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CN107064539A - 一种大视场光子多普勒测速装置及方法 - Google Patents

一种大视场光子多普勒测速装置及方法 Download PDF

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朱礼国
彭其先
李泽仁
刘乔
李江
钟森城
翟召辉
杜良辉
周平伟
朱瑜
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Abstract

本发明涉及激光测试领域，本发明针对现有技术的缺点，提供一种测速装置或方法，从而实现大视场的速度测量，且整个系统不容易受到高功率激光的损坏。本发明激光信号分离光路将激光信号分离为激光器本征光场信号和运动速度测试信号；运动速度测试信号发射光路将运动速度测试信号照射于运动物体表面后，反射到运动速度测试信号接收光路；运动速度测试信号接收光路接收运动物体反射的带有运动信息的运动速度测试信号，从而形成整个视场的接收光场信号；激光信号干涉光路将处理后的激光器本征光场信号与处理后的接收光场信号进行干涉处理，得到运动物体干涉信号的频率f；运动物体速度计算模块，根据运动物体干涉信号的频率f，计算运动速度v。

Description

一种大视场光子多普勒测速装置及方法
技术领域
本发明涉及激光测试领域，尤其是一种大视场光子多普勒测速装置及方法。
背景技术
光子多普勒测速技术是基于光学多普勒效应和光束干涉原理，其工作原理如下：激光照射在待测运动物体的表面，反射的激光因多普勒(Doppler)效应会产生与运动物体速度成正比的频移，使频移的反射光与激光器本征光发生干涉，干涉频率的变化反映了运动速度的变化，通过得到干涉频率随时间变化的历史从而可以非接触地、连续测量运动物体表面的速度、位移和加速度的变化过程。
光子多普勒测速仪(Photon Doppler Velocimeter,PDV)和任意反射面速度干涉仪(Velocity Interferometer System for Any Reflector,VISAR)是冲击波物理和爆轰物理研究领域内重要的测试仪器。在早期的爆轰测速技术发展中，由于受到当时的光电转换器和示波器记录带宽限制，VISAR一直是爆轰测速的主角。
光纤通信技术和高速光电器件的发展使光子多普勒测速技术(Photon DopplerVelocimetry,PDV)迅速发展起来，2006年美国利弗莫尔国家实验室(Lawrence LivermoreNational Laboratory，LLNL)在REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS刊物第77卷发表了一篇文章(Compact system for high-speed velocimetry using heterodyne techniques)介绍了光子多普勒测速技术及其在爆轰物理中的应用。
发明内容
本发明主要是针对当前PDV测速技术的缺点，例如只能测量点速度、器件容易损坏，价格昂贵、回波损耗难以消除等，提出了全新的技术改进，提供一种大视场光子多普勒测速装置或方法，从而实现大视场的速度测量，且整个系统不容易受到高功率激光的损坏。
为解决上述技术问题，本发明采用一种技术方案是提供一种大视场光子多普勒测速装置包括：
激光信号分离光路，用于将激光信号分离为激光器本征光场信号和运动速度测试信号；
运动速度测试信号发射光路，用于将运动速度测试信号照射于运动物体表面后，反射到运动速度测试信号接收光路；
运动速度测试信号接收光路，用于接收运动物体反射的带有运动信息的运动速度测试信号，从而形成整个视场的接收光场信号；
激光信号干涉光路，用于将处理后的激光器本征光场信号与处理后的接收光场信号进行干涉处理，得到运动物体干涉信号的频率f；
运动物体速度计算模块，用于根据运动物体干涉信号的频率f，通过矢量运算方法计算运动速度v＝2πf/[KV·(K2-K1)]，其中运动速度测试信号的入射波矢为K1，其绝对值为2π/λ，其中λ为激光波长；接收光场信号的波矢为K2，其绝对值为2π/λ；其中,K1和K2是矢量,绝对值相同但是方向不同；KV为速度的单位方向矢量,v为正数。
进一步的，所述激光信号分离光路通过多模光纤耦合器实现。
进一步的，所述运动速度测试信号发射光路通过多模光纤实现；或者通过多模光纤以及与多模光纤耦合的透镜实现；其中产生激光信号的激光器采用多模光纤作为尾纤。
进一步的，所述运动速度测试信号接收光路通过单模光纤实现，或者通过单模光纤以及与单模光纤耦合的透镜实现。
