CN216411564U - 一种基于参考光电光调制的光子多普勒速度计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于参考光电光调制的光子多普勒速度计，由激光器、光分路器、光环行器、PDV光探头、电光调制器、电信号发生器、光合路器、光电转换器组成，激光器输出的激光经过光分路器分为两路，一路作为探测光用于探测运动物体的多普勒频移，另一路光作为参考光，其特征为：参考光经光纤连接到电光调制器，电光调制器在电信号发生器的作用下，对激光器的输出光进行调制产生频移，进入光合路器，运动物体多普勒频移的探测光和电光调制器调制后的参考光在光合路器中进行干涉，到达光电转换器变为电信号。本实用新型中的探测光和参考光采用同一个激光器作为基频，参考光的频移由电光调制器产生，保证了探测光多普勒频移与参考光频移都稳定。
Description
技术领域
本实用新型涉及高速运动物体的速度测量技术，具体涉及一种基于参考光电光调制的光子多普勒速度计（PDV）。
背景技术
在冲击波、爆炸物理以及材料冲击特性的研究中，常常需要对物体的运动速度进行测量。在这种场合，物体运动具有极高的速度，可达数百m/s到km/s，且运动时间极短、加速度也极高，通常在微秒量级。测量这种运动的传统方法是使用由分立光学元件（如各类透镜）搭建的任意反射面速度测量干涉系统（VISAR，Velocity Interferometer System forAny Reflector）。近年来，随着光纤、光无源器件以及相关光电子器件技术的发展和完善，基于光纤和光纤器件的光全纤干涉测速系统（FVISAR）不仅克服了传统测速系统体积庞大、调试困难的缺点，且具有灵敏度高、动态范围大和便于安装等优点。
在目前已有的光纤测速系统中，基于运动物体的反射光多普勒频移的差拍法（Velocimetry Using Heterodyne Techniques）也称PDV法（Photonic DopplerVelocimetry）具有稳定性好，易于测量多点速度特性。干涉仪的结构通常采用斐索干涉仪结构，这种结构将光探头置于运动体附近，利用自身的反射光（称为一次反射）与来自于运动物体的反射光（称为二次反射）相干涉的原理实现。这种干涉仪只有光探头到运动体之间的一小部分光路是不共路的，其余都是共路的，所以非常稳定。这时，多普勒频移可用下式表示
式中，
是光的频移量，
是物体的运动速度，
是所用激光的波长。当所用波长为1550nm时，则可用公式计算
当速度在10km/s以下时，频移量小于10GHz，在一般的探测器和示波器的测量范围之内，因此，这种结构的PDV获得了广泛的应用，成为目前PDV的主流。
当速度高于10km/s时，
，这么大的频率变化，对于光探测器和示波器记录，都有一定难度。由此表明，目前的基于斐索干涉仪原理的PDV已经达到极限，需要另辟新径，从而要必须改变现有干涉仪的结构。
我们知道，干涉仪包括一个探测光和一个参考光，二者干涉的结果取决于二者的
频差。假定激光器输出光的频率是
，探测光的频率是
。当参考光选择与激
光器输出同频率时，则二者的频差为
。但如果参考光也有一定的频移
，即参考
光频率变为
，那么二者的频差即为
，这样就可以降低示波器与探测器
的负担，从而增大测量范围。
为了实现参考光的预频移，最简单的方法是采用双频激光器，或者使用两个频率相近的激光器。但是，市售的双频激光器不仅价格昂贵，而且频差不稳定。如果使用两个激光器频差就更无法确定。这就使得干涉仪的工作点不稳定，两个干涉臂的频差也不稳定，因而这种方案难以实现。
发明内容
为实现上述目的，本实用新型提供一种新的光纤干涉仪结构，旨在解决现有技术中的基于双频激光器或者两个激光器的频差不稳定、以及光路延迟不确定的问题。
本实用新型提供的基于参考光电光调制的光子多普勒速度计，包括：
激光器、光分路器、光环行器、PDV光探头、电光调制器、电信号发生器、光合路器、光探测器等，其中，所述的激光器是一个窄带激光器，它输出的激光经过一个光分路器分为两路，其中一路用于探测运动物体的多普勒频移，称为探测光，它经过一段光纤连接到所述光环行器的1端口，然后经过所述光环行器的2端口输出进入传输探测光的光纤，该光纤的末端连接所述PDV光探头；探测光经由PVD光探头出射，将光打到被测物上，然后从被测物表面反射，重新进入PVD光探头，经过探测光的传输光纤，返回到所述光环行器的3端口，进入所述光合路器；
