CN114778879B - 一种基于光纤受激布里渊散射的测速装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤受激布里渊散射的测速装置，其特征在于，该测速装置主要包括主机、探头单元、示波器、以及设置于主机与探头单元之间的光纤单元，所述示波器与主机相连；所述主机由激光器单元、光纤环形器和光电探测器组成，其中，光纤环形器的①端口与激光器单元相连，②端口与光纤单元相连，③端口与光电探测器相连。本发明基于光纤受激布里渊散射的非线性效应，该受激布里渊散射光在光纤中会反向传播，频移和相位稳定，功率和输入光功率成正比，不仅简化了外差激光测速的结构，还可以适用于远距离测量场景的需求。
Description
技术领域
本发明属于速度测量技术领域，具体涉及一种基于光纤受激布里渊散射的测速装置和方法。
背景技术
激光多普勒测速基本原理是利用光学多普勒效应，将一激光光束照射到运动的被测物体上，通过测量反射光的多普勒频率，计算出物体的运动速度。利用激光多普勒测速技术可测量高速运动物体在极短时间内的速度历程，例如轻气炮发射弹丸产生的高速碰撞情况下，可利用该技术连续测量待测材料的自由面速度变化过程。速度信号的频率和运动速度成正比。随着对瞬态低速精细测量的需求，发展出了双源混频测速技术，即采用光学外差原理实现上变频模式，该模式可以大幅度抬高低频位移干涉信号的频率，即增加单位时间内干涉条纹的数量。但该技术需要两台单频且相位稳定的激光器，上变频的基线频率需要通过调节两个激光的波长来确定，结构复杂，操作繁琐，稳定性不高，无法满足特殊场景下测量装置与待测物体相隔较远(数公里以上)的要求。
由于特殊场景下测量装置与待测物体相隔较远(数公里以上)，而激光在长光纤中传输会导致受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering，SBS)效应，它会限制光纤中的传输功率，导致光纤探头的输出光功率太小，接收效率下降，容易丢失信号。本发明基于受激布里渊散射原理，利用长光纤传输所激发的SBS反向光作为激光干涉的参考光，与物体反射的信号光叠加进行激光干涉测速。由于SBS产生的光频率会下移，正好与信号光进行了光学外差产生了上变频模式，可以满足瞬态低速测量的需求。该测速装置更简单，仅需一台激光器，产生的SBS相位稳定，信噪比更好，稳定性高，有很大的应用前景。
如图1所示，激光多普勒测速技术是利用光学多普勒效应，将待测运动物体表面的反射光与探头端面的反射光干涉后，记录该信号的光频差变化，该方法是基于零差探测技术的位移干涉仪，信号频率和运动速度成正比。该方法的缺点是：在低速测量低速过程时，干涉条纹较少，导致时间分辨率较低，不能很好解读出物理过程；由于采用零差结构，不能判别运动的方向。
如图2所示，双源混频测速技术是在激光多普勒测速技术的基础上，采用光学外差探测技术，通过增加一个激光器提供不同频率的参考光，与待测运动物体反射回来的多普勒频移光进行干涉测量。该方法可以实现上变频模式，即通过提高干涉条纹的基频来增加低速下干涉条纹的数量实现高时间分辨的测量。但，该技术存在对于仅单个探头，需额外增加激光器，该激光的相位波动会导致整个系统的稳定性和精度降低。此外，还显然存在结构复杂，成本高的问题。
激光多普勒测速技术由于是零差探测原理，对于低速测量时间分辨率不够；双源混频测速技术虽然基于外差探测原理，但需要两台单频且相位稳定的激光器，需要调节两激光的波长实现上变频模式，结构复杂，操作繁琐，可靠性较低。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于光纤受激布里渊散射的测速装置和方法。本发明基于光纤受激布里渊散射的非线性效应，该受激布里渊散射光在光纤中会反向传播，频移和相位稳定，功率和输入光功率成正比，不仅简化了外差激光测速的结构，还可以适用于远距离测量场景的需求。本发明具体采用如下技术方案：
一种基于光纤受激布里渊散射的测速装置，该测速装置主要包括主机、探头单元、示波器、以及设置于主机与探头单元之间的光纤单元，所述示波器与主机相连；所述主机由激光器单元、光纤环形器和光电探测器组成，其中，光纤环形器的①端口与激光器单元相连，②端口与光纤单元相连，③端口与光电探测器相连。
进一步，所述激光器单元由一激光器组成，所述光纤单元由一光纤组成，所述探头单元由一光纤探头组成，所述激光器单元的最小输入激光功率P0：
其中，P0的单位为W；L为光纤单元的光纤长度，单位为km。
进一步，所述探头单元的回损应大于50dB。
进一步，所述光纤单元中的光纤为带状结构或盘状结构。
