相连接，所述高速示波器(14)与计算机(15)；
所述光电探测器(4)与电放大器(5)相连接、所述电放大器(5)与电滤波器(6)相连接、所述电滤波器(6)与功分器(7)相连接、所述功分器(7)的0°和90°相移两路电信号分别与微波光子部分双端口M-Z调制器(10)相连接，所述微波光子部分的光纤放大器(12)和数据采集与信号处理部分的光电探测器(13)相连接。
2.如权利要求1所述的超高速瞬态光子多普勒测速系统，其特征在于：功分器(7)用于将电滤波器(6)电信号分为调制在M-Z调制器(10)上0°和90°相移的两路电信号。
3.如权利要求1所述的超高速瞬态光子多普勒测速系统，其特征在于：在数据采集与信号处理部分，计算机(15)通过时频分析算法、能量脊线提取算法、数据拼接算法还原目标物体速度信号。
4.如权利要求1所述的超高速瞬态光子多普勒测速系统，其特征在于：光纤探头(3)为双纤探头、三纤探头、微透镜阵列探头、多方向光纤探头、内弹道光纤探头的任意一种。
5.如权利要求1或2所述的超高速瞬态光子多普勒测速系统，其特征在于：第一色散光纤(9)和第二色散光纤(11)，为单模光纤、色散补偿光纤、大色散光子晶体光纤、光纤Bragg光栅、阵列波导光栅的任意一种。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的超高速瞬态光子多普勒测速系统，其特征在于：通过普通光子多普勒测速系统外差干涉产生多普勒拍频信号，连续激光保证信号在时域上的连续性；脉冲激光器(8)首先经过长度为L1第一色散光纤(9)的时间拉伸使得光信号铺满整个时域，由于第一色散光纤(9)的色散作用，在一个重复周期内，不同波长的光信号随传输时间连续展开；通过M-Z强度调制器(10)将信号调制到第一色散光纤(9)的输出信号上，在再经过长度L2第二色散光纤(11)第二次时间拉伸，多普勒频移信号也得到了时间拉伸，其频率便得到降低；由此构成比例因子M＝(L1+L2)/L1，此时多普勒信号频率降低为1/M倍，拉伸后的信号因为同样采样间隔但得到M倍的采样时间，从而得到更多采样点所以时间分辨率提高为M倍；
多普勒频移信号通过使用电放大器(5)和电滤波器(6)进行处理；处理后的电学信号使用单边带调制方法，经过功分器(7)分为0°和90°的两路信号，调制在双端口M-Z调制器(10)上，能够有效抑制功率代价；
而单边带调制虽然去除了引起功率代价的因子cosφDIP，同时单边带调制同样引起待处理信号-φDIP+π/4的相位变化；由于-φDIP由于输入模拟信号带宽有关，会很产生由于频率相关的相位移动而造成信号混叠，严重失真的问题；
通过在数字域相位矫正算法进行矫正，消除信号混叠带来的失真，即通过光电探测器(13)和高速示波器(14)对信号进行采集，相邻周期的信号因为时间拉伸虽然混叠在一起，但通过计算器时频分析算法将时频信号在时频域进行分离，避免信号混叠现象，通过能量脊线提取算法提取出分段的多普勒频移信号，利用数据拼接算法将分段信号连接起来还原速度信号，即实现超高速瞬态光子多普勒测速。
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|---|---|---|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114895058A (zh) * | 2022-05-20 | 2022-08-12 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | 一种功能增强型激光干涉测速装置及方法 |
| CN114895058B (zh) * | 2022-05-20 | 2023-05-02 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | 一种功能增强型激光干涉测速装置及方法 |
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