由所述光分路器分出的另一路光作为参考光，经光纤连接到所述电光调制器，所述电光调制器在电信号发生器的作用下，对所述激光器输出的光进行调制，产生频移，然后进入所述光合路器，受运动物体多普勒频移的探测光和经所述电光调制器调制后的参考光在光合路器中进行干涉，最后到达所述光探测器变成为电信号，然后送入示波器进行显示与记录。
优选的，所述的基于参考光电光调制的光子多普勒速度计中的电信号发生器，是一个正弦信号发生器，所述的电光调制器是一个强度调制器。
优选的，所述的基于参考光电光调制的光子多普勒速度计中的电信号发生器，是一个方波信号发生器，所述的电光调制器是一个强度调制器。
优选的，所述的基于参考光电光调制的光子多普勒速度计中的电信号发生器，是一个正弦信号发生器，所述的电光调制器是一个相位调制器。
优选的，所述的基于参考光电光调制的光子多普勒速度计中的电信号发生器，是一个方波信号发生器，所述的电光调制器是一个相位调制器。
进一步的，在所述的基于参考光电光调制的光子多普勒速度计中，在所述电光调制器后面装有一个窄带滤波器，以保证滤出的光信号频率为
。
进一步的，所述的基于参考光电光调制的光子多普勒速度计中的电信号发生器，是一个调频信号发生器。
本实用新型的有益效果在于：
（1）采用同一个激光器作为基频，通过参考光电光调制获得参考光的预频移，从而可以保证探测光的多普勒频移与参考光的频移都稳定；
（2）无需昂贵的双频激光器，普通窄带激光器即可实现；
（3）参考光的频移量可以根据所测量的速度便捷的进行调整。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型的基于参考光电光调制的光子多普勒速度计的结构示意图。
图2是本实用新型的基于参考光电光调制的光子多普勒速度计的改进结构示意图。
附图标记：
图1中：
1-激光器；2-光分路器；3-光环行器；4-光探头；5-电光调制器；6-电信号发生器；7-光合路器；21-光分路器的第一输出端口；22-光分路器的第二输出端口；31-光环行器的1端口；32-光环行器的2端口；33-光环行器的3端口；71-光合路器的第一输入端口；72-光合路器的第二输入端口；
图2中：
1-激光器；2-光分路器；3-光环行器；4-光探头；5-电光调制器；6-电信号发生器；7-光合路器；8-光电转换器；9-窄带滤波器；10-相位调制器；11-信号处理电路；21-光分路器的第一输出端口；22-光分路器的第二输出端口；31-光环行器的1端口；32-光环行器的2端口；33-光环行器的3端口；71-光合路器的第一输入端口；72-光合路器的第二输入端口；
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，“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】参见图1，其中包括：
1-激光器；2-光分路器；3-光环行器；4-光探头；5-电光调制器；6-电信号发生器；7-光合路器；8-光电转换器；21-光分路器的第一输出端口；22-光分路器的第二输出端口；31-光环行器的1端口；32-光环行器的2端口；33-光环行器的3端口；71-光合路器的第一输入端口；72-光合路器的第二输入端口；
在所述的基于参考光电光调制的光子多普勒速度计中，所述激光器1是一个窄带激光器；所述光分路器2将注入频率为
的光分为两路，一路用作探测光，另一路用作参考光，其分光比根据探测光返回到所述光合路器的功率与参考光到达光合路器的功率接近相等的原则进行确定；所述光环行器3的1号端口（31端口）与光分路器的第一输出端口（21端口）相连接；所述光环行器的2号端口（32端口）与光探头4相连接；所述光探头4将频率为
的光输出，投射到运动物体上，当物体运动时，反射光产生多普勒频移，为
，并重新进入光探头4，到达所诉光环行器的2号端口（32端口）；所述光环行器的3号端口（33端口）与光合路器7的第一输入端口（71端口）相连接；所述光分路器2的第二输出端口与电光调制器5相连接，电信号发生器6产生一个所需的电信号，并由电光调制器5进行调制，使参考光产生一个频移，变为
；所述电光调制器的输出端口与光合路器7的第二输入端口（72端口）相连接，探测光与参考光在光合路器7中实现干涉，然后到达光电转换器8，实现光信号向电信号的转换，并送给示波器或者数据采集卡进行记录或显示；
其中，所述电光调制器5是强度调制器或者相位调制器中的一种；
