李艷萍,王 偉,張雄星,楊宇祥

(1.西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

一種改進(jìn)的激光多普勒測(cè)量光纖光路

李艷萍1,王 偉1,張雄星1,楊宇祥2

(1.西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

為了解決傳統(tǒng)激光多普勒差頻測(cè)量光路存在的光功率損耗大、參考光功率不可控等問(wèn)題，在傳統(tǒng)激光多普勒光路中增加了光纖環(huán)形器，設(shè)計(jì)了一個(gè)全光纖激光多普勒差頻測(cè)量光路，并分析計(jì)算了傳統(tǒng)光路和改進(jìn)光路中各光纖無(wú)源器件的光功率損耗和整體光路中光的利用率。通過(guò)搭建激光多普勒測(cè)量系統(tǒng)，采用兩種光路對(duì)音叉振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，設(shè)計(jì)了兩種光路的對(duì)比性試驗(yàn)；采用光功率計(jì)實(shí)測(cè)了兩種光路的輸出光功率，進(jìn)而計(jì)算出其光利用率；同時(shí)，采用數(shù)字示波器實(shí)時(shí)觀測(cè)兩種光路光電探測(cè)器輸出的多普勒頻移信號(hào)波形，并從信號(hào)幅值、信號(hào)對(duì)比度和信噪比等方面進(jìn)行了分析計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果表明：分析計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合，改進(jìn)的激光多普勒測(cè)量光路提高了光的利用率；可通過(guò)不同分光比的光纖耦合分束器來(lái)控制參考光光功率，使得輸出的多普勒頻移信號(hào)幅值增大，信號(hào)信噪比和對(duì)比度都有所提高。

光纖； 激光多普勒測(cè)量系統(tǒng)； 數(shù)字濾波器； 耦合器； 信號(hào)對(duì)比度； 信噪比

0 引言

光纖激光多普勒測(cè)振是一種根據(jù)激光多普勒效應(yīng)和光學(xué)混頻原理，并結(jié)合光纖與光無(wú)源器件技術(shù)發(fā)展起來(lái)的精密測(cè)速技術(shù)，具有非接觸測(cè)量和測(cè)量精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。在光纖光路中，光纖準(zhǔn)直器負(fù)責(zé)激光的發(fā)射與散射光信號(hào)的接收。由于散射和光纖準(zhǔn)直器數(shù)值孔徑的影響，照射到被測(cè)目標(biāo)后能再次進(jìn)入光纖準(zhǔn)直器的光非常微弱，其光強(qiáng)通常約為出射光的10-6。對(duì)于一般的光纖激光多普勒測(cè)量系統(tǒng)，光纖準(zhǔn)直器出射光強(qiáng)在mW量級(jí)，而接收到的漫反射光則在nW量級(jí)[2]。準(zhǔn)直器接收到的微弱光信號(hào)需經(jīng)過(guò)跨阻放大、噪聲處理以及去除直流偏置等信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)后，才能獲得多普勒頻移條紋信號(hào)[3]。根據(jù)兩束光干涉的光功率公式，能夠到達(dá)光電探測(cè)器且攜帶有多普勒頻移信息的光信號(hào)包括直流分量和交流分量，其中以直流分量為主。跨阻放大不僅會(huì)放大有用的交流分量，而且會(huì)放大直流分量。過(guò)大的直流分量會(huì)降低信號(hào)的對(duì)比度，在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)低速、運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換等導(dǎo)致信噪較低的情況下，甚至無(wú)法獲得有用的交流信號(hào)[4]。因此，判斷光纖激光多普勒測(cè)量系統(tǒng)光路能否正常工作，或者評(píng)價(jià)光路性能的一個(gè)重要指標(biāo)就是到達(dá)光電探測(cè)器的光電流或者光功率需足夠大，且有用的交流信號(hào)所占比例越高越好[5-6]。

中國(guó)工程物理研究院開(kāi)展了光纖多普勒測(cè)速的研究工作，其在多個(gè)測(cè)量應(yīng)用中都采用光纖耦合器作為核心元件以實(shí)現(xiàn)參考光和反射光的干涉[7]；舜宇集團(tuán)可自主生產(chǎn)激光多普勒測(cè)振儀；天津大學(xué)、西安交通大學(xué)等也在理論方面取得了一些成果[1]。而在國(guó)外，日本東海大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院采用了以2×1光纖耦合分束器為核心的傳統(tǒng)光路[8]。

