一種改進的激光多普勒測量光纖光路

李艷萍,王 偉,張雄星,楊宇祥

(1.西安工業(yè)大學光電工程學院，陜西 西安 710021；2.西安理工大學機械與精密儀器工程學院，陜西 西安 710048)

一種改進的激光多普勒測量光纖光路

李艷萍1,王 偉1,張雄星1,楊宇祥2

(1.西安工業(yè)大學光電工程學院，陜西 西安 710021；2.西安理工大學機械與精密儀器工程學院，陜西 西安 710048)

為了解決傳統(tǒng)激光多普勒差頻測量光路存在的光功率損耗大、參考光功率不可控等問題，在傳統(tǒng)激光多普勒光路中增加了光纖環(huán)形器，設計了一個全光纖激光多普勒差頻測量光路，并分析計算了傳統(tǒng)光路和改進光路中各光纖無源器件的光功率損耗和整體光路中光的利用率。通過搭建激光多普勒測量系統(tǒng)，采用兩種光路對音叉振動進行測量，設計了兩種光路的對比性試驗；采用光功率計實測了兩種光路的輸出光功率，進而計算出其光利用率；同時，采用數字示波器實時觀測兩種光路光電探測器輸出的多普勒頻移信號波形，并從信號幅值、信號對比度和信噪比等方面進行了分析計算。試驗結果表明：分析計算結果和實測結果相吻合，改進的激光多普勒測量光路提高了光的利用率；可通過不同分光比的光纖耦合分束器來控制參考光光功率，使得輸出的多普勒頻移信號幅值增大，信號信噪比和對比度都有所提高。

光纖； 激光多普勒測量系統(tǒng)； 數字濾波器； 耦合器； 信號對比度； 信噪比

0 引言

光纖激光多普勒測振是一種根據激光多普勒效應和光學混頻原理，并結合光纖與光無源器件技術發(fā)展起來的精密測速技術，具有非接觸測量和測量精度高等諸多優(yōu)點[1]。在光纖光路中，光纖準直器負責激光的發(fā)射與散射光信號的接收。由于散射和光纖準直器數值孔徑的影響，照射到被測目標后能再次進入光纖準直器的光非常微弱，其光強通常約為出射光的10-6。對于一般的光纖激光多普勒測量系統(tǒng)，光纖準直器出射光強在mW量級，而接收到的漫反射光則在nW量級[2]。準直器接收到的微弱光信號需經過跨阻放大、噪聲處理以及去除直流偏置等信號調理環(huán)節(jié)后，才能獲得多普勒頻移條紋信號[3]。根據兩束光干涉的光功率公式，能夠到達光電探測器且攜帶有多普勒頻移信息的光信號包括直流分量和交流分量，其中以直流分量為主?？缱璺糯蟛粌H會放大有用的交流分量，而且會放大直流分量。過大的直流分量會降低信號的對比度，在運動目標低速、運動方向轉換等導致信噪較低的情況下，甚至無法獲得有用的交流信號[4]。因此，判斷光纖激光多普勒測量系統(tǒng)光路能否正常工作，或者評價光路性能的一個重要指標就是到達光電探測器的光電流或者光功率需足夠大，且有用的交流信號所占比例越高越好[5-6]。

中國工程物理研究院開展了光纖多普勒測速的研究工作，其在多個測量應用中都采用光纖耦合器作為核心元件以實現(xiàn)參考光和反射光的干涉[7]；舜宇集團可自主生產激光多普勒測振儀；天津大學、西安交通大學等也在理論方面取得了一些成果[1]。而在國外，日本東海大學信息技術學院采用了以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，增加了新的無源光纖器件，設計了新的光路，簡化了后續(xù)信號調理電路的設計，提高了信號的對比度和測量精度。

1 激光多普勒原理及傳統(tǒng)光路分析

激光多普勒效應是全光纖激光多普勒測振的重要理論基礎，當光源與振動物體相對運動時，經振動物體反射回來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為激光經過振動物體表面反射后產生的相干光的多普勒頻移；V為物體的運動速度；λ為激光光源波長。激光多普勒測振系統(tǒng)根據測量ΔfD，計算出物體振動的速度。