进一步的，所述激光器本征光场信号处理过程是：激光器本征信号依次通 过多模光纤衰减器、1*N多模到单模转换器处理后进入激光信号干涉光路进行干涉处理。
进一步的，所述接收光场信号的处理过程是：接收光场信号依次通过光纤放大器、光纤滤波器处理后进入激光信号干涉光路进行干涉处理。
进一步的，当光纤放大器为N，N等于1时，激光信号干涉光路包括一个单模光纤耦合器和一个光电探测器，1*N多模到单模转换器指的是1*1多模到单模转换器；当N大于等于2时，激光信号干涉光路包括N个单模光纤耦合器和N个光电探测器，1*N多模到单模转换器指的是1*N多模到单模转换器。
进一步的，处理后的激光器本征光场信号与处理后的接收光场信号在单模光纤耦合器进行耦合后，再通过光电探测器，从而探测得到运动物体的移动频率f。
为解决上述技术问题，本发明采用一种技术方案是提供大视场光子多普勒测试方法具体包括：
激光信号分离光路将激光信号分离为激光器本征光场信号和运动速度测试信号；
运动速度测试信号发射光路将运动速度测试信号照射于运动物体表面后，反射到运动速度测试信号接收光路；
运动速度测试信号接收光路，用于接收运动物体反射的带有运动信息的运动速度测试信号，从而形成整个视场的接收光场信号；
激光信号干涉光路将处理后的激光器本征光场信号与处理后的接收光场信号进行干涉处理，得到运动物体干涉信号的频率f；
运动物体速度计算模块，用于根据运动物体干涉信号的频率f，通过矢量运算方法计算运动速度v＝2πf/[KV·(K2-K1)]，其中运动速度测试信号的入射波矢为K1，其绝对值为2π/λ，其中λ为激光波长；接收光场信号的波矢为K2，其绝对值为2π/λ；其中,K1和K2是矢量,绝对值相同但是方向不同；KV为速度的单位方向矢量,v为正数。
进一步的，所述激光信号分离光路通过多模光纤耦合器实现；所述运动速度测试信号发射光路通过多模光纤实现；或者通过多模光纤以及与多模光纤耦合的透镜实现；其中产生激光信号的激光器采用多模光纤作为尾纤；所述运动速度测试信号接收光路通过单模光纤实现，或者通过单模光纤以及与单模光纤耦合的透镜实现。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
当前PDV测速技术中，发射光路和接收光路为同轴结构，然后采用分束器或者环行器实现接收光束的分离，因此只能实现点速度测量。另外系统不可避免的存在回波损耗，回波损耗产生的光和靶面返回的探测光互相干涉，从而影响信号解读。
本发明中运动速度测试信号发射光路为和多模光纤耦合的透镜或者多模光纤本身，运动速度测试信号通过运动速度测试信号发射光路照射到运动物体靶面，形成一个大的视场；运动速度测试信号接收光路采用和单模光纤束耦合的透镜实现探测光场的探测，从而形成整个视场的反射光强的接收，接收光场与激光本征光场干涉，从而实现速度场的测量。由于本发明中没有采用同轴结构，消除了回波损耗的影响，更有利于信号的解读。
现有技术的PDV测速系统采用全单模光纤结构，采用单模光纤对激光器的耦合提出了非常高的要求，大大增加了激光器的成本。另外单模光纤在高功率激光下非常容易损坏，降低了系统的稳定性。而本发明中的激光器采用多模光纤作为尾纤，能够降低激光器的研制成本，运动速度测试信号发射光路同样采用多模光纤，这样可以保证高功率激光在多模光纤中传输，由于多模光纤的芯径比单模光纤大10倍到100倍以上，因此能够有效降低激光功率密度，防止光纤器件(例如光纤连接头、环形器等)损坏。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是运动速度测试信号发射光路与运动速度测试信号接收光路与运动物体靶面示意图。
图2是本发明原理框图。
图中：
1-窄线宽激光器 2-多模光纤耦合器 3-运动速度测试信号发射光路
4-运动速度测试信号接收光路 5-多模光纤衰减器 6--光纤放大器
7-光纤放大器 8-1×N多模到单模转换器 9-光纤滤波器
10-光纤滤波器 11-单模光纤耦合器 12-单模光纤耦合器
13-光电探测器 14-光电探测器。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明中整个采用单模-多模光纤混合结构。激光器采用多模光纤作为尾纤；运动速度测试信号发射光路采用多模光纤；运动速度测试信号接收光路采用单模光纤；最后通过单模光纤耦合器实现双光束的干涉。
连接方式如下：激光器连接多模光纤耦合器，多模光纤耦合器分成两个支路；一个支路通过运动速度测试信号发射光路照射运动物体的靶面，运动速度测试信号接收光路中单模光纤束接收来自运动物体的靶面的反射或散射光，并 分别连接在光纤放大器上，光纤放大器连接光纤滤波器；另外一个支路激光器本征信号连接光纤衰减器，光纤衰减器连接1×N多模到单模转换器。两支路光分别连接在单模光纤耦合器的输出端，单模光纤耦合器的输出端连接光电探测器。