所述电信号发生器6是正弦信号发生器或者方波信号发生器中的一种。
【实施例2】
参见图2，其中包括：
1-激光器；2-光分路器；3-光环行器；4-光探头；5-电光调制器；6-电信号发生器；7-光合路器；8-光电转换器；9-窄带滤波器；10-相位调制器；11-信号处理电路；21-光分路器的第一输出端口；22-光分路器的第二输出端口；31-光环行器的1端口；32-光环行器的2端口；33-光环行器的3端口；71-光合路器的第一输入端口；72-光合路器的第二输入端口；
本实施例与实施例1之不同之处，在于在参考光的一路上，增加了窄带滤波器、相位调制器，以及控制相位调制器的信号处理电路。具体为：
在所述电光调制器5的后面，连接有窄带滤波器9，该滤波器将频移后的参考光选出，而将初始频率为的载波以及因调制而产生其它频率的光滤除，使得参考光的频率更加单一；在窄带滤波器后面连接有相位调制器10，所述相位调制器10的作用是使参考光和探测光的初相位差保持稳定，并使干涉仪的工作点处于相对较灵敏的位置。为了控制好干涉仪的工作点，在所述光电转换器8将干涉信号转换为电信号以后，将该电信号送至信号处理电路11，然后去控制相位调制器10的相位，这样相位调制器10、光合路器7、光电转换器8以及信号处理电路11共同构成了一个闭环反馈系统，通过优化算法，使PDV工作点稳定。
以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种基于参考光电光调制的光子多普勒速度计，由激光器、光分路器、光环行器、PDV光探头、电光调制器、电信号发生器、光合路器、光电转换器组成，所述激光器输出的激光经过光分路器分为两路，其中一路作为探测光用于探测运动物体的多普勒频移，另一路光作为参考光，其特征在于：参考光经光纤连接到电光调制器，电光调制器在电信号发生器的作用下，对所述激光器输出的光进行调制，产生频移，然后进入光合路器，运动物体多普勒频移的探测光和由所述光调制器调制的参考光在光合路器中进行干涉，最后到达所述光电转换器变成为电信号，然后送入示波器进行显示与记录。
2.根据权利要求1所述的一种基于参考光电光调制的光子多普勒速度计，其特征在于：所述电信号发生器是一个正弦信号发生器，所述电光调制器是一个强度调制器。
3.根据权利要求1所述的一种基于参考光电光调制的光子多普勒速度计，其特征在于：所述电信号发生器是一个方波信号发生器，所述电光调制器是一个强度调制器。
4.根据权利要求1所述的一种基于参考光电光调制的光子多普勒速度计，其特征在于：所述电信号发生器是一个正弦信号发生器，所述电光调制器是一个相位调制器。
5.根据权利要求1所述的一种基于参考光电光调制的光子多普勒速度计，其特征在于：所述电信号发生器是一个方波信号发生器，所述电光调制器是一个相位调制器。
6.根据权利要求1所述的一种基于参考光电光调制的光子多普勒速度计，其特征在于：在所述电光调制器的后面连接有一个窄带滤波器，以便滤出频率为调制后的光信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于参考光电光调制的光子多普勒速度计，其特征在于：在所述窄带滤波器后面连接有一个相位调制器，所述相位调制器受到来自于光电转换器的电信号的控制，构成一个闭环反馈系统，使干涉仪的工作点稳定。
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| CN202121831218.3U CN216411564U (zh) | 2021-08-06 | 2021-08-06 | 一种基于参考光电光调制的光子多普勒速度计 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114878910A (zh) * | 2022-07-13 | 2022-08-09 | 中国科学技术大学 | 一种基于差拍采样的高精度频率测量方法、装置及系统 |
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2021
- 2021-08-06 CN CN202121831218.3U patent/CN216411564U/zh active Active
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