CN202815006U - 光纤传输式声光调制激光多普勒相干探测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的在于提供光纤传输式声光调制激光多普勒相干探测仪，包括激光器、分光器、光纤耦合器、保偏光纤、光纤输出端、透镜、光电探测器、散射光收集透镜、光阑、频率跟踪器，激光器面向分光器，从激光器里发射的光经过分光器分成两组，第一组光依次经过第一光纤耦合器、第一保偏光纤、第一光纤输出端至透镜，第二组光依次经过第二光纤耦合器、第二保偏光纤、第二光纤输出端至透镜，两组光经透镜后投射至被测流体区域，被测流体区域与透镜之间依次设置光阑、散射光收集透镜、光电探测器，光电探测器连接频率跟踪器。本实用新型降低了背景光及震动对光路的影响，提高了相干光探测信噪比和输出混频信号的稳定性。

Description

光纤传输式声光调制激光多普勒相干探测仪

技术领域

本实用新型涉及的是一种测速仪，具体地说是激光测速仪。

背景技术

激光多普勒测速仪(Laser Doppler Anemometry,LDA)是测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。由于是激光测量，对于流场没有干扰，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。激光多普勒测速仪从功能上分为：光路部分、信号处理部分。光路部分：采用He-Ne激光器或Ar离子激光器，是因为它们能够提供高功率的514.5nm，488nm，476.5nm三种波长的激光。带有频移装置的分光器将激光分成两束，再经过耦合器，将激光送到激光发射探头，调整激光在光腰部分聚焦在同一点，以保证最小的测量体积，这一点就是测量体即光学探头。接受探头将接受到的多普勒信号送到光电倍增管转化为电信号以及处理并发大，再至多普勒信号分析仪分析处理后至计算机记录，配套系统软件可以进行数据处理工作。但是传统非光纤输出式激光多普勒测速仪调试复杂，便携性低等不足。

发明内容

本实用新型的目的在于提供提高了相干光探测信噪比和输出混频信号的稳定性的光纤传输式声光调制激光多普勒相干探测仪。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型光纤传输式声光调制激光多普勒相干探测仪，其特征是：包括激光器、分光器、光纤耦合器、保偏光纤、光纤输出端、透镜、光电探测器、散射光收集透镜、光阑、频率跟踪器，激光器面向分光器，从激光器里发射的光经过分光器分成两组，第一组光依次经过第一光纤耦合器、第一保偏光纤、第一光纤输出端至透镜，第二组光依次经过第二光纤耦合器、第二保偏光纤、第二光纤输出端至透镜，两组光经透镜后投射至被测流体区域，被测流体区域与透镜之间依次设置光阑、散射光收集透镜、光电探测器，光电探测器连接频率跟踪器。

本实用新型还可以包括：

1、还包括依次相连的光纤整型装置、声光调制器、声光器件射频源，光纤整型装置、声光调制器设置在分光器与第一光纤耦合器之间的第一组光的光路上。

本实用新型的优势在于：本实用新型利用多普勒效应测量被测区域内流体的速度，采用光纤代替传统光学系统，满足了信号光和参考光的传输条件，并且降低背景光及震动对光路的影响，有利于提高相干光探测信噪比和输出混频信号的稳定性，提高了测量设备的便携性和稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的原理图；

图2为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本实用新型做更详细地描述：

结合图1～2，光纤传输式声光调制激光多普勒相干探测仪器，包括：

激光器1、分光器2、信号光光纤输出装置、参考光光纤输出装置、干涉信号采集装置和频率跟踪器11；

所述激光器1输出的激光信号经过分光器2后，被分为信号光和参考光，分别传输至信号光光纤输出装置和参考光光纤输出装置，

所述从信号光光纤输出装置输出的光信号和参考光光纤输出装置输出的光信号投射至被测区域，并且所述两束光信号在被测区域内发生干涉现象产生干涉信号；

所述干涉信号采集装置收集所述干涉信号；并将所述干涉信号转换为电信号发送至频率跟踪器11；

所述频率跟踪器11测量接收信号的频率。

激光多普勒测速技术是利用激光多普勒效应进行流速测量的。当激光照射到跟随流体一起运动的微粒子上时，微粒残舍的散射光频率将偏离入射光频率，这种现象叫做激光多普勒效应。其中散射光与入射光之间的频率偏离量称作多普勒频移，多普勒频移与微粒的运动速度，即流体的流速成正比。因此，通过测激光的多普勒频移就可以测得流体的速度。