本文仍然采用光纖耦合器作為核心元件，實(shí)現(xiàn)參考光和反射光的干涉。但是為了提高交流分量，增加了新的無(wú)源光纖器件，設(shè)計(jì)了新的光路，簡(jiǎn)化了后續(xù)信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，提高了信號(hào)的對(duì)比度和測(cè)量精度。

1 激光多普勒原理及傳統(tǒng)光路分析

激光多普勒效應(yīng)是全光纖激光多普勒測(cè)振的重要理論基礎(chǔ)，當(dāng)光源與振動(dòng)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)振動(dòng)物體反射回來(lái)的光頻率不等于激光光源頻率，即激光多普勒頻移[9]。

(1)

式中：ΔfD為激光經(jīng)過(guò)振動(dòng)物體表面反射后產(chǎn)生的相干光的多普勒頻移；V為物體的運(yùn)動(dòng)速度；λ為激光光源波長(zhǎng)。激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量ΔfD，計(jì)算出物體振動(dòng)的速度。

對(duì)于整個(gè)激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)而言，其核心為系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的全光纖激光多普勒光路如圖1所示。

傳統(tǒng)光路1主要由激光光源、光纖隔離器、光纖耦合分束器和準(zhǔn)直器等組成。激光光源輸出波長(zhǎng)為1 550 nm的激光，經(jīng)雙極隔離器、2×1光纖耦合分束器到達(dá)準(zhǔn)直器后射入振動(dòng)物體表面，在該表面發(fā)生散射。準(zhǔn)直器接收散射光后經(jīng)光纖耦合分束器分為兩束：一束進(jìn)入光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)光外差檢測(cè)；另一束進(jìn)入光纖隔離器后與光源隔離，避免與光源激光發(fā)生干涉，影響光源輸出。

圖1 傳統(tǒng)光路示意圖

傳統(tǒng)光路2采用了3個(gè)光纖耦合分束器。以經(jīng)光纖耦合分束器1的一束光為參考光，其分光比決定了參考光的光功率；光纖耦合分束器2將先傳輸給準(zhǔn)直器，同時(shí)將準(zhǔn)直器所接收的散射光傳輸?shù)焦饫w耦合分束器3；光纖耦合分束器3將參考光與信號(hào)光合束。參考光的光功率可通過(guò)光纖耦合分束器1的分光比計(jì)算得到，實(shí)現(xiàn)參考光的量化控制。

傳統(tǒng)的全光纖激光多普勒光路雖然可以產(chǎn)生多普勒信號(hào)，但仍存在以下問(wèn)題。

①參考光的光功率不能量化控制，探測(cè)器的輸出信號(hào)對(duì)比度低。

多普勒信號(hào)的產(chǎn)生需要采用光外差檢測(cè)，即采用參考光與信號(hào)光進(jìn)行干涉，產(chǎn)生差頻，通過(guò)檢測(cè)差頻來(lái)計(jì)算信號(hào)光的頻率、功率、相位或偏振方向等參數(shù)。對(duì)于傳統(tǒng)光路1，激光光束傳輸?shù)綔?zhǔn)直器，由于準(zhǔn)直器內(nèi)部介質(zhì)不均勻，部分光束將發(fā)生反射，作為部分參考光；而準(zhǔn)直器端面雖然鍍有特定波段透射膜，但仍有部分光在其端面發(fā)生反射，作為另一部分參考光。以經(jīng)振動(dòng)物體散射后的光束作為信號(hào)光。在進(jìn)行光外差檢測(cè)時(shí)，該光路的參考光信號(hào)具有較多的不確定因素，無(wú)法控制參考光的光功率，因此無(wú)法準(zhǔn)確得出該光路的信號(hào)對(duì)比度。傳統(tǒng)光路2通過(guò)采用3個(gè)光纖耦合器實(shí)現(xiàn)參考光的量化控制，解決了輸出信號(hào)對(duì)比度低的問(wèn)題。

②探測(cè)器所接收的輸出光信號(hào)太弱，增加了后級(jí)光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)難度。

