CN114719953A - 一种直型腔振动探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种直型腔振动探测装置，涉及振动探测领域。该直型腔振动探测装置包括：激光器系统，所述激光器系统为可见光波段的激光光源；直型衰荡腔系统，为两块高反腔镜组成的直型无源谐振腔，对注入激光束进行谐振，并对环境振动信息进行感知；振动探测系统，包括聚焦透镜、高速光电探测器和计算机，高速光电探测器采集直型腔透射光束经透镜聚焦后的光腔输出信号，计算机监测信号变化动态，利用信号频谱解算方法提取环境振动信息并输出振动探测结果。本发明结构简单，操作方便，探测带宽高，探测灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及振动信号探测领域，具体涉及一种直型腔振动探测装置。
背景技术
振动信号探测在输油管线保护、铁路运行、地质灾害预防及实验环境振动检测等领域愈来愈重要，但现有的振动传感装置仍存在一些缺点，如机传统械式振动探测器探测灵敏度不高且探测精度较低，分布式振动传感器在测量过程中易受光源强度的波动影响等。光腔衰荡(Cavity ring-down，CRD)技术是一种基于高精细度无源谐振腔的高灵敏度光学探测技术，目前已广泛应用于痕量气体浓度检测、高反射率测量及光谱分析等领域。(Abhijit Maity，Sanchi Maithani，Manik Pradhan，“Cavity ring-down spectroscopy：recent technological advances and applications”，Molecular and LaserSpectroscopy，2020，83-120；李斌成，龚元，光腔衰荡高反射率测量技术综述，《激光与光电子学进展》，2010，47：021203)。在前期实验观察及理论分析研究的基础上发现光腔衰荡技术的高灵敏度、高精细度特性也可应用在振动信号探测领域，且具有一定的潜力。基于此，本发明提供一种直型腔振动探测装置。该发明装置的理论基础为：在基于直型无源谐振腔的光腔衰荡振动探测装置中，外在环境的微弱振动即可引起高精细度无源谐振腔的微小失调量，进而导致无源腔的整体腔损耗产生微量变化，这一蕴含振动信息的腔损耗变化会被放大呈现在透射出的光腔输出信号中。因为无源腔腔失调状态对环境振动信息极为敏感，而微小的腔失调量即可引起光腔输出信号的波动，所以基于光腔衰荡技术的无源腔振动探测装置可实现对环境振动信息的高灵敏度探测。
因此，本发明装置一旦搭建完成，直型无源谐振腔整体可作为一个振动“感知器”对环境振动信息进行灵敏探测。并且，本发明通过对直型腔光腔输出信号的实时监测，经分析处理可快速得出振动探测结果，实现对环境微小振动的快速捕捉即高灵敏度探测。相比传统探测装置，本发明不受光源波动影响，结构简单，操作方便，方法新颖，探测带宽高，探测灵敏度高，可实现对瞬态微弱振动的探测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：目前振动信号探测领域常用的振动传感器存在探测灵敏度不高且探测精度较低，在测量过程中易受光源强度的波动影响，探测结构系统复杂等问题，需要一种结构简单新颖，探测精度和探测灵敏度都较高的振动探测装置。
本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种直型腔振动探测装置，包括：激光光源、第一高反腔镜、第二高反腔镜、聚焦透镜、高速光电探测器、计算机；激光光源输出的激光光束注入到由第一高反腔镜和第二高反腔镜组成的直型无源腔内进行谐振，无源谐振腔透射出的包含环境振动信息的光腔输出信号经聚焦透镜聚焦后被高速光电探测器采集，传输到计算机并经过信号频谱解算方法处理后输出振动探测结果。
进一步地，所述的激光光源为可见光波段的连续半导体激光器。
进一步地，所述的第一高反腔镜和第二高反腔镜的反射率均在99.9％以上。
进一步地，所述的第一高反腔镜和第二高反腔镜至少有一个为平凹高反腔镜，两块腔镜组成的无源谐振腔满足稳定腔条件。
所述的无源谐振腔透射出的光腔输出信号在进行振动探测前要求稳定。无源腔状态不必完全无失调，可存在一定量的腔镜倾斜、腔轴偏移。
进一步地，所述的信号频谱解算方法为改进的周期图法Welch法。首先对每个信号振动区域点数据xN(n)分为L段进行处理，每段长度为M，段与段间有数据重叠，记每段的功率谱为
式中
是归一化因子，d(n)为窗函数，n为每段振动区域数据点数，i为信号振动区域的段数，ω为圆频率；然后对L段信号振动区域由周期图法得到的功率谱估计进行求和平均，得到整个信号振动区域xN(n)的功率谱估计为
其中对每一段数据处理的窗函数为矩形窗函数；最后从得出的功率谱估计图中分析振动频率、振动强度及振动时长环境振动信息，输出振动探测结果，完成对环境振动信息的灵敏探测。
本发明的原理是：在基于直型无源谐振腔的光腔衰荡振动探测装置中，外在环境的微弱振动即可引起高精细度无源谐振腔的微小失调量，进而导致无源腔的整体腔损耗产生微量变化，这一蕴含振动信息的腔损耗变化会被放大呈现在透射出的光腔输出信号中。因为无源腔腔失调状态对环境振动信息极为敏感，而微小的腔失调量即可引起光腔输出信号的波动，所以基于光腔衰荡技术的无源腔振动探测装置可实现对环境振动信息的高灵敏度探测。
