CN203929213U - 一种多点式激光多普勒测振系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多点式激光多普勒测振系统，该系统包括依次设置的激光器、光纤、光纤耦合器、声光器调制器、第一准直镜组、第一分光镜和可调扩束镜，在第一准直镜组的一侧设有第二准直镜，在第一分光镜的一侧设有第二分光镜，第二准直镜与第二分光镜同轴设置，其中第一分光镜与第二分光镜呈反方向倾斜设置；在第二分光镜的一侧设有汇聚透镜、光电探测器，光电探测器的输出端与解调电路连接。该系统具有使用单一探测器，能够进行实时多点同步振动测量的优点，避免了扫描式测振仪的实时性问题以及多通道式测振仪的探测器响应同步问题，且体积小巧、成本低廉、机动灵活，能够有效实现非接触、远距离、高精度、纳米量级的振动测量，特别适于声学、航空航天、地雷勘探、质量检测、医疗、爆炸研究等领域的推广。

Description

一种多点式激光多普勒测振系统

技术领域

本实用新型涉及一种多点式激光多普勒测振系统，属于光学精密测量技术领域。

背景技术

光学干涉测振方法具有一系列独特的优点，包括非接触、易隐藏、高精度和高灵敏度等，在生产和研究中获得了广泛的应用和关注。

从技术原理上，光学干涉测振大体上可以分为两大类，一类是基于图像采集系统的全场干涉测量法，另一类是基于光电探测器(Photodetector)的激光多普勒测振法(Laser Doppler Vibrometry)。全场测量法包括全息干涉法(HolographicInterferometry)、数字散斑干涉法(Speckle Interferometry)等。随着高速CCD(Charge-coupled Device)相机的发展，全场测量法在实时振动测量领域受到了日益广泛的关注，但受奈奎斯特采样定律(Nyquist Sampling Theorem)所限，这种方法对位移或者速度的测量范围仍然较低，探测效果不够理想。此外，高速阵列探测器造价昂贵、灵敏度低、作用距离短、后端解调电路复杂。采用光电探测器的激光多普勒测振方法，由于光电探测器的时间采样率远高于CCD相机，通常超过1GHz，具有更宽泛的振动速度测量范围和更高的灵敏度。并且可以通过声光调制外差技术，过滤掉干涉背景和各种低频噪声，使设备能够在复杂环境下稳定工作。另外，光纤式的光路结构使其体积小巧、易于携带、成本低廉。

然而，传统的多普勒测振方式只能进行单点测量，无法像全场测量方式那样获取目标表面多点的振动信息。为解决这一问题，出现了扫描式及多通道式的激光多普勒测振仪。扫描式测振仪通过在待测物体上快速移动测量点实现多点测量功能，但整个扫描过程中，需要假定物体的状态维持不变，因此它只适合稳态的振动，然而大多数的工程测量并不满足这一要求，如冲击载荷作用下的瞬态振动、耦合振动等，这使得其应用范围受到限制。多通道激光多普勒测振仪通过集成多个单点多普勒测振仪来实现多点测量。与多通道激光多普勒测振仪最为接近的已有技术是专利CN201310253021.X，如图2所示。它需要多个光探测器来同时完成测量，但多个探测器之间的响应必须同步，如何做到同步响应仍然有待更好地解决。

为了克服上述系统的缺点，特设计一种使用单探测器的多点式激光多普勒测振系统，同步实时解调不同测量点的振动信息，避免了扫描式测振仪的实时性问题以及多通道式测振仪的响应同步问题，且体积小巧、成本低廉。

实用新型内容

本实用新型的目的克服现有技术中多点多普勒测振方式的缺点，将一束激光分成多束来作为不同测量点的入射光，然后用多个声光调制器给这若干束激光分别加上不同的附加频移，并通过频率域处理将多点的信号进行分离，实现单一探测器同时解调多点振动信号。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：提供一种多点式激光多普勒测振系统，其特征在于，所述系统包括依次设置的激光器、光纤、光纤耦合器、声光调制器、第一准直镜组、第一分光镜和可调扩束镜，在第一准直镜组的一侧设有第二准直镜，在第一分光镜的一侧设有第二分光镜，第二准直镜与第二分光镜同轴设置，其中第一分光镜与第二分光镜呈反方向倾斜设置；在第二分光镜的一侧设有汇聚透镜、光电探测器，光电探测器的输出端与解调电路连接。

