CN116124272A - 一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法及系统，涉及振动测量技术领域，其技术方案要点是：发出一序列重复的且具有宽光谱特征的脉冲激光；发出与脉冲激光的重复频率相同的方波信号，并依据方波信号调控光路工作的时序；收集脉冲激光中的单脉冲对振动被测物进行位移测量后形成的信号光和参考光；在光路开启时对信号光和参考光进行放大处理，得到信号特征为频域干涉特征的光学信号；对光学信号中的频域干涉特征进行傅里叶变换，得到振动被测物的振动位移。本发明能够采用傅里叶变换进行准确的信号解析，实现了kHz级的振动过程测量。

Description

一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法及系统

技术领域

本发明涉及振动测量技术领域，更具体地说，它涉及一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法及系统。

背景技术

振动是物体在受到外力作用时最容易发生的运动形式。通过测量振动过程，可以对物体在外力作用的响应行为进行精确分析，故振动测量技术在工业、科技领域有着广泛的应用。近年来非接触、抗干扰的光学测振技术成为研究的热点，基于激光三角法、光强法、全息法、干涉法、散斑法的各类光学测振系统相继出现。

目前，现有技术中的光频域反射技术是采用连续波调制的方法进行长度测量，一般采用光波频率可线性调节的可调谐激光器作为光源，利用经历不同传输时间的两束光之间叠加产生的拍频信号来解调被测光纤的长度，通常采用示波器或射频频谱仪分析信号，用于公里级长度的分布式光纤传感中，精度为毫米量级，主要用于光纤故障定位，如公开号为CN101650197A的中国专利。此外，现有技术中的频域干涉测试技术是采用宽谱光的光谱相干原理进行长度测量，一般采用谱宽度达数十纳米的自发辐射光源或卤素灯作为系统光源，利用经历不同传输时间的两束光之间叠加产生光谱干涉信号相位信息解调被测光路长度信息，通常采用光学光谱仪分析信号，用于毫米级量程距离测量中，精度为微米量级，如公开号为CN205120239U的中国专利。另外，还检索到公开号为CN104197844B的中国专利，公开了一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法及装置，其采用了连续发射的自发辐射光源，后端采用了采样速率为Hz的光纤光谱仪进行信号记录。然而，在进行振动等动态位移测量过程时，测量目标的快速移动将会使单幅信号采样时间内的信号发生模糊，即一幅信号中多个波长处对应了多个位置的频域干涉相位，故该方法只能进行静态距离测量。

因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的基于频域干涉的全光纤振动测量方法及系统是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法及系统，通过使用宽谱脉冲激光器、高速的光纤光谱仪提高系统的采样速率，并利用信号发生器等对测量时序进行精准控制，实现高速测量信号的时序控制及高速采样，同时系统中还采用光纤声光调制器和光纤放大器抑制动态模糊并放大，最终实现kHz级的振动过程测量。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法，包括以下步骤：

发出一序列重复的且具有宽光谱特征的脉冲激光；

发出与脉冲激光的重复频率相同的方波信号，并依据方波信号调控光路工作的时序；

收集脉冲激光中的单脉冲对振动被测物进行位移测量后形成的信号光和参考光；

在光路开启时对信号光和参考光进行放大处理，得到信号特征为频域干涉特征的光学信号；

对光学信号中的频域干涉特征进行傅里叶变换，得到振动被测物的振动位移。

进一步的，所述脉冲激光的光谱半宽度不小于5nm，脉冲半宽度不大于20ns，重复频率不大于50kHz。

进一步的，所述光学信号中的频域干涉特征表达式具体为：

其中，I(f，t)表示光能量谱密度，f为光频率，t为脉冲激光出光时刻；E₀(f)表示光波电场强度；T(t)表示脉冲激光出光时刻频域干涉信号周期性变化的特征时间；

表示信号光与参考光之间的固有相位差。

进一步的，所述振动被测物的振动位移计算公式具体为：

T(t)＝2d(t)/c

其中，T(t)表示脉冲激光出光时刻频域干涉信号周期性变化的特征时间；d(t)表示振动被测物的表面因振动发生的振动位移；c表示真空中的光速。

第二方面，提供了一种基于频域干涉的全光纤振动测量系统，该系统用于实现第一方面中任意一项所述的一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法，包括：