圖1(a)中，假定該光纖耦合分束器的分光比為1∶A。激光經(jīng)光纖耦合分束器后，到達(dá)準(zhǔn)直器，經(jīng)振動(dòng)物體漫反射后，準(zhǔn)直器的激光再經(jīng)過(guò)光纖耦合分束器輸出到光電探測(cè)器。其光功率為：

(2)

式中：K為準(zhǔn)直器的接收光與發(fā)射光的光功率之比，即準(zhǔn)直器的耦合效率[10]；P0為輸入光功率。

通過(guò)理論計(jì)算，當(dāng)A=1時(shí)，即光纖耦合分束器的分光比為1∶1時(shí)，光功率損耗最低，光的利用率僅為25%K。由此可知，該光路的光損耗較大，這將使得光電探測(cè)器接收到的光信號(hào)過(guò)于微弱。因此，在設(shè)計(jì)后級(jí)探測(cè)器時(shí)，需要合理選擇跨阻增益。但增益越大，噪聲也隨之放大，這對(duì)濾波電路提出了挑戰(zhàn)。

圖1(b)中，可以通過(guò)光纖耦合分束器來(lái)控制光路中的參考光光功率。通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)光纖耦合分束器1的分光比為99∶1，且光纖耦合分束器2與光纖耦合分束器3的分光比都為1∶1時(shí)，該光路的光功率損耗最低，光的利用率約為13%K。

2 光纖光路設(shè)計(jì)與分析

針對(duì)傳統(tǒng)全光纖激光多普勒測(cè)振光路的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)光路。采用光纖環(huán)形器[11]，能夠有效地降低光纖耦合分束器的損耗，提高光的利用率。同時(shí)，可以通過(guò)選擇合適的光纖耦合分束器來(lái)控制光路中參考光的光功率，從而提高輸出信號(hào)對(duì)比度。

改進(jìn)的全光纖激光多普勒測(cè)振光路如圖2所示。

圖2 改進(jìn)光路示意圖

改進(jìn)的光路主要由光纖隔離器、光纖耦合分束器、光纖環(huán)形器以及準(zhǔn)直器等組成。該設(shè)計(jì)采用同一光纖準(zhǔn)直器完成激光的發(fā)射和散射光的接收。激光器輸出波長(zhǎng)為1 550 nm的激光，光功率為20.4 mW。輸出激光經(jīng)光纖隔離器后到分光比為99∶1的光纖耦合分束器1，激光分成兩束：一束作為信號(hào)光進(jìn)入光纖環(huán)形器端口1，由端口2進(jìn)入光纖準(zhǔn)直器，經(jīng)振動(dòng)物體表面反射后由準(zhǔn)直器接收，從光纖環(huán)形器端口2輸入并從端口3出射；另一束作為參考光。兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)分光比為1∶1的光纖耦合分束器2合束并輸出到光電探測(cè)器，由后級(jí)電路作信號(hào)處理，產(chǎn)生激光多普勒信號(hào)。

改進(jìn)的光路能夠有效地解決傳統(tǒng)光路的缺陷，具體說(shuō)明如下。

①通過(guò)理論值的計(jì)算與分析，激光經(jīng)光纖隔離器的損耗可忽略不計(jì)，光纖耦合分束器1將激光按99∶1分為兩束，通過(guò)光纖環(huán)形器后其端口3的輸出光損耗也很小，在經(jīng)分光比為1∶1的光纖耦合分束器2后光功率損耗一半。對(duì)于整體光路，輸出光功率為：

(3)

式中：光纖耦合分束器1的分光比為1∶A1，A1為99；光纖耦合分束器2的分光比為1∶A2，A2為1。

由式(3)可知，改進(jìn)光路的光利用率約為50%K。

②以光纖耦合分束器1的一端輸出作為參考光，通過(guò)計(jì)算選擇耦合分束器的分光比來(lái)改變參考光的光功率，實(shí)現(xiàn)了參考光的量值可控，便于改變輸出信號(hào)的對(duì)比度。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 試驗(yàn)裝置