對于整個激光多普勒測振系統(tǒng)而言，其核心為系統(tǒng)的光路設計。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直器等組成。激光光源輸出波長為1 550 nm的激光，經雙極隔離器、2×1光纖耦合分束器到達準直器后射入振動物體表面，在該表面發(fā)生散射。準直器接收散射光后經光纖耦合分束器分為兩束：一束進入光電探測器，實現(xiàn)光外差檢測；另一束進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個光纖耦合分束器。以經光纖耦合分束器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將先傳輸給準直器，同時將準直器所接收的散射光傳輸到光纖耦合分束器3；光纖耦合分束器3將參考光與信號光合束。參考光的光功率可通過光纖耦合分束器1的分光比計算得到，實現(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生多普勒信號，但仍存在以下問題。

①參考光的光功率不能量化控制，探測器的輸出信號對比度低。

多普勒信號的產生需要采用光外差檢測，即采用參考光與信號光進行干涉，產生差頻，通過檢測差頻來計算信號光的頻率、功率、相位或偏振方向等參數。對于傳統(tǒng)光路1，激光光束傳輸到準直器，由于準直器內部介質不均勻，部分光束將發(fā)生反射，作為部分參考光；而準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。以經振動物體散射后的光束作為信號光。在進行光外差檢測時，該光路的參考光信號具有較多的不確定因素，無法控制參考光的光功率，因此無法準確得出該光路的信號對比度。傳統(tǒng)光路2通過采用3個光纖耦合器實現(xiàn)參考光的量化控制，解決了輸出信號對比度低的問題。

②探測器所接收的輸出光信號太弱，增加了后級光電探測器的設計難度。

圖1(a)中，假定該光纖耦合分束器的分光比為1∶A。激光經光纖耦合分束器后，到達準直器，經振動物體漫反射后，準直器的激光再經過光纖耦合分束器輸出到光電探測器。其光功率為：

(2)

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

通過理論計算，當A=1時，即光纖耦合分束器的分光比為1∶1時，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，這將使得光電探測器接收到的光信號過于微弱。因此，在設計后級探測器時，需要合理選擇跨阻增益。但增益越大，噪聲也隨之放大，這對濾波電路提出了挑戰(zhàn)。

圖1(b)中，可以通過光纖耦合分束器來控制光路中的參考光光功率。通過理論計算與試驗驗證，當光纖耦合分束器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，該光路的光功率損耗最低，光的利用率約為13%K。

2 光纖光路設計與分析

針對傳統(tǒng)全光纖激光多普勒測振光路的缺點，本文設計了一種改進光路。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，可以通過選擇合適的光纖耦合分束器來控制光路中參考光的光功率，從而提高輸出信號對比度。

改進的全光纖激光多普勒測振光路如圖2所示。

圖2 改進光路示意圖

改進的光路主要由光纖隔離器、光纖耦合分束器、光纖環(huán)形器以及準直器等組成。該設計采用同一光纖準直器完成激光的發(fā)射和散射光的接收。激光器輸出波長為1 550 nm的激光，光功率為20.4 mW。輸出激光經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：一束作為信號光進入光纖環(huán)形器端口1，由端口2進入光纖準直器，經振動物體表面反射后由準直器接收，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。兩路信號經過分光比為1∶1的光纖耦合分束器2合束并輸出到光電探測器，由后級電路作信號處理，產生激光多普勒信號。

改進的光路能夠有效地解決傳統(tǒng)光路的缺陷，具體說明如下。

①通過理論值的計算與分析，激光經光纖隔離器的損耗可忽略不計，光纖耦合分束器1將激光按99∶1分為兩束，通過光纖環(huán)形器后其端口3的輸出光損耗也很小，在經分光比為1∶1的光纖耦合分束器2后光功率損耗一半。對于整體光路，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，通過計算選擇耦合分束器的分光比來改變參考光的光功率，實現(xiàn)了參考光的量值可控，便于改變輸出信號的對比度。

