CN1227520C - 远距离散射物微振动信号测量和保真拾取干涉仪 - Google Patents
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Abstract
远距离散射物微振动信号测量和保真拾取干涉仪，以光纤激光器为光源，其输出经保偏光纤和准直器后至偏振分束器A，其后，一路经λ/4波片投射出望远系统，聚焦到远距离目标物上，以其散射光为信号光；另一路作为本地参考光经由λ/4波片和反射镜反射回偏振分束器A；望远系统收集的信号光及本地参考光透过偏振分束器A后，先经半波片、再经过偏振分束器B分别至形成干涉信号的光电检测器D1和D2。本发明有效提高光源功率利用效率、降低系统相位噪声，实现远距离无合作目标微振动信号的测量和保真拾取。
Description
技术领域：
本发明涉及非接触激光测振技术，更具体地说是一种远距离散射物微振动信号的测量和保真拾取装置。
背景技术：
振动信号的测量和保真拾取均可以采用多普勒(Doppler)干涉技术。近距离无接触检测一般采用双光束干涉(two-beam interference)和自混合(self-mixing)技术，幅度精度已达亚纳米量级。当检测距离较远时，一般采用参考光迈克尔逊(Michelson)干涉技术，但是当测量距离较远(如大于25米)时，常常需在被测物表面加装增加回返光强度的合作目标。
在一些实际应用中，由于环境的限制，测量设备必须远离被测物，且被测物表面无法加装合作目标，并且有一定测量角度。研究发现，在该使用环境中，传统多普勒测振仪的信噪比难以满足测量和保真拾取的要求。因为当检测距离较远、测量角度较大且无合作目标时，由于接收信号光能量的迅速衰减，使得检测到的光信号极其微弱；此外，距离较远时，除了散斑干涉、光源的偏振漂移及散射面的退偏效应、环境扰动等所带来的噪声之外，在短距离检测时体现不出来的光源相位噪声也变成了噪声的重要来源之一。由此导致了干涉系统信噪比的迅速降低。
传统的多普勒测振仪所使用的激光光源，其激光线宽和光功率不能同时满足远距离测量要求。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是避免上述现有技术中所存在的不足之处，提供一种可提高信号光功率、降低系统相位噪声，最终实现远距离无合作目标微振动信号测量和保真拾取的远距离散射物微振动信号测量和保真拾取干涉仪。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
本发明的结构特点是：
以光纤激光器为光源，光路为：光纤激光器的输出经保偏光纤和准直器后以平行光束至偏振分束器A，其后，一路经λ/4波片投射出望远系统，聚焦到远距离目标物上，以远距离目标物的散射光为信号光；另一路作为本地参考光经由λ/4波片和反射镜反射回偏振分束器A；由望远系统收集的信号光及本地参考光透过偏振分束器A后，先经过使信号光及参考光的偏振方向同时旋转45度的半波片，再经过偏振分束器B分别至形成干涉信号的光电检测器D1和光电检测器D2。
本发明通过采用大功率，具有单纵模、超窄激光线宽光纤激光器，有效地提高信号光的功率、降低了干涉仪中的相位噪声；采用望远镜将激光光束聚焦在振动物体表面上，并利用望远镜收集散射回的信号光；利用平衡检测法降低系统噪声，提高检测灵敏度。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明通过采用大功率窄线宽单纵模的光纤激光器，其激光线宽小于5KHz，光功率大于10mW，激光波长处在眼睛安全波段。有效地提高信号光的功率、降低了在远距离检测时干涉仪中的相位噪声，提高灵敏度极限。
2、本发明通过保偏光纤准直器和望远系统构成的激光光束投射变换光学系统，有效提高光源功率的利用效率。最终实现远距离无合作目标微振动信号的测量和保真拾取。
3、本发明通过利用望远镜锁定目标物，简单实用。
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明电路原理图。
具体实施方式：
参见图1，本实施例以光纤激光器1为光源，利用望远系统6将激光聚焦到振动目标物13上，其散射光为信号光，再由望远系统6对信号光汇聚。
具体光路为：光纤激光器1的输出经保偏光纤2和准直器3后以平行光束至A偏振分束器4，其后，一路经λ/4波片5投射出望远系统6，另一路作为本地参考光经由λ/4波片8和反射镜7反射回A偏振分束器4；由望远系统6收集的信号光及本地参考光透过A偏振分束器4后，先经过半波片9使信号光及参考光的偏振方向同时旋转45度，再经过B偏振分束器10分别在D1光电检测器11和D2光电检测器12上形成可转换成调频电信号的干涉信号。
在这一光路结构中，位于信号光路中的λ/4波片5将返回信号光的偏振态垂直于出射激光偏振态，使到达D1光电检测器11和D2光电检测器12的光功率最强；位于本地参考光路中的λ/4波片8用于调节参考光的光强；半波片9用于调节到达B偏振分束器10信号光和参考光的偏振态，使D1光电检测器11和D2光电检测器12的光功率平衡，只有在平衡时，两路平衡检测法才能有效降低噪声和提高信噪比。
具体实施中，准直器3位于望远系统6的成像面中心。保偏光纤2与准直器3用于将发散角较大的激光光束变换成平行光束。
为了有效地提高信号光的功率、降低干涉仪中的相位噪声，本实施例中的光纤激光器为单纵模、激光线宽小于5KHz、边模抑制比大于20dB、激光功率大于10mW。
此外，所有的光学器件表面均镀增透膜；波片均采用零级石英波片；光电检测器D1和光电检测器D2应该是同种光电管，响应度要尽量一致；光电检测器D1和光电检测器D2位置在望远系统的成像面上。
具体电路为：PD1和PD2为参数对称的光电检测器(InGaAs/InP PIN探测器)，A1和A2是同型号低噪声运算放大器，PD1、A1和反馈电阻Rf1构成了互阻抗式低噪声前置放大器；PD2、A2和反馈电阻Rf2构成了同样参数的互阻抗式低噪声前置放大器。由这两组具有同样参数前置放大器和后继电路中的减法器构成平衡检测电路，其中可调电阻Rt1和Rt2用于进一步微调两路平衡态，以保证减法器输出的直流量为零。带通滤波器的带宽需根据被测对象的振动频率和幅度加以调整。解相器用于将振动信号从调频信号中还原出来。
Claims (2)
1、远距离散射物微振动信号测量和保真拾取干涉仪，其特征是：
以光纤激光器(1)为光源，光路为：光纤激光器(1)的输出经保偏光纤(2)和准直器(3)后以平行光束至偏振分束器A(4)，其后，一路经λ/4波片(5)投射出望远系统(6)，聚焦到远距离目标物(13)上，并以远距离目标物(13)上的散射光为信号光；另一路作为本地参考光经由λ/4波片(8)和反射镜(7)反射回偏振分束器A(4)；由望远系统(6)收集的信号光及本地参考光透过偏振分束器A(4)后，先经过使信号光及参考光的偏振方向同时旋转45度的半波片(9)，再经过偏振分束器B(10)分别至形成干涉信号的光电检测器D1(11)和光电检测器D2(12)。
2、根据权利要求1所述的远距离散射物微振动信号测量和保真拾取干涉仪，其特征是所述光纤激光器的输出激光为单纵模，其激光线宽小于5KHz。
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