宽谱脉冲激光器，用于发出一序列重复的且具有宽光谱特征的脉冲激光；

光路控制电路，用于发出与脉冲激光的重复频率相同的方波信号，并依据方波信号调控光路工作的时序；

位移测量电路，用于收集脉冲激光中的单脉冲对振动被测物进行位移测量后形成的信号光和参考光；

信号处理电路，用于在光路开启时对信号光和参考光进行放大处理，得到信号特征为频域干涉特征的光学信号；

光纤光谱仪，用于对光学信号中的频域干涉特征进行傅里叶变换，得到振动被测物的振动位移。

进一步的，所述位移测量电路包括光纤环形器和光纤探头；

所述光纤环形器的三个端口分别与宽谱脉冲激光器的输出端、光纤探头的输入端、信号处理电路中光纤声光调制器的输入端连接。

进一步的，所述光纤探头的光纤端面不镀膜或镀介质增透膜调节回波损耗，以控制参考光和信号光的强度比。

进一步的，所述光路控制电路内置于宽谱脉冲激光器中，同步输出与脉冲激光的重复频率相同的方波信号；

所述宽谱脉冲激光器的触发输出端与信号处理电路中光纤声光调制器的触发端连接，依据方波信号的高电压和低电压控制光纤声光调制器的启闭；

所述宽谱脉冲激光器的触发输出端同时与光纤光谱仪的触发输入端连接，以控制光纤光谱仪同步工作。

进一步的，所述信号处理电路包括沿信号输出方向依次连接的光纤声光调制器、光纤放大器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法，采用一序列重复的且具有宽光谱特征的脉冲激光进行振动测量以提高采样频率，并对测量时序进行精准控制、抑制动态模糊并放大，能够采用傅里叶变换进行准确的信号解析，实现了kHz级的振动过程测量；

2、本发明中的测量系统采用了重复频率最大可达50kHz的宽谱脉冲激光器和重复频率与之匹配的光纤光谱仪，可对频率不超过25kHz的振动过程进行测量；

3、本发明采用频域干涉原理进行振动位移测量，具有较高的测量精度和量程，振幅测量上限可达6mm，精度可优于0.01mm，分辨力可达2.4μm水平；

4、本发明采用半宽度不大于20ns的脉冲激光作为系统光源进行测量时，在脉冲时间内，最大振动位移小于2.4μm，小于测量分辨力，故不会造成动态模糊。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中的流程图；

图2是本发明实施例中的工作原理图；

图3是本发明实施例中振动频率为500Hz时的测量结果图，a为振动信号示意图，b为振动信号对应的功率谱示意图；

图4是本发明实施例中振动频率为2000Hz时的测量结果图，a为振动信号示意图，b为振动信号对应的功率谱示意图；

图5是本发明实施例中考核实验结果图，a为正向，b为反向。

附图中标记及对应的零部件名称：

1、宽谱脉冲激光器；2、光纤环形器；3、光纤探头；4、振动被测物；5、光纤声光调制器；6、光纤放大器；7、光纤光谱仪。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1：一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：发出一序列重复的且具有宽光谱特征的脉冲激光；

S2：发出与脉冲激光的重复频率相同的方波信号，并依据方波信号调控光路工作的时序；

S3：收集脉冲激光中的单脉冲对振动被测物进行位移测量后形成的信号光和参考光；

S4：在光路开启时对信号光和参考光进行放大处理，得到信号特征为频域干涉特征的光学信号；

S5：对光学信号中的频域干涉特征进行傅里叶变换，得到振动被测物的振动位移。

本发明针对传统加速度传感技术和光学测振技术在传感器体积、测量方式及抗干扰能力的不足，基于光学频域干涉原理，设计了一种全光纤、非接触式测量的光学振动测量方法，通过采用一序列重复的且具有宽光谱特征的脉冲激光进行振动测量以提高采样频率，并对测量时序进行精准控制、抑制动态模糊并放大，能够采用傅里叶变换进行准确的信号解析，实现了kHz级的振动过程测量。

在本实施例中，脉冲激光的光谱半宽度不小于5nm，脉冲半宽度不大于20ns，重复频率不大于50kHz可对频率不超过25kHz的振动过程进行测量；此外，振幅测量上限可达6mm，精度可优于0.01mm，分辨力可达2.4μm水平；另外，在脉冲时间内，最大振动位移仅为2.4μm，不大于测量分辨力，故不会造成动态模糊。