3 試驗驗證與分析

3.1 試驗裝置

搭建了激光多普勒測試平臺，使用固定頻率音叉作為測試對象，低信噪比信號選取音叉小振幅速度過零時的多普勒信號。試驗所用激光器為1 550 nm超窄線寬DFB半導體激光器(型號為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器(型號為C30644E)，光功率測量使用的是索雷博PM20CH型光功率計。對本文所設計光路以及傳統(tǒng)光路進行光功率測試，并采用Tektronix數字示波器檢測各種光路的實時波形，分析本文所設計的光路相對于傳統(tǒng)光路的優(yōu)點。

3.2 光路損耗測試

依照圖1與圖2搭建的試驗光路，用光功率計對各部分光路輸出的光功率進行檢測，計算光路各部分的損耗，重點測量探測器所接收光的光功率。對比三種光路，分析其對光的利用率。1 550 nm半導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比如表1所示。

表1 各光路光功率及光利用率對比

依據式(4)計算光利用率：

(4)

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

在本次試驗過程中，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激光經隔離后功率為17 mW，光纖準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有不同的光損耗，同樣的光纖耦合分束器，若光路應用結構不同也將產生不同的光損耗。由表1對比可看出，改進光路對光的利用率較高，改進了傳統(tǒng)光路輸出信號太弱的缺點。通過本次試驗，更好地驗證了本設計光路的可行性。

3.3 信號對比度測試

多普勒信號的產生需要進行光外差檢測，若要獲得較好的多普勒信號，就必須控制光路中信號光和參考光的光功率。通過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，并在此基礎上得到信號光和參考光的合適比例[4，12]。信號光與參考光產生差頻信號的理論計算如式(5)所示。

(5)

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

本次試驗采用帶寬為100MHz、去直流偏置的高速高頻率光電探測器，通過硬件電路解決了輸出信號存在較大偏置電壓的問題，去除了輸出電壓中的直流成分，輸出信號只包含可分析振動特征的交流信號。因此，需要提高信號對比度，使交流信號比值更高，則其輸出信號幅值更大。

傳統(tǒng)激光多普勒測振光路的輸出信號波形如圖3所示。輸出信號波形以兩個包絡為一個信號周期，一個周期內其信號頻率呈現(xiàn)由小到大、再由大到小的變化。傳統(tǒng)光路1的輸出信號幅值約為300mV，傳統(tǒng)光路2的輸出信號幅值約為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的輸出信號幅值應更大。但由于傳統(tǒng)光路2的信號對比度較大，即光信號轉換為電壓信號后，其交流信號與直流信號的比值更大，因此，傳統(tǒng)光路2輸出信號中交流信號所占的比值更大，輸出交流信號的幅值也更大。

圖3 傳統(tǒng)光路輸出信號波形圖

與傳統(tǒng)光路的多普勒信號相比，改進的全光纖激光多普勒測振系統(tǒng)光路，通過光纖環(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對比度更高，因此輸出交流信號幅值較大，約為2V；此外，在振動物體振動速度改變方向時，信號變化更為明顯。改進的激光多普勒測振光路輸出信號如圖4所示。

圖4 改進光路輸出信號波形圖

4 結束語

本文根據激光多普勒效應，對傳統(tǒng)多普勒測振光路進行了理論分析，針對其存在的問題，設計出一種光功率損耗低、信號對比度高的全光纖激光多普勒測振光路。通過優(yōu)化光路，不僅提高了多普勒原始信號的質量，而且有效降低了后級信號處理電路的難度。對于搭建的激光多普勒測振平臺，選用固定頻率的標準音叉作為試驗對象，驗證了本設計光路的正確性及其較傳統(tǒng)光路的優(yōu)越性，為整個激光多普勒測振系統(tǒng)的設計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

陜西省教育廳專項科學研究計劃基金資助項目(16JK1370)

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