图1中LS为固定的激光光源，其发射的单色平面光波频率为发f_i，波长为λ_i，传播方向用单位矢量K_i表示。P代表跟随流体一起运动的微粒，其运动速度为

（矢量），v可以代表流体的流速。PD为固定的光波接收器（光电检测器），它接收运动微粒P的散射光波，接收方向用单位矢量

表示。

根据多普勒效应，对于固定光源LS发射的入射光，运动微粒P（相当于入射光的接收器）所接收到的光波频率f_p为

$f_p=f_i(1-\frac{\stackrel{\→}{v}\·\stackrel{\→}{\mathrm{Ki}}}{c})---\left(1\right)$

式中，c为光速。对于运动微粒的散射光波（频率为f_p），固定接收器PD接收到的光波频率f_s为

$f_s=f_p\left(\frac{1}{1-\frac{\stackrel{\→}{v}\·\stackrel{\→}{\mathrm{Ks}}}{c}}\right)---\left(2\right)$

将式(1)带入到(2)中，整理后得到

$f_s=f_i(1+\frac{\stackrel{\→}{v}\·(\stackrel{\→}{\mathrm{Ks}}-\stackrel{\→}{\mathrm{Ki}})}{c-\stackrel{\→}{v}\·\stackrel{\→}{\mathrm{Ks}}})---\left(3\right)$

因此，固定接收器收到的光波频率与固定激光光源发射的光波频率之间的多普勒频移

为

$f_D=f_s-f_i=f_i\frac{\stackrel{\→}{v}\·(\stackrel{\→}{K_s}-\stackrel{\→}{K_i})}{c-\stackrel{\→}{v}\·\stackrel{\→}{K_s}}=\frac{f_i}{c}\left[\frac{\stackrel{\→}{v}\·(\stackrel{\→}{K_s}-\stackrel{\→}{K_i})}{1-\frac{\stackrel{\→}{v}\·\stackrel{\→}{K_s}}{c}}\right]---\left(4\right)$

因为f_i=c/λ_i，而微粒的速度

所以式(4)可以简化为

$f_D=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}\stackrel{\→}{v}\·(\stackrel{\→}{K_s}-\stackrel{\→}{K_i})---\left(5\right)$

如图1所示，假设入射光波的方向矢量

与散射光波的接收方向之间的夹角为θ,速度矢量

与合成矢量

之间的夹角为

则

将

代入上式，得

再将速度

在

方向上的分量大小记为v_n，即

代入式(7)，得

$f_D=\frac{2\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}}{{\mathrm{\λ}}_i}{v}_n---\left(8\right)$

式（8）就是激光多普勒测速仪工作与那里的基本表达式。可见，只要激光器发射的入射光波的波长λ_i以及入射光波λ方向

与散射光波接收方向

的夹角θ一定，则微粒运动速度在

方向上的分量大小v_n与多普勒频移f_D呈简单的线性关系，因此测量出多普勒频移，就可以得到运动微粒在相应方向上的分量大小。这也就意味着通过改变光源与检测器的相对位置，就可以测量出微粒速度在任何方向上的分量大小。

实施方式1：

如图1所示激光器1输出的激光信号经过分光器2后，被分为信号光和参考光，分别传输至信号光光纤输出装置和参考光光纤输出装置，

所述信号光光纤输出装置包括保偏光纤5、光纤耦合器3和光纤输出端7；

所述参考光光纤输出装置包括保偏光纤5、光纤耦合器3和光纤输出端7；

信号光依次经过光纤耦合器3、保偏光纤5和光纤输出端7传输至聚焦透镜；

参考光依次经过光纤耦合器3、保偏光纤5和光纤输出端7传输至聚焦透镜8；

信号光和参考光经过聚焦透镜8投射至被测区域，信号光和参考光在被测区域内发生干涉，带有频率信息的光信号依次经过光阑10、散射光收集透镜9，汇聚至光电探测器13的光敏面上；