进一步，所述测速装置还包括连接于所述激光器单元与光纤环形器之间的波分复用器I，以及连接于所述光纤环形器与光纤单元之间的波分复用器II，所述激光器单元由多个激光器组成，各激光器波长不同，各激光器分别连接至波分复用器I；所述光纤单元由多个光纤组成，所述探头单元由多个光纤探头组成，其中，各光纤的输入端分别连接至波分复用器II，各光纤的输出端分别连接对应的光纤探头。
进一步，在主机内的光纤环形器的③端口与光电探测器之间依次接有光功率放大器、光衰减器。
进一步，在主机内的光纤环形器的③端口与光电探测器之间接光衰减器。
一种基于光纤受激布里渊散射的测速装置的测速方法，所述方法包括如下步骤：
(1)确定激光器单元(1)所需最小输入激光功率P0的值；
(2)将探头单元对准待测物体表面，通过激光器单元输入激光，当输入激光功率P值大于P0时，由示波器采集并记录随时间变化的电信号；
(3)根据步骤(2)所记录的随时间变化的电信号，对该电信号通过短时傅里叶变换计算得到拍频信号频率的变化曲线fb(t)；记录变化曲线fb(t)在纵轴上的截距值，将该截距值作为受激布里渊散射的频率fs；
(4)根据如下公式计算待测物体的运动速度v(t)：
其中λ0为激光器单元的波长，fs的单位为Hz。
进一步，步骤(1)中激光器单元(1)所需最小输入激光功率P0的计算公式为：
其中，P0的单位为W；L为光纤单元的光纤长度，单位为km。
附图说明
图1为现有技术中激光多普勒测速装置结构示意图；
图2为现有技术中双源混频测速装置结构示意图；
图3为本发明一实施例中测速装置结构示意图；
图4为本发明另一实施例中测速装置结构示意图；
图5为本发明又一实施例中测速装置结构示意图；
图6为实施例1中测速方法所用测速装置结构示意图；
图7为实施例1的速度信号频谱图；
图8为实施例1的速度曲线对比图；
图中，1.激光器单元，2.光纤环形器，3.光纤单元，4.探头单元，5.光电探测器，6.示波器，7.波分复用器I，8.波分复用器II，9.光功率放大器，10.光衰减器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细解释。
如图3所示，本发明基于光纤受激布里渊散射的测速装置主要包括主机、探头单元4、示波器6、以及设置于主机与探头单元之间的光纤单元3，所述示波器6与主机相连；所述主机由激光器单元1、光纤环形器2和光电探测器5组成，其中，光纤环形器2的①端口与激光器单元1相连，②端口与光纤单元3相连，③端口与光电探测器5相连。本发明测速装置通过利用受激布里渊散射效应可实现高速运动物体的速度测量。
进一步，对于仅需对待测物体的一个位置进行速度测量的场景下，也即单点测速场景下，本发明设计所述激光器单元1由一激光器组成，所述光纤单元3由一光纤组成，所述探头单元4由一光纤探头组成，其中，针对单模光纤设计所述激光器的输入激光功率P(单位：W)与光纤的长度L(单位：km)呈反比关系，具体根据如下公式设计激光器单元的最小输入激光功率P0：
进一步，所述探头单元4的回损应大于50dB，即探头端面回光尽可能小，以避免引入多余的参考光形成零差结构，转由SBS提供参考光而形成外差结构，实现低速高分辨测量且可判别运动方向的优点。
进一步，光纤单元3中的光纤可以是带状结构，也可以是盘状结构。
进一步，当待测物体受到多次冲击、或表面和内部有不同结构或缺陷时，需进行多点测速，即对于需对待测物体的多个位置进行速度测量的场景下，也即多点测速场景下，本发明测速装置还可设计为：如图4所示，所述测速装置还包括连接于所述激光器单元1与光纤环形器2之间的波分复用器I 7，以及连接于所述光纤环形器2与光纤单元3之间的波分复用器II8，所述激光器单元1由多个激光器组成，各激光器波长不同，这是因为SBS光的频率与原激光频率相关，为了避免相邻激光器的光相互干扰，需将其波长相互错开。各激光器分别连接至波分复用器I 7；所述光纤单元3由多个光纤组成，所述探头单元4由多个光纤探头组成，其中，各光纤的输入端分别连接至波分复用器II8，各光纤的输出端分别连接对应的光纤探头。
对于该类型的测速装置，可通过多个光纤探头分别测待测物体不同位置处的速度，以得到空间上一维或二维的自由面速度变化过程。
进一步，如图5所示，当光纤环形器的③端口输出的光功率若太小，即小于1μW时，在主机内的光纤环形器2的③端口与光电探测器5之间依次接有光功率放大器9、光衰减器10。若光功率较大，即大于1mW时，在主机内的光纤环形器2的③端口与光电探测器5之间接光衰减器10。
相比于现有技术，本发明所提供的测速装置具有以下有益效果：
1、相比于图1所示的现有技术，其存在低速测量分辨率不够、运动方向无法判别的问题，针对该缺陷，本发明通过在测速主机与探头之间增设光纤，利用SBS效应实现了提高信号频率、判别运动方向的目的。