其中优选的技术方案是，所述声光调制器设有若干个，且相互平行设置；在所述第一准直镜组内设有与声光调制器的数量和位置相对应的第一准直镜。

优选的技术方案还有，所述第一分光镜与第二分光镜相对于垂直面的倾斜角度为45°、135°。

优选的技术方案还有，所述激光器为发射窄线宽激光信号的激光器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：该多点式激光多普勒测振系统具有使用单一探测器，能够进行实时多点同步振动测量的优点。系统将一束激光分成多束作为不同测量点的入射光，然后用多个声光调制器给这若干束激光分别加上不同的附加频移，并通过频率域处理将多点的信号进行分离，避免了扫描式测振仪的实时性问题以及多通道式测振仪的探测器响应同步问题，且体积小巧、成本低廉、机动灵活，能够有效实现非接触、远距离、高精度、纳米量级的振动测量，特别适于声学、航空航天、地雷勘探、质量检测、医疗、爆炸研究等领域的推广。

附图说明

图1为本实用新型一种多点式激光多普勒测振系统的结构示意图；

图2为现有技术的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型是一种多点式激光多普勒测振系统，该系统包括依次设置的激光器101、光纤102、光纤耦合器103、声光调制器104、第一准直镜组105、第一分光镜106和可调扩束镜107，在第一准直镜组105的一侧设有第二准直镜109，在第一分光镜106的一侧设有第二分光镜110，第二准直镜109与第二分光镜110同轴设置，其中第一分光镜106与第二分光镜110呈反方向倾斜设置；在第二分光镜110的一侧设有汇聚透镜111、光电探测器112，光电探测器112的输出端与解调电路113连接。

在本实用新型中优选的实施方案是，所述第一分光镜106与第二分光镜110相对于垂直面的倾斜角度分别为45°和135°。

在本实用新型中优选的实施方案还有，所述激光器为发射窄线宽激光信号的激光器。

该多点式激光多普勒测振系统的工作原理是：

激光器101发出单频激光信号的光场强度E为，

E＝A cos(ω₀t+φ₀)，

式中，A为光电场振幅，ω₀为光振动圆频率，φ₀为初始相位，

光场E经1×n路光纤耦合器103分光后，每一路变为

经过中心频率为ω_IFi的第i个光移频器后，输出信号光的一级光频率上移为，

E_Si＝A_r cos[(ω₀+ω_IFi)t+φ₀]，

经光学部件汇聚到被测振动目标物108上，并由振动目标物108向后散射，光场强度E_S变为，

$E_S=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_r\cos [({\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IFi}})t+{\mathrm{\φ}}_0+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ti}}\left(t\right)]$

式中，φ_ti(t)为第i束反回光相位，其值随被测目标物108表面振动而变化，变化率即为振动点产生的频移Δf_i，

Δf_i＝2v_i(t)/λ

式中，v_i(t)为振动目标物108上第i点随时间t变化的振动速度，λ为激光器101出射光波长。

所述光场强度E_S经光学部件后最终到达第二分光镜110表面；

所述光场强度E_SE经过光纤耦合器103、第二准直镜109后，到达第二分光镜110表面，输出参考光为，

E_R＝A_R cos(ω₀t+φ₀)，

所述到达第二分光镜110表面的光场强度E_S和光场强度E_R，经第二分光镜110后产生干涉，其光场强度为：

$E_R+E_S=A_R\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_0)+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_S\cos [({\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IFi}})t+{\mathrm{\φ}}_0+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ti}}\left(t\right)],$

所述E_R+E_S的光场信号经响应率为R的光电探测器112转换为电信号I:

$I=R{\{A_R\cos ({\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\φ}}_0)+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_S\cos [({\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IFi}})t+{\mathrm{\φ}}_0+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ti}}\left(t\right)\left]\right\}}^2,$

所述电信号I经解调电路113进行滤波、放大、解调处理后，最终输出目标振动信号。

实施例1

本实用新型将一束激光分成多束来作为不同测量点的入射光，然后用多个声光调制器104给这若干束激光分别加上不同的附加频移，并通过频率域处理将多点的信号进行分离，避免了扫描式测振仪的实时性问题以及多通道式测振仪的光电探测器112响应同步问题，且体积小巧、成本低廉、机动灵活，能够有效实现非接触、远距离、高精度、纳米量级的振动测量，特别适于声学、航空航天、地雷勘探、质量检测、医疗、爆炸研究等领域的推广。

如图1所示，本实用新型的多点式激光多普勒测振系统，包括：

依次连接的激光器101，光纤102，光纤耦合器103，声光调制器104，第一准直镜组105，第一分光镜106，可调扩束镜107，振动源108，第二准直镜109，第二分光镜110，汇聚透镜111，光电探测器112，解调电路113；