光电探测器13将光信号转换为电信号传递至频率跟踪器11；

所述频率跟踪器11测量接收信号的频率。

其中信号光和参考光可以先经过光纤整形装置4再入射至光纤耦合器3。

保偏光纤5确保了传输过程中两束光偏振态的一致性。

实施方式2：

本实施例与实施例1的不同之处在于信号光光纤输出装置包括保偏光纤5、光纤耦合器3、声光调制器6、声光器件射频源12，和光纤输出端7；

声光器件射频源12可产生可控射频信号，射频信号由空间截获并经下变频的雷达信号，它具有连续或瞬时特性，在射频信号的作用下，声光偏转器6发生布拉格衍射，其+1（或-1）级衍射光频率与光源频率相差一倍声波频率，偏转角度与RF信号的频率成正比，偏转光强度与RF信号强度成正比。利用包括声光调制器6和声光器件射频源12的光纤传输式声光调制激光多普勒相干探测仪器可以实时处理多个同时到达的并行信号，当流体三维空间中2个或者3个方向均有速度时，可以利用多个频率的信号光同时测量各个方向的速度，并最终获得流体的速度。

利用本实用新型的光纤传输式声光调制激光多普勒相干探测仪器，通过测量流体产生的多普勒频移，从而测量流体速度。与传统测试仪器相比，采用上述装饰具有以下优点：

(1)采用保偏光纤进行传输与相干合路，从而满足了信号光和参考光在相干光探测中的偏振特性及传输条件，降低背景光及振动对合路的影响，有利于提高相干光探测信噪比和输出混频信号的稳定性。提高了整个系统的便携性和稳定性。

(2)实时处理多个同时到达的并行信号的能力强。在信号功率不高的情况下，声光偏转器对声信号来说是线性器件，同时到达信号间不发生相互作用。在声束传播过程中，分别对光束进行调制，产生不同的衍射光。由此可见，声光接收机的实质是一种等效的信道化接收机，它直接从频域滤波，故分离性能好。

(3)输出信噪比得到改善且灵敏度高。这是由于它采用了外差探测技术和光纤传输处理方法的原因，且声光偏转器为介质材料，抗电磁干扰能力强的同时具有滤波特性，对噪声具有较好的抑制作用。

(4)瞬时带宽大，截获率高。声光测频系统的瞬时带宽主要受限于声光偏转器的带宽，其瞬时带宽可以达到1GHz。在瞬时测频范围内，对单个脉冲的截获概率可达到100%。

(5)频率分辨能力高。

(6)光路易于调整且探测效率高。将空间光注入保偏光纤进行传输与合路，使得光学系统调整简单，降低了由信号光与参考光的空间相位失配和偏振态失配而产生的对外差效率的影响。另外，背景光和振动对合路的影响也大大的减小了。因此，信噪比可以得到很大的提高。

Claims (2)

1.光纤传输式声光调制激光多普勒相干探测仪，其特征是：包括激光器、分光器、光纤耦合器、保偏光纤、光纤输出端、透镜、光电探测器、散射光收集透镜、光阑、频率跟踪器，激光器面向分光器，从激光器里发射的光经过分光器分成两组，第一组光依次经过第一光纤耦合器、第一保偏光纤、第一光纤输出端至透镜，第二组光依次经过第二光纤耦合器、第二保偏光纤、第二光纤输出端至透镜，两组光经透镜后投射至被测流体区域，被测流体区域与透镜之间依次设置光阑、散射光收集透镜、光电探测器，光电探测器连接频率跟踪器。

2.根据权利要求1所述的光纤传输式声光调制激光多普勒相干探测仪，其特征是：还包括依次相连的光纤整型装置、声光调制器、声光器件射频源，光纤整型装置、声光调制器设置在分光器与第一光纤耦合器之间的第一组光的光路上。

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