2、相比于图2所示的现有技术，其存在增加额外激光器而导致干涉相位稳定性下降的问题，针对该缺陷，本发明通过在测速主机与探头之间增设长光纤的设计手段，利用SBS效应实现了仅用单台激光器就可以实现上变频模式，提高了系统的稳定性，同时可适应远距离场景下的速度探测。
3、对于单点测速，本发明通过仅使用单个激光器，从而避免因多个激光器带来的不稳定性导致测量结果误差增大，甚至失效的后果。
本发明还提供一种基于前述装置的测速的方法，该方法中，首先按照图1所示连接各个部件，
(1)根据本发明测速装置中光纤长度，结合受激布里渊散射原理，利用如下公式计算出激发SBS效应的最小输入激光功率的值P0，
其中L为光纤的长度(单位：m)，L为已知值；当输入激光功率P大于P0值时，开始测速。
(2)将探头单元对准待测物体表面，通过激光器单元输入激光，当输入激光功率P值大于P0时，由示波器采集并记录随时间变化的电信号；
(3)根据步骤(2)所记录的随时间变化的电信号，对该电信号通过短时傅里叶变换计算得到拍频信号频率的变化曲线fb(t)；记录变化曲线fb(t)在纵轴上的截距值，将该截距值作为受激布里渊散射的频率fs；
(4)根据如下公式计算待测物体的运动速度v(t)：
其中λ0为激光器单元的波长，fs的单位为Hz。
其中，待测物体运动速度v(t)的推导过程如下：根据光学多普勒效应，即由光纤探头接收的光频率的变化量Δf等于两倍的运动速度v(t)除以光速c，再乘以激光器频率f0，得出如下关系，
将光速c＝f0λ0代入上式可得：
而该测速方法中，Δf＝[fb(t)-fs]即得到如下公式：
其中λ0为本测速装置所选激光器的波长。
本发明有益效果是，用一台激光器就可以实现上变频模式的激光测速技术，结构简单，稳定性更高，还可以应用于远距离场景的测量需求。
实施例1
如图6所示，本实施例利用二级轻气炮加载金属飞片，使其达到数公里每秒的速度来撞击待测物体，本测速装置中光纤探头对准待测物体后表面，以测量待测物体被撞击后的自由面速度变化过程。当光纤长度为1000m，则计算得到输入最小激光功率P为242mW，所以拟设定激光输出功率为300mW。
实验开始后，由示波器采集记录变化的信号，对该信号利用短时傅里叶变换对该信号数据进行计算，得到该信号的频谱图，如图7所示，图中曲线在纵轴的截距为受激布里渊散射的频率fs，随时间变化的曲线则为拍频信号频率的变化曲线fb(t)。其中，频率fs为10.8GHz。
将计算得到的数据代入公式中，其中激光器波长λ0＝1550nm，可得到最终的待测物体速度(BHV)，如图8所示。为了更好验证和对比，图中DLHV曲线为双源混频测速技术得到的速度曲线，可见两者基本吻合；此外，BHV的速度分辨率更高，可以体现出更多速度波动的细节。
Claims (2)
1.一种基于光纤受激布里渊散射的测速装置的测速方法，该测速装置包括主机、探头单元（4）、示波器（6）、以及设置于主机与探头单元（4）之间的光纤单元（3），所述示波器（6）与主机相连；所述主机由激光器单元（1）、光纤环形器（2）和光电探测器（5）组成，其中，光纤环形器（2）的①端口与激光器单元（1）相连，②端口与光纤单元（3）相连，③端口与光电探测器（5）相连；激光器单元（1）由一激光器组成，所述光纤单元（3）由一光纤组成，所述探头单元（4）由一光纤探头组成；
在主机内的光纤环形器（2）的③端口与光电探测器（5）之间依次接有光功率放大器（9）、光衰减器（10）；在主机内的光纤环形器（2）的③端口与光电探测器（5）之间接有光衰减器（10）；
其特征是：该测速方法包括如下步骤：
（1）确定激光器单元（1）所需最小输入激光功率P0的值；
（2）将探头单元对准待测物体表面，通过激光器单元输入激光，当输入激光功率P值大于P0时，由示波器采集并记录随时间变化的电信号；
（3）根据步骤（2）所记录的随时间变化的电信号，对该电信号通过短时傅里叶变换计算得到拍频信号频率的变化曲线；记录变化曲线/>在纵轴上的截距值，将该截距值作为受激布里渊散射的频率/>；
（4）根据如下公式计算待测物体的运动速度：
，其中/>为激光器单元的波长，/>的单位为Hz。
2.根据权利要求1所述的测速方法，其特征在于，步骤（1）中激光器单元（1）所需最小输入激光功率P0的计算公式为：
，其中，P0的单位为W；L为光纤单元的光纤长度，单位为km。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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