一種多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括依次設(shè)置的激光器、光纖、光纖耦合器、聲光器調(diào)制器、第一準(zhǔn)直鏡組、第一分光鏡和可調(diào)擴(kuò)束鏡，在第一準(zhǔn)直鏡組的一側(cè)設(shè)有第二準(zhǔn)直鏡，在第一分光鏡的一側(cè)設(shè)有第二分光鏡，第二準(zhǔn)直鏡與第二分光鏡同軸設(shè)置，其中第一分光鏡與第二分光鏡呈反方向傾斜設(shè)置；在第二分光鏡的一側(cè)設(shè)有匯聚透鏡、光電探測器，光電探測器的輸出端與解調(diào)電路連接。該系統(tǒng)具有使用單一探測器，能夠進(jìn)行實(shí)時多點(diǎn)同步振動測量的優(yōu)點(diǎn)，避免了掃描式測振儀的實(shí)時性問題以及多通道式測振儀的探測器響應(yīng)同步問題，且體積小巧、成本低廉、機(jī)動靈活，能夠有效實(shí)現(xiàn)非接觸、遠(yuǎn)距離、高精度、納米量級的振動測量，特別適于聲學(xué)、航空航天、地雷勘探、質(zhì)量檢測、醫(yī)療、爆炸研究等領(lǐng)域的推廣。
【專利說明】一種多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)，屬于光學(xué)精密測量【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)干涉測振方法具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，包括非接觸、易隱藏、高精度和高靈敏度等，在生產(chǎn)和研究中獲得了廣泛的應(yīng)用和關(guān)注。
[0003]從技術(shù)原理上，光學(xué)干涉測振大體上可以分為兩大類，一類是基于圖像采集系統(tǒng)的全場干涉測量法，另一類是基于光電探測器(Photodetector)的激光多普勒測振法(Laser Doppler Vibrometry)。全場測量法包括全息干涉法(HolographicInterferometry)、數(shù)字散斑干涉法(Speckle Interferometry)等。隨著高速CCD (Charge-coupled Device)相機(jī)的發(fā)展,全場測量法在實(shí)時振動測量領(lǐng)域受到了日益廣泛的關(guān)注，但受奈奎斯特采樣定律(Nyquist Sampling Theorem)所限,這種方法對位移或者速度的測量范圍仍然較低，探測效果不夠理想。此外，高速陣列探測器造價昂貴、靈敏度低、作用距離短、后端解調(diào)電路復(fù)雜。采用光電探測器的激光多普勒測振方法，由于光電探測器的時間采樣率遠(yuǎn)高于CCD相機(jī)，通常超過1GHz，具有更寬泛的振動速度測量范圍和更高的靈敏度。并且可以通過聲光調(diào)制外差技術(shù)，過濾掉干涉背景和各種低頻噪聲，使設(shè)備能夠在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定工作。另外，光纖式的光路結(jié)構(gòu)使其體積小巧、易于攜帶、成本低廉。
[0004]然而，傳統(tǒng)的多普勒測振方式只能進(jìn)行單點(diǎn)測量，無法像全場測量方式那樣獲取目標(biāo)表面多點(diǎn)的振動信息。為解決這一問題，出現(xiàn)了掃描式及多通道式的激光多普勒測振儀。掃描式測振儀通過在待測物體上快速移動測量點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量功能，但整個掃描過程中，需要假定物體的狀態(tài)維持不變，因此它只適合穩(wěn)態(tài)的振動，然而大多數(shù)的工程測量并不滿足這一要求，如沖擊載荷作用下的瞬態(tài)振動、耦合振動等，這使得其應(yīng)用范圍受到限制。多通道激光多普勒測振儀通過集成多個單點(diǎn)多普勒測振儀來實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量。與多通道激光多普勒測振儀最為接近的已有技術(shù)是專利CN201310253021.X，如圖2所示。它需要多個光探測器來同時完成測量，但多個探測器之間的響應(yīng)必須同步，如何做到同步響應(yīng)仍然有待更好地解決。
[0005]為了克服上述系統(tǒng)的缺點(diǎn)，特設(shè)計(jì)一種使用單探測器的多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)，同步實(shí)時解調(diào)不同測量點(diǎn)的振動信息，避免了掃描式測振儀的實(shí)時性問題以及多通道式測振儀的響應(yīng)同步問題，且體積小巧、成本低廉。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的目的克服現(xiàn)有技術(shù)中多點(diǎn)多普勒測振方式的缺點(diǎn)，將一束激光分成多束來作為不同測量點(diǎn)的入射光，然后用多個聲光調(diào)制器給這若干束激光分別加上不同的附加頻移，并通過頻率域處理將多點(diǎn)的信號進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)單一探測器同時解調(diào)多點(diǎn)振動信號。