本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明装置中的直型无源谐振腔整体可作为一个振动“感知器”对环境振动信息进行灵敏探测。并且，本发明通过对直型腔光腔输出信号的实时监测，经分析处理可快速得出振动探测结果，实现对环境微小振动的快速捕捉即高灵敏度探测。相比传统探测装置，本发明不受光源波动影响，结构简单，操作方便，方法新颖，探测带宽高，探测灵敏度高，可实现对瞬态微弱振动的探测。
附图说明
图1为本发明一种直型腔振动探测装置的结构示意图，其中，1为激光光源，2为第一高反腔镜，3为第二高反腔镜、4为聚焦透镜、5为高速光电探测器、6为计算机；
图2为本发明一种直型腔振动探测装置无环境振动时的光腔输出信号图；
图3为本发明一种直型腔振动探测装置存在环境微振动时的光腔输出信号图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，一种直型腔振动探测装置，包括：激光光源1、第一高反腔镜2、第二高反腔镜3、聚焦透镜4、高速光电探测器5和计算机6；激光光源1输出的激光光束注入到由第一高反腔镜2和第二高反腔镜3组成的直型无源腔内进行谐振，无源谐振腔透射出的包含环境振动信息的光腔输出信号经聚焦透镜4聚焦后被高速光电探测器5采集，传输到计算机6并经过信号频谱解算方法处理后输出振动探测结果。所述的激光光源1为可见光波段的连续半导体激光器。所述的第一高反腔镜2和第二高反腔镜3的反射率均在99.9％以上。所述的第一高反腔镜2和第二高反腔镜3至少有一个为平凹高反腔镜，两块腔镜组成的无源谐振腔满足稳定腔条件。所述的无源谐振腔透射出的光腔输出信号在进行振动探测前要求稳定。无源腔状态不必完全无失调，可存在一定量的腔镜倾斜、腔轴偏移。所述的信号频谱解算方法为改进的周期图法Welch法。
本发明实施例的直型腔振动探测装置由激光光源1输出的激光光束注入到由第一高反腔镜2和第二高反腔镜3组成的直型无源腔内进行谐振，无源谐振腔透射出的包含环境振动信息的光腔输出信号经聚焦透镜4聚焦后被高速光电探测器5采集，传输到计算机6并经过信号频谱解算方法处理后输出振动探测结果。
图1中的激光光源1为可见光波段的连续半导体激光器。在本施例中采用中心波长为635nm的连续半导体激光器(RGB Photonics)。
图1中的第一高反腔镜2和第二高反腔镜3在本实施例中均为凹面高反镜，反射率均在99.9％以上。凹面曲率半径均为1m。腔长为0.6m，满足稳定腔条件。
图2为本发明一种直型腔振动探测装置无环境振动时的光腔输出信号图；在本实施例中，光腔输出信号由数据采集卡(M2i.3010，80MHz，Spectrum)采集传输到计算机(PC)，采集时间为20ms。由于本探测装置的光腔输出信号仅要求稳定即可，故本实施例中调腔标准可适当放宽，调腔过程可以存在一定的腔镜倾斜等腔失调量。
图3为本发明一种直型腔振动探测装置存在环境微振动时的光腔输出信号图。在本实施例中，直型无源谐振腔整体可作为一个振动“感知器”对环境振动信息进行灵敏探测。图3中多个信号强度下降峰为多个振动信号。本实施例中，采用改进的周期图法Welch法对振动信号进行解算分析处理。首先对每个信号振动区域点数据xN(n)分为L段进行处理，每段长度为M，段与段间有数据重叠，记每段的功率谱为
式中
是归一化因子，d(n)为窗函数，n为每段振动区域数据点数，i为信号振动区域的段数，ω为圆频率。然后对L段信号振动区域由周期图法得到的功率谱估计进行求和平均，得到整个信号振动区域xN(n)的功率谱估计为
本实施例中对每一段数据处理的窗函数为矩形窗函数。最后从得出的功率谱估计图中分析振动频率、振动强度及振动时长等环境振动信息，输出振动探测结果，完成对环境振动信息的灵敏探测。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (6)
1.一种直型腔振动探测装置，其特征在于，包括：激光光源(1)、第一高反腔镜(2)、第二高反腔镜(3)、聚焦透镜(4)、高速光电探测器(5)和计算机(6)；激光光源(1)输出的激光光束注入到由第一高反腔镜(2)和第二高反腔镜(3)组成的直型无源腔内进行谐振，无源谐振腔透射出的包含环境振动信息的光腔输出信号经聚焦透镜(4)聚焦后被高速光电探测器(5)采集，传输到计算机(6)并经过信号频谱解算方法处理后输出振动探测结果。
2.根据权利要求1所述的一种直型腔振动探测装置，其特征在于：所述的激光光源(1)为可见光波段的连续半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种直型腔振动探测装置，其特征在于：所述的第一高反腔镜(2)和第二高反腔镜(3)的反射率均在99.9％以上。
4.根据权利要求1所述的一种直型腔振动探测装置，其特征在于：所述的第一高反腔镜(2)和第二高反腔镜(3)至少有一个为平凹高反腔镜，两块腔镜组成的无源谐振腔满足稳定腔条件。
5.根据权利要求1所述的一种直型腔振动探测装置，其特征在于：所述的无源谐振腔透射出的光腔输出信号在进行振动探测前要求稳定，无源腔状态不必完全无失调，可存在一定量的腔镜倾斜、腔轴偏移。
6.根据权利要求1所述的一种直型腔振动探测装置，其特征在于：所述的信号频谱解算方法为改进的周期图法Welch法，首先对每个信号振动区域点数据xN(n)分为L段进行处理，每段长度为M，段与段间有数据重叠，记每段的功率谱为：
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