单脉冲的信号光和参考光在光纤光谱仪中形成的信号特征为频域干涉特征的光学信号，即光强随频率发生周期型变化，频域干涉特征的表达式具体为：

其中，I(f，t)表示光能量谱密度，f为光频率，t为脉冲激光出光时刻；E₀(f)表示光波电场强度；T(t)表示脉冲激光出光时刻频域干涉信号周期性变化的特征时间；

表示信号光与参考光之间的固有相位差。

此外，通过对频域干涉特征进行傅里叶变换，可以得到特征时间，再结合特征时间可以计算出振动被测物的振动位移，其计算公式具体为：

T(t)＝2d(t)/c

其中，T(t)表示脉冲激光出光时刻频域干涉信号周期性变化的特征时间；d(t)表示振动被测物的表面因振动发生的振动位移；c表示真空中的光速。

实施例2：一种基于频域干涉的全光纤振动测量系统，如图2所示，该系统用于实现实施例1中所记载的一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法，包括宽谱脉冲激光器1、光路控制电路、位移测量电路、信号处理电路和光纤光谱仪7。

其中，宽谱脉冲激光器1，用于发出一序列重复的且具有宽光谱特征的脉冲激光；光路控制电路，内置于宽谱脉冲激光器1中，同步输出与脉冲激光的重复频率相同的方波信号，并依据方波信号的高电压和低电压调控光路的启闭；位移测量电路，用于收集脉冲激光中的单脉冲对振动被测物4进行位移测量后形成的信号光和参考光；信号处理电路，用于在光路开启时对信号光和参考光进行放大处理，得到信号特征为频域干涉特征的光学信号；光纤光谱仪7，用于对光学信号中的频域干涉特征进行傅里叶变换，得到振动被测物4的振动位移。

具体的，位移测量电路包括光纤环形器2和光纤探头3；所述光纤环形器2的三个端口分别与宽谱脉冲激光器1的输出端、光纤探头3的输入端、信号处理电路中光纤声光调制器5的输入端连接。需要说明的是，光纤环形器2可采用光纤耦合器替换。

在本实施例中，光纤探头3的光纤端面不镀膜或镀介质增透膜调节回波损耗，以控制参考光和信号光的强度比。

此外，光路控制电路内置于宽谱脉冲激光器1中，同步输出与脉冲激光的重复频率相同的方波信号；所述宽谱脉冲激光器1的触发输出端与信号处理电路中光纤声光调制器5的驱动端连接，依据方波信号的高电压和低电压控制光纤声光调制器5的启闭；所述宽谱脉冲激光器1的触发输出端同时与光纤光谱仪7的触发输入端连接，以控制光纤光谱仪7同步工作。

另外，信号处理电路包括沿信号输出方向依次连接的光纤声光调制器5、光纤放大器6。

在本实施例中，光纤光谱仪7采用光栅作为色散元件，谱宽度小于宽谱脉冲激光器1输出激光的光谱范围，光谱采样间隔不大于光谱分辨力的1/4。

上述光学链路中各器件的光纤均可采用符合国际电信联盟(ITU-T)G.657的单模光纤，光纤之间采用光纤连接器或熔接方式进行连接，电子学链路中均使用同轴电缆和配套的连接器进行连接。

工作原理：宽谱脉冲激光器1发出的一序列重复的、具有宽光谱特征的脉冲激光，通过光纤环形器2的①-②端口送至光纤探头3。

利用菲涅尔反射原理，一个单脉冲光在光纤探头3的光纤端面上被分为两个脉冲光；一个脉冲光直接返回至光纤环形器2，成为参考光；另外一个脉冲光照射至振动被测物4上，经其表面反射，并由光纤探头3收集送回光纤环形器2，成为信号光；参考光和信号光通过光纤环形器2的②-③端口进入光纤声光调制器5。

光纤声光调制器5在光路中作为“光开关”使用，其开断动作控制过程如下：宽谱脉冲激光器1在发出脉冲激光的同时，同步通过触发输出端输出的脉冲电信号输入至光纤声光调制器5的触发端，通过声光效应使进入光纤声光调制器5的光束方向发生变化，即在方波信号高电压到来时，光路打开，脉冲参考光和信号光从光纤声光调制器5的输入端传到输出端，在方波信号低电压到来时，光路关闭，脉冲参考光和信号光无法从光纤声光调制器5的输入端传到输出端。在光纤声光调制器5打开时，信号光和参考光传输至光纤放大器6，经光放大后，送入光纤光谱仪7进行记录与分析；也可以光纤光谱仪7进行记录后传输至上位机进行分析。