搭建了激光多普勒測(cè)試平臺(tái)，使用固定頻率音叉作為測(cè)試對(duì)象，低信噪比信號(hào)選取音叉小振幅速度過(guò)零時(shí)的多普勒信號(hào)。試驗(yàn)所用激光器為1 550 nm超窄線寬DFB半導(dǎo)體激光器(型號(hào)為OS-LD-1550-20-1-S-FA)，選用帶寬為100 M、去直流偏置的高速高頻率光電探測(cè)器(型號(hào)為C30644E)，光功率測(cè)量使用的是索雷博PM20CH型光功率計(jì)。對(duì)本文所設(shè)計(jì)光路以及傳統(tǒng)光路進(jìn)行光功率測(cè)試，并采用Tektronix數(shù)字示波器檢測(cè)各種光路的實(shí)時(shí)波形，分析本文所設(shè)計(jì)的光路相對(duì)于傳統(tǒng)光路的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 光路損耗測(cè)試

依照?qǐng)D1與圖2搭建的試驗(yàn)光路，用光功率計(jì)對(duì)各部分光路輸出的光功率進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算光路各部分的損耗，重點(diǎn)測(cè)量探測(cè)器所接收光的光功率。對(duì)比三種光路，分析其對(duì)光的利用率。1 550 nm半導(dǎo)體激光器的輸出功率為20.4 mW，則各光路輸出光功率及光利用率對(duì)比如表1所示。

表1 各光路光功率及光利用率對(duì)比

依據(jù)式(4)計(jì)算光利用率：

(4)

式中：N為光利用率；Pi為光電探測(cè)器所接收的光功率；P0為激光器輸出光功率。

在本次試驗(yàn)過(guò)程中，由于隔離器的單向性和附加損耗的影響，激光器輸出的20.4 mW激光經(jīng)隔離后功率為17 mW，光纖準(zhǔn)直器接收的散射光與發(fā)射光的比例K約為20%。不同分光比的光纖耦合分束器會(huì)有不同的光損耗，同樣的光纖耦合分束器，若光路應(yīng)用結(jié)構(gòu)不同也將產(chǎn)生不同的光損耗。由表1對(duì)比可看出，改進(jìn)光路對(duì)光的利用率較高，改進(jìn)了傳統(tǒng)光路輸出信號(hào)太弱的缺點(diǎn)。通過(guò)本次試驗(yàn)，更好地驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)光路的可行性。

3.3 信號(hào)對(duì)比度測(cè)試

多普勒信號(hào)的產(chǎn)生需要進(jìn)行光外差檢測(cè)，若要獲得較好的多普勒信號(hào)，就必須控制光路中信號(hào)光和參考光的光功率。通過(guò)控制改變兩者的比例，可得到振幅、相位、頻率都有差異的多普勒信號(hào)，并在此基礎(chǔ)上得到信號(hào)光和參考光的合適比例[4，12]。信號(hào)光與參考光產(chǎn)生差頻信號(hào)的理論計(jì)算如式(5)所示。

(5)

式中：第一項(xiàng)和第二項(xiàng)的平均值均為光電探測(cè)器輸出的直流項(xiàng)；第一、第二項(xiàng)的頻率分別為信號(hào)光和參考光的2倍頻；第三項(xiàng)(和頻項(xiàng))的頻率很高;第四項(xiàng)(差頻項(xiàng)，也稱拍頻項(xiàng))相對(duì)于光頻要緩慢得多，當(dāng)拍頻信號(hào)低于光電探測(cè)器的截止頻率時(shí)，就有交流光電流輸出。信號(hào)對(duì)比度是指輸出信號(hào)中交流信號(hào)與直流信號(hào)的幅值比，激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)所針對(duì)的是交流信號(hào)，因此，信號(hào)對(duì)比度越高，輸出的多普勒信號(hào)越明顯。

本次試驗(yàn)采用帶寬為100MHz、去直流偏置的高速高頻率光電探測(cè)器，通過(guò)硬件電路解決了輸出信號(hào)存在較大偏置電壓的問(wèn)題，去除了輸出電壓中的直流成分，輸出信號(hào)只包含可分析振動(dòng)特征的交流信號(hào)。因此，需要提高信號(hào)對(duì)比度，使交流信號(hào)比值更高，則其輸出信號(hào)幅值更大。