所述激光器101为窄线宽光纤输出激光器，激光输出并经光纤102、光纤耦合器103后，分为信号光和参考光；

所述信号光经声光调制器104、第一准直镜组105后，进入分立光学元件构成的空间光路，经第一分光镜106，可调扩束镜107投射并聚焦至振动源108的振动表面上的多个点、携带振动信息后漫反射回可调扩束镜107、第一分光镜106至第二分光镜110表面；

所述参考光经第二准直镜109后，进入分立光学元件构成的空间光路，到达第二分光镜110表面；

所述信号光和参考光经第二准直镜109分光后发生干涉，产生干涉信号光，经汇聚透镜111汇聚后至光电探测器112表面；

所述光电探测器112收集所述干涉信号光，并转换为电信号发送至解调电路113；

所述电信号经解调电路113进行滤波、放大、解调处理后输出振动信号114。

实施例中，激光器101发出单频激光信号场E为，

E＝A cos(ω₀t+φ₀)，

式中，A为光电场振幅，ω₀为光振动圆频率，φ₀为初始相位，

实施例中，光场强度E经1×n路光纤耦合器103分光后，每一路变为1

实施例中，光场经过中心频率为ω_IFi的第i个光移频器后，输出信号光的一级光频率上移为，

E_Si＝A_S cos[(ω₀+ω_IFi)t+φ₀]，

实施例中，信号光经光学部件汇聚到被测振动目标物108上，并由振动目标物108向后散射，变为，

$E_S=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_r\cos [({\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IFi}})t+{\mathrm{\φ}}_0+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ti}}\left(t\right)]$

式中，φ_ti(t)为第i束反回光相位，其值随被测振动目标物108表面振动而变化，变化率即为振动点产生的频移Δf_i，

Δf_i＝2v_i(t)/λ，

式中：v_i(t)为目标物上i点随时间t变化的振动速度，λ为激光器出射光波长。

实施例中，所述光场强度E_S经光学部件后最终到达第二分光镜110表面；

实施例中，所述光场强度E经过光纤耦合器104，第二准直镜109后，到达第二分光镜110表面，输出参考光为，

E_R＝A_R cos(ω₀t+φ₀)，

实施例中，所述光场强度E_R经光学部件到达第二分光镜109表面；

实施例中，所述到达第二分光镜109表面的光场强度E_S和光场E_R，经第二分光镜110后产生干涉，其光场强度为，

$E_R+E_S=A_R\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_0)+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_S\cos [({\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IFi}})t+{\mathrm{\φ}}_0+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ti}}\left(t\right)],$

实施例中，所述E_R+E_S的光场信号经响应率为R的光电探测器112转换为电信号I:

$I=R{\{A_R\cos ({\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\φ}}_0)+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_S\cos [({\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IFi}})t+{\mathrm{\φ}}_0+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ti}}\left(t\right)\left]\right\}}^2,$

实施例中，所述电信号I经解调电路113进行滤波、放大、解调理后，最终输出目标振动信号114。

实施例中，采用多个声光调制器104给这若干束激光分别加上不同的附加频移，并通过频率域处理将多点的信号进行分离，以完成非接触式多点振动测量。

本实用新型不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本实用新型的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种多点式激光多普勒测振系统，其特征在于，所述系统包括依次设置的激光器(101)、光纤(102)、光纤耦合器(103)、声光调制器(104)、第一准直镜组(105)、第一分光镜(106)和可调扩束镜(107)，在第一准直镜组(105)的一侧设有第二准直镜(109)，在第一分光镜(106)的一侧设有第二分光镜(110)，第二准直镜(109)与第二分光镜(110)同轴设置，其中第一分光镜(106)与第二分光镜(110)呈反方向倾斜设置；在第二分光镜(110)的一侧设有汇聚透镜(111)、光电探测器(112)，光电探测器的输出端与解调电路连接。

2.如权利要求1所述的多点式激光多普勒测振系统，其特征在于，所述声光调制器(104)设有若干个，且相互平行设置；在所述第一准直镜组(105)内设有与声光调制器(104)的数量和位置相对应的第一准直镜。

3.如权利要求1所述的多点式激光多普勒测振系统，其特征在于，所述第一分光镜(106)与第二分光镜(110)相对于垂直面的倾斜角度分别为45°和135°。

4.如权利要求1所述的多点式激光多普勒测振系统，其特征在于，所述激光器(101)为发射窄线宽激光信号的激光器。