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:提供一種多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括依次設(shè)置的激光器、光纖、光纖稱合器、聲光調(diào)制器、第一準(zhǔn)直鏡組、第一分光鏡和可調(diào)擴(kuò)束鏡，在第一準(zhǔn)直鏡組的一側(cè)設(shè)有第二準(zhǔn)直鏡，在第一分光鏡的一側(cè)設(shè)有第二分光鏡，第二準(zhǔn)直鏡與第二分光鏡同軸設(shè)置，其中第一分光鏡與第二分光鏡呈反方向傾斜設(shè)置；在第二分光鏡的一側(cè)設(shè)有匯聚透鏡、光電探測器，光電探測器的輸出端與解調(diào)電路連接。
[0008]其中優(yōu)選的技術(shù)方案是，所述聲光調(diào)制器設(shè)有若干個，且相互平行設(shè)置；在所述第一準(zhǔn)直鏡組內(nèi)設(shè)有與聲光調(diào)制器的數(shù)量和位置相對應(yīng)的第一準(zhǔn)直鏡。
[0009]優(yōu)選的技術(shù)方案還有，所述第一分光鏡與第二分光鏡相對于垂直面的傾斜角度為45。 ,135° 。
[0010]優(yōu)選的技術(shù)方案還有，所述激光器為發(fā)射窄線寬激光信號的激光器。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:該多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)具有使用單一探測器，能夠進(jìn)行實(shí)時多點(diǎn)同步振動測量的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)將一束激光分成多束作為不同測量點(diǎn)的入射光，然后用多個聲光調(diào)制器給這若干束激光分別加上不同的附加頻移，并通過頻率域處理將多點(diǎn)的信號進(jìn)行分離，避免了掃描式測振儀的實(shí)時性問題以及多通道式測振儀的探測器響應(yīng)同步問題，且體積小巧、成本低廉、機(jī)動靈活，能夠有效實(shí)現(xiàn)非接觸、遠(yuǎn)距離、高精度、納米量級的振動測量，特別適于聲學(xué)、航空航天、地雷勘探、質(zhì)量檢測、醫(yī)療、爆炸研究等領(lǐng)域的推廣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實(shí)用新型一種多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014]如圖1所示，本實(shí)用新型是一種多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括依次設(shè)置的激光器101、光纖102、光纖稱合器103、聲光調(diào)制器104、第一準(zhǔn)直鏡組105、第一分光鏡106和可調(diào)擴(kuò)束鏡107，在第一準(zhǔn)直鏡組105的一側(cè)設(shè)有第二準(zhǔn)直鏡109，在第一分光鏡106的一側(cè)設(shè)有第二分光鏡110，第二準(zhǔn)直鏡109與第二分光鏡110同軸設(shè)置，其中第一分光鏡106與第二分光鏡110呈反方向傾斜設(shè)置；在第二分光鏡110的一側(cè)設(shè)有匯聚透鏡111、光電探測器112，光電探測器112的輸出端與解調(diào)電路113連接。
[0015]在本實(shí)用新型中優(yōu)選的實(shí)施方案是，所述第一分光鏡106與第二分光鏡110相對于垂直面的傾斜角度分別為45°和135°。
[0016]在本實(shí)用新型中優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述激光器為發(fā)射窄線寬激光信號的激光器。
[0017]該多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)的工作原理是:
[0018]激光器101發(fā)出單頻激光信號的光場強(qiáng)度E為，
[0019]E = A cos ( ω 0t+ φ 0),
[0020]式中，A為光電場振幅，Oci為光振動圓頻率，為初始相位，
[0021]光場E經(jīng)I Xn路光纖耦合器103分光后，每一路變?yōu)椋?br> [0022]經(jīng)過中心頻率為ωΙΠ的第i個光移頻器后，輸出信號光的一級光頻率上移為，
[0023]Esi = Ar οο8[(ω0+ωΙΡ?)?+Φ0],
[0024]經(jīng)光學(xué)部件匯聚到被測振動目標(biāo)物108上，并由振動目標(biāo)物108向后散射，光場強(qiáng)度Es變?yōu)椋?br>
η—I
[0025]Es =^Ar cos[(似ο + ω,,, Υ + φ,、+ 也.(/)]