傳統(tǒng)激光多普勒測(cè)振光路的輸出信號(hào)波形如圖3所示。輸出信號(hào)波形以兩個(gè)包絡(luò)為一個(gè)信號(hào)周期，一個(gè)周期內(nèi)其信號(hào)頻率呈現(xiàn)由小到大、再由大到小的變化。傳統(tǒng)光路1的輸出信號(hào)幅值約為300mV，傳統(tǒng)光路2的輸出信號(hào)幅值約為500mV。由表1可知，傳統(tǒng)光路1的輸出光功率大于傳統(tǒng)光路2，理論上傳統(tǒng)光路1的輸出信號(hào)幅值應(yīng)更大。但由于傳統(tǒng)光路2的信號(hào)對(duì)比度較大，即光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，其交流信號(hào)與直流信號(hào)的比值更大，因此，傳統(tǒng)光路2輸出信號(hào)中交流信號(hào)所占的比值更大，輸出交流信號(hào)的幅值也更大。

圖3 傳統(tǒng)光路輸出信號(hào)波形圖

與傳統(tǒng)光路的多普勒信號(hào)相比，改進(jìn)的全光纖激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)光路，通過(guò)光纖環(huán)形器降低了光路損耗，提高了輸出光功率，且合適比例的參考光使得信號(hào)對(duì)比度更高，因此輸出交流信號(hào)幅值較大，約為2V；此外，在振動(dòng)物體振動(dòng)速度改變方向時(shí)，信號(hào)變化更為明顯。改進(jìn)的激光多普勒測(cè)振光路輸出信號(hào)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)光路輸出信號(hào)波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)激光多普勒效應(yīng)，對(duì)傳統(tǒng)多普勒測(cè)振光路進(jìn)行了理論分析，針對(duì)其存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種光功率損耗低、信號(hào)對(duì)比度高的全光纖激光多普勒測(cè)振光路。通過(guò)優(yōu)化光路，不僅提高了多普勒原始信號(hào)的質(zhì)量，而且有效降低了后級(jí)信號(hào)處理電路的難度。對(duì)于搭建的激光多普勒測(cè)振平臺(tái)，選用固定頻率的標(biāo)準(zhǔn)音叉作為試驗(yàn)對(duì)象，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)光路的正確性及其較傳統(tǒng)光路的優(yōu)越性，為整個(gè)激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了更加合理的光路方案。

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An Improved Fiber Optic Path for Laser Doppler Measurement

LI Yanping1,WANG Wei1,ZHANG Xiongxing1,YANG Yuxiang2

(1.Department of Optoelectronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China；2.Department of Precision Instrumentation Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

In order to solve the problems existing in traditional optic path of laser Doppler differential frequency measurement,e.g.,the large optical power loss and uncontrollable reference optical power,an improved optical path is proposed,in which a fiber circulator is added in the traditional optical path,and the optical path for all-fiber laser Doppler differential frequency measurement is designed.The optical power loss of each passive fiber device and the utilization of overall optical path of the traditional optical path and the improved optical path are analyzed and calculated.Through setting up the laser Doppler measurement system,the measurement of the vibration of tuning fork are conducted using two kinds of optical path;and the comparison test is designed for these two optical paths.The output optical power of these two optical paths is measured using optical power meter,thus the optical utilization is calculated.In addition,the waveform of Doppler frequency shift signal of the photoelectric detector of two optical paths is observed by using digital oscilloscope.And the analysis calculation is conducted for signal amplitude,signal contrast and signal noise ratio.The results show that the analytical calculation results are in agreement with the experiment results,and the improved optical path has the advantages of high optical power utilization;the reference light power can be controlled by the optical fiber couplers with different splitting ratio,to acquire the Doppler frequency shift signal with high amplitude,good signal contrast and high contrast.

Optical fiber; Laser doppler measurement system; Digital filter; Coupler; Signal contrast； SNR

陜西省教育廳專項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(16JK1370)

李艷萍(1994—)，女，在讀碩士研究生，主要從事光電測(cè)試方向的研究。E-mail:1140361268@qq.com。 王偉(通信作者),男，博士，副教授，主要從事光電測(cè)試技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究。E-mail:15005804@qq.com。

TH747;TP202

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704016

修改稿收到日期：2016-11-29