实施例3：采用实施例1、2中的技术方案，对喇叭的振动行为特征进行了测量。测量方法仅将振动被测物4替换为平面共振喇叭。实验中，喇叭的振动频率分别为500Hz、600Hz、700Hz、800Hz、900Hz、1000Hz、1200Hz、1500Hz、2000Hz，部分测量结果如3和图4所示，测量得到的最大振幅为0.040mm，最小振幅为0.012mm，并通过傅里叶变换获得了各频率下振动的模态信息。

此外，根据国家计量标准《线位移传感器校准规范》(JJF1305-2011)所规定的基本误差测量方法，采用2μm定位精度的线性平移台作为位移基准，考核了上述技术方案的测量精度。考核实验中所获得结果如图5所示，考核量程为1.17～5.73mm，基本误差为0.009mm，测量精度高。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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方式而已，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 (9)

1.一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法，其特征是，包括以下步骤：

发出一序列重复的且具有宽光谱特征的脉冲激光；

发出与脉冲激光的重复频率相同的方波信号，并依据方波信号调控光路工作的时序；

收集脉冲激光中的单脉冲对振动被测物进行位移测量后形成的信号光和参考光；

在光路开启时对信号光和参考光进行放大处理，得到信号特征为频域干涉特征的光学信号；

对光学信号中的频域干涉特征进行傅里叶变换，得到振动被测物的振动位移。

2.根据权利要求1所述的一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法，其特征是，所述脉冲激光的光谱半宽度不小于5nm，脉冲半宽度不大于20ns，重复频率不大于50kHz。

3.根据权利要求1所述的一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法，其特征是，所述光学信号中的频域干涉特征表达式具体为：

其中，I(f，t)表示光能量谱密度，f为光频率，t为脉冲激光出光时刻；E₀(f)表示光波电场强度；T(t)表示脉冲激光出光时刻频域干涉信号周期性变化的特征时间；

表示信号光与参考光之间的固有相位差。

4.根据权利要求1所述的一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法，其特征是，所述振动被测物的振动位移计算公式具体为：

T(t)＝2d(t)/c

其中，T(t)表示脉冲激光出光时刻频域干涉信号周期性变化的特征时间；d(t)表示振动被测物的表面因振动发生的振动位移；c表示真空中的光速。

5.一种基于频域干涉的全光纤振动测量系统，其特征是，该系统用于实现权利要求1-4任意一项所述的一种基于频域干涉的全光纤振动测量方法，包括：

宽谱脉冲激光器(1)，用于发出一序列重复的且具有宽光谱特征的脉冲激光；

光路控制电路，用于发出与脉冲激光的重复频率相同的方波信号，并依据方波信号调控光路工作的时序；

位移测量电路，用于收集脉冲激光中的单脉冲对振动被测物(4)进行位移测量后形成的信号光和参考光；

信号处理电路，用于在光路开启时对信号光和参考光进行放大处理，得到信号特征为频域干涉特征的光学信号；

光纤光谱仪(7)，用于对光学信号中的频域干涉特征进行傅里叶变换，得到振动被测物(4)的振动位移。

6.根据权利要求5所述的一种基于频域干涉的全光纤振动测量系统，其特征是，所述位移测量电路包括光纤环形器(2)和光纤探头(3)；

所述光纤环形器(2)的三个端口分别与宽谱脉冲激光器(1)的输出端、光纤探头(3)的输入端、信号处理电路中光纤声光调制器(5)的输入端连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于频域干涉的全光纤振动测量系统，其特征是，所述光纤探头(3)的光纤端面不镀膜或镀介质增透膜调节回波损耗，以控制参考光和信号光的强度比。

8.根据权利要求5所述的一种基于频域干涉的全光纤振动测量系统，其特征是，所述光路控制电路内置于宽谱脉冲激光器中，同步输出与脉冲激光的重复频率相同的方波信号；

所述宽谱脉冲激光器(1)的触发输出端与信号处理电路中光纤声光调制器(5)的触发端连接，依据方波信号的高电压和低电压控制光纤声光调制器(5)的启闭；

所述宽谱脉冲激光器(1)的触发输出端与光纤光谱仪(7)的触发输入端连接，以控制光纤光谱仪(7)同步工作。

9.根据权利要求5所述的一种基于频域干涉的全光纤振动测量系统，其特征是，所述信号处理电路包括沿信号输出方向依次连接的光纤声光调制器(5)和光纤放大器(6)。

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