/=1
[0026]式中，(t)為第i束反回光相位，其值隨被測目標(biāo)物108表面振動而變化，變化率即為振動點(diǎn)產(chǎn)生的頻移Afi,
[0027]Δ f j = 2vj (t) / λ
[0028]式中，Vi (t)為振動目標(biāo)物108上第i點(diǎn)隨時間t變化的振動速度，λ為激光器101出射光波長。
[0029]所述光場強(qiáng)度Es經(jīng)光學(xué)部件后最終到達(dá)第二分光鏡110表面；
[0030]所述光場強(qiáng)度EsE經(jīng)過光纖耦合器103、第二準(zhǔn)直鏡109后，到達(dá)第二分光鏡110表面，輸出參考光為，
[0031]Ee = Ae cos ( ω 0t+ Φ 0),
[0032]所述到達(dá)第二分光鏡110表面的光場強(qiáng)度Es和光場強(qiáng)度Εκ，經(jīng)第二分光鏡110后產(chǎn)生干涉，其光場強(qiáng)度為:



η-\
[0033]Er + Es = Aji cos(r,v + 4)+ X^v cos[(^ + ωΙΗ)? + + φ,Μ)]，
?=1 —_
[0034]所述EK+ES的光場信號經(jīng)響應(yīng)率為R的光電探測器112轉(zhuǎn)換為電信號1:



n-\
[0035]I = R{AK cos(ra.+ φ{(diào))) + Y_JAs cos[(^0 + (0η.? )? + + 4(,)] S2,



/=1
[0036]所述電信號I經(jīng)解調(diào)電路113進(jìn)行濾波、放大、解調(diào)處理后，最終輸出目標(biāo)振動信號。
[0037]實(shí)施例1
[0038]本實(shí)用新型將一束激光分成多束來作為不同測量點(diǎn)的入射光，然后用多個聲光調(diào)制器104給這若干束激光分別加上不同的附加頻移，并通過頻率域處理將多點(diǎn)的信號進(jìn)行分離，避免了掃描式測振儀的實(shí)時性問題以及多通道式測振儀的光電探測器112響應(yīng)同步問題，且體積小巧、成本低廉、機(jī)動靈活，能夠有效實(shí)現(xiàn)非接觸、遠(yuǎn)距離、高精度、納米量級的振動測量，特別適于聲學(xué)、航空航天、地雷勘探、質(zhì)量檢測、醫(yī)療、爆炸研究等領(lǐng)域的推廣。
[0039]如圖1所示，本實(shí)用新型的多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)，包括:
[0040]依次連接的激光器101，光纖102，光纖耦合器103，聲光調(diào)制器104，第一準(zhǔn)直鏡組105，第一分光鏡106，可調(diào)擴(kuò)束鏡107，振動源108，第二準(zhǔn)直鏡109，第二分光鏡110，匯聚透鏡111，光電探測器112，解調(diào)電路113 ；
[0041]所述激光器101為窄線寬光纖輸出激光器，激光輸出并經(jīng)光纖102、光纖耦合器103后,分為信號光和參考光；
[0042]所述信號光經(jīng)聲光調(diào)制器104、第一準(zhǔn)直鏡組105后，進(jìn)入分立光學(xué)元件構(gòu)成的空間光路，經(jīng)第一分光鏡106，可調(diào)擴(kuò)束鏡107投射并聚焦至振動源108的振動表面上的多個點(diǎn)、攜帶振動信息后漫反射回可調(diào)擴(kuò)束鏡107、第一分光鏡106至第二分光鏡110表面；
[0043]所述參考光經(jīng)第二準(zhǔn)直鏡109后，進(jìn)入分立光學(xué)元件構(gòu)成的空間光路，到達(dá)第二分光鏡I1表面；
[0044]所述信號光和參考光經(jīng)第二準(zhǔn)直鏡109分光后發(fā)生干涉，產(chǎn)生干涉信號光，經(jīng)匯聚透鏡111匯聚后至光電探測器112表面；
[0045]所述光電探測器112收集所述干涉信號光，并轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送至解調(diào)電路113 ；
[0046]所述電信號經(jīng)解調(diào)電路113進(jìn)行濾波、放大、解調(diào)處理后輸出振動信號114。
[0047]實(shí)施例中，激光器101發(fā)出單頻激光信號場E為，
[0048]E = A cos ( ω 0t+ φ 0),
[0049]式中，A為光電場振幅，Oci為光振動圓頻率，為初始相位，
[0050]實(shí)施例中，光場強(qiáng)度E經(jīng)IXn路光纖耦合器103分光后，每一路變?yōu)?-E
[0051]實(shí)施例中,光場經(jīng)過中心頻率為ωΙΠ的第i個光移頻器后,輸出信號光的一級光頻率上移為，
[0052]Esi = As οο8[(ω0+ωΙΡ?)?+Φ0],
[0053]實(shí)施例中，信號光經(jīng)光學(xué)部件匯聚到被測振動目標(biāo)物108上，并由振動目標(biāo)物108向后散射，變?yōu)椋?br>
η-1
[0054]Escos[(^o + ^ΙΗ)? + φ0 + φ,Μ)]