激光器的波长通常为1550nm，这样可以利用现有的光通信器件；线宽为10kHz左右，从而充分保证激光的时间相干性。多模光纤的芯径为62.5μm或者以上。单模光纤的芯径为10μm。单模光纤耦合器可以为1×2或者3×3结构。探测器的带宽通常在5GHz以上从而保证高的速度测量。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种大视场光子多普勒测速装置,其特征在于包括：
激光信号分离光路，用于将激光信号分离为激光器本征光场信号和运动速度测试信号；
运动速度测试信号发射光路，用于将运动速度测试信号照射于运动物体表面后，反射到运动速度测试信号接收光路；
运动速度测试信号接收光路，用于接收运动物体反射的带有运动信息的运动速度测试信号，从而形成整个视场的接收光场信号；
激光信号干涉光路，用于将处理后的激光器本征光场信号与处理后的接收光场信号进行干涉处理，得到运动物体干涉信号的频率f；
运动物体速度计算模块，用于根据运动物体干涉信号的频率f，通过矢量运算方法计算运动速度v＝2πf/[KV·(K2-K1)]，其中运动速度测试信号的入射波矢为K1，其绝对值为2π/λ，其中λ为激光波长；接收光场信号的波矢为K2，其绝对值为2π/λ；其中,K1和K2是矢量,绝对值相同但是方向不同；KV为速度的单位方向矢量,v为正数。
2.根据权利要求1所述的一种大视场光子多普勒测速装置,其特征在于所述激光信号分离光路通过多模光纤耦合器实现。
3.根据权利要求1所述的一种大视场光子多普勒测速装置,其特征在于所述运动速度测试信号发射光路通过多模光纤实现；或者通过多模光纤以及与多模光纤耦合的透镜实现；其中产生激光信号的激光器采用多模光纤作为尾纤。
4.根据权利要求1所述的一种大视场光子多普勒测速装置,其特征在于所述运动速度测试信号接收光路通过单模光纤实现，或者通过单模光纤以及与单模光纤耦合的透镜实现。
5.根据权利要求1所述的一种大视场光子多普勒测速装置,其特征在于所述激光器本征光场信号处理过程是：激光器本征信号依次通过多模光纤衰减器、1*N多模到单模转换器处理后进入激光信号干涉光路进行干涉处理。
6.根据权利要求1所述的一种大视场光子多普勒测速装置,其特征在于所述接收光场信号的处理过程是：接收光场信号依次通过光纤放大器、光纤滤波器处理后进入激光信号干涉光路进行干涉处理。
7.根据权利要求1所述的一种大视场光子多普勒测速装置,其特征在于当光纤放大器为N，N等于1时，激光信号干涉光路包括一个单模光纤耦合器和一个光电探测器，1*N多模到单模转换器指的是1*1多模到单模转换器；当N大于等于2时，激光信号干涉光路包括N个单模光纤耦合器和N个光电探测器，1*N多模到单模转换器指的是1*N多模到单模转换器。
8.根据权利要求7所述的一种大视场光子多普勒测速装置,其特征在于处理后的激光器本征光场信号与处理后的接收光场信号在单模光纤耦合器进行耦合后，再通过光电探测器，从而探测得到运动物体的移动频率f。
9.基于权利要求1-8之一所述大视场光子多普勒测试装置的测试方法，其特征在于具体包括：
激光信号分离光路将激光信号分离为激光器本征光场信号和运动速度测试信号；
运动速度测试信号发射光路将运动速度测试信号照射于运动物体表面后，反射到运动速度测试信号接收光路；
运动速度测试信号接收光路，用于接收运动物体反射的带有运动信息的运动速度测试信号，从而形成整个视场的接收光场信号；
激光信号干涉光路将处理后的激光器本征光场信号与处理后的接收光场信号进行干涉处理，得到运动物体干涉信号的频率f；
运动物体速度计算模块，用于根据运动物体干涉信号的频率f，通过矢量运算方法计算运动速度v＝2πf/[KV·(K2-K1)]，其中运动速度测试信号的入射波矢为K1，其绝对值为2π/λ，其中λ为激光波长；接收光场信号的波矢为K2，其绝对值为2π/λ；其中,K1和K2是矢量,绝对值相同但是方向不同；KV为速度的单位方向矢量,v为正数。
10.基于权利要求9所述的大视场光子多普勒测试装置的测试方法，其特征在于所述激光信号分离光路通过多模光纤耦合器实现；所述运动速度测试信号发射光路通过多模光纤实现；或者通过多模光纤以及与多模光纤耦合的透镜实现；其中产生激光信号的激光器采用多模光纤作为尾纤；所述运动速度测试信号接收光路通过单模光纤实现，或者通过单模光纤以及与单模光纤耦合的透镜实现。
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