i=\
[0055]式中，(t)為第i束反回光相位，其值隨被測振動目標(biāo)物108表面振動而變化，變化率即為振動點(diǎn)產(chǎn)生的頻移Afi,
[0056]Δ f j = 2vj (t) / λ ,
[0057]式中:Vi (t)為目標(biāo)物上i點(diǎn)隨時間t變化的振動速度，λ為激光器出射光波長。
[0058]實(shí)施例中，所述光場強(qiáng)度Es經(jīng)光學(xué)部件后最終到達(dá)第二分光鏡110表面；
[0059]實(shí)施例中，所述光場強(qiáng)度E經(jīng)過光纖耦合器104，第二準(zhǔn)直鏡109后，到達(dá)第二分光鏡110表面,輸出參考光為，
[0060]Ee = Ae cos ( ω 0t+ Φ 0),
[0061]實(shí)施例中，所述光場強(qiáng)度Ek經(jīng)光學(xué)部件到達(dá)第二分光鏡109表面；
[0062]實(shí)施例中，所述到達(dá)第二分光鏡109表面的光場強(qiáng)度Es和光場Ek,經(jīng)第二分光鏡110后產(chǎn)生干涉，其光場強(qiáng)度為，



η-1
[0063]Er + Es = Ajt cos(rt>?/ + 戎)+ [ As cos[(^0 + ωΙΗ )? + φ、、+ φη{I)]，




ζ=1
[0064]實(shí)施例中，所述EK+ES的光場信號經(jīng)響應(yīng)率為R的光電探測器112轉(zhuǎn)換為電信號1:



n-l
[0065]+4) + ΧΛ.εο5[(Λ>ι:1 + ^7)/ +4 +4(0]}'.1=\
[0066]實(shí)施例中，所述電信號I經(jīng)解調(diào)電路113進(jìn)行濾波、放大、解調(diào)理后，最終輸出目標(biāo)振動信號114。
[0067]實(shí)施例中，采用多個聲光調(diào)制器104給這若干束激光分別加上不同的附加頻移，并通過頻率域處理將多點(diǎn)的信號進(jìn)行分離，以完成非接觸式多點(diǎn)振動測量。
[0068]本實(shí)用新型不限于上述實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員所做出的對上述實(shí)施方式任何顯而易見的改進(jìn)或變更，都不會超出本實(shí)用新型的構(gòu)思和所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括依次設(shè)置的激光器(101)、光纖(102)、光纖I禹合器(103)、聲光調(diào)制器(104)、第一準(zhǔn)直鏡組(105)、第一分光鏡(106)和可調(diào)擴(kuò)束鏡(107)，在第一準(zhǔn)直鏡組(105)的一側(cè)設(shè)有第二準(zhǔn)直鏡(109)，在第一分光鏡(106)的一側(cè)設(shè)有第二分光鏡(I 10),第二準(zhǔn)直鏡(109)與第二分光鏡(110)同軸設(shè)置，其中第一分光鏡(106)與第二分光鏡(110)呈反方向傾斜設(shè)置；在第二分光鏡(110)的一側(cè)設(shè)有匯聚透鏡(111)、光電探測器(112)，光電探測器的輸出端與解調(diào)電路連接。
2.如權(quán)利要求1所述的多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)，其特征在于，所述聲光調(diào)制器(104)設(shè)有若干個，且相互平行設(shè)置；在所述第一準(zhǔn)直鏡組(105)內(nèi)設(shè)有與聲光調(diào)制器(104)的數(shù)量和位置相對應(yīng)的第一準(zhǔn)直鏡。
3.如權(quán)利要求1所述的多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)，其特征在于，所述第一分光鏡(106)與第二分光鏡(110)相對于垂直面的傾斜角度分別為45°和135°。
4.如權(quán)利要求1所述的多點(diǎn)式激光多普勒測振系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器(101)為發(fā)射窄線寬激光信號的激光器。
【文檔編號】G01H9/00GK203929213SQ201420384230
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】宋大林, 蔣明, 趙一菲, 許秉時, 韓浚源, 王雷, 張昭, 牛建民 申請人:公安部第一研究所, 北京中盾安全技術(shù)開發(fā)公司