專利名稱：全光纖測速系統(tǒng)、相位測速方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感與力學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種全光纖測速系統(tǒng)、相位測速方法。
背景技術(shù)：
在沖擊波、爆炸物理和材料的沖擊特性研究中，常常需要對運動運動物體進 行測量。運動物體的運動具有速度與加速度高、運動時間短的特點。為了測量這種 運動，傳統(tǒng)的方法是使用光學(xué)分立元件對任意反射面速度進行測量的干涉儀(VISAR， VelocityInterferometer System for Any Reflector)。近年來，隨著光纖、光無源器 件以及相關(guān)光電子器件技術(shù)的發(fā)展和完善，基于光纖和光纖器件的光全纖干涉測速系統(tǒng) (FVISAR)不僅克服了傳統(tǒng)測速系統(tǒng)體積龐大、調(diào)試?yán)щy的缺點，且具有較高的靈敏度和較 大的動態(tài)范圍。在目前已有的光纖測速系統(tǒng)中，差拍法(Velocimetry UsingHeterodyne Techniques)也稱PDV法(Photonic Doppler Velocimetry)具有穩(wěn)定性好，易于測量多點 速度特性?；镜腜DV法測量反射面速度基于觀測到的干涉條紋的數(shù)目。然而，對于運動時 間極短(約幾百ns)，速度不大但變化極快(幾十ns內(nèi)速度變化數(shù)百m/s)的運動物體，得 到的條紋數(shù)目僅有幾個或十幾個，故通過觀測干涉的時域信號的周期數(shù)目(條紋數(shù))是不 可能測量速度的變化情況的，更不能得到亞ns量級的測速分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種全光纖測速系統(tǒng)、測速方法?；诒景l(fā)明，可以準(zhǔn)確的 測量運動時間極短，速度與加速度均很高的運動物體的運動。本發(fā)明提供了一種光纖測速系統(tǒng)，包括激光器、環(huán)行器、自聚焦透鏡和初相位調(diào)節(jié) 裝置；所述環(huán)行器連接有初相位探測裝置和參數(shù)計算裝置；所述自聚焦透鏡的端面是一個 部分反射部分透射端面；所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述環(huán)行器的第一端口、第二端口、以 及所述自聚焦透鏡后形成反射光和傳感光，并從所述環(huán)行器的第三端口輸出后進入所述初 相位探測裝置，檢測出所述反射光與所述傳感光光強的初相位差，利用所述初相位調(diào)節(jié)裝 置調(diào)節(jié)初相位差的大小，使所述系統(tǒng)工作在確定角度；所述參數(shù)計算裝置獲取光電流強度 隨時間的變化以得到相位隨時間的變化，進而測出包括速度與加速度的運動參數(shù)。上述光纖測速系統(tǒng)，優(yōu)選所述環(huán)行器的所述第三端口處連接有耦合器，所述耦合 器包括第一輸出端與第二輸出端，所述第一輸出端與直流探測器相連接以組成所述初相位 探測裝置；所述第二輸出端、交流探測器、示波器相連接以組成參數(shù)計算裝置。上述光纖測速系統(tǒng)，優(yōu)選所述耦合器為2X2的光纖耦合器，由直流探測器檢測出 運動物體運動前差頻信號光強的最小值、最大值來獲得初相差。上述光纖測速系統(tǒng)，優(yōu)選所述第一輸出端為10%輸出端，所述第二輸出端為90%輸出端。 上述光纖測速系統(tǒng)，優(yōu)選所述相位差調(diào)節(jié)裝置為手動微調(diào)架，用以調(diào)節(jié)運動物體 與所述自聚焦透鏡的探頭之間光程。 上述光纖測速系統(tǒng)，優(yōu)選所述相位差調(diào)節(jié)裝置為電動微調(diào)架，用以調(diào)節(jié)運動物體 與所述自聚焦透鏡的探頭之間光程。上述光纖測速系統(tǒng)，優(yōu)選所述電動微調(diào)架由微型電機驅(qū)動。上述光纖測速系統(tǒng)，優(yōu)選所述電動微調(diào)架由壓電陶瓷驅(qū)動。本發(fā)明還提供了一種相位測速方法，基于上述任一所述的全光纖測速系統(tǒng)進行相 位測速，包括以下步驟初相位差檢測步驟，檢測出所述反射光與所述傳感光光強的初相位 差；調(diào)節(jié)步驟，利用初相位調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)初相位差的大小，使所述系統(tǒng)工作在確定角度；參 數(shù)計算步驟，獲取光電流強隨時間的變化以得到相位隨時間的變化，進而測出包括速度與 加速度的運動參數(shù)。相比于現(xiàn)有技術(shù)，在發(fā)明具有如下優(yōu)點第一、通過測量傳感光和參考光之間的相位差隨時間的變化，測量運動時間極短 (約幾百ns)，速度變化極大(幾十ns內(nèi)速度從零加速到數(shù)百m/s，加速度達到107m/s2以 上)的運動物體的速度，測速的靈敏度高、穩(wěn)定性好，測量精度高。第二、只采用一只高速探測器和一只普通的直流探測器進行相位測量，成本低，系 統(tǒng)簡單穩(wěn)定。


圖1為本發(fā)明全光纖測速系統(tǒng)實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明全光纖測速系統(tǒng)實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明相位測速方法實施例的步驟流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實 施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。本發(fā)明提出一種用于的光纖PDV系統(tǒng)的相位測量法(以下簡稱測相法)，來實現(xiàn)瞬 時速度與加速度的測量。測相法是通過測量傳感光和參考光之間的相位差隨時間的變化， 來得到速度隨時間變化規(guī)律的。此方法不僅能夠測量多種速度，還可以測量運動時間極短 (約幾百ns)，速度變化極大(幾十ns內(nèi)速度從零加速到數(shù)百m/s，加速度達到107m/s2以 上)的運動物體的速度。參照圖1，本發(fā)明的光纖測速系統(tǒng)，由一個激光器1，一個環(huán)行器2，一個自聚焦透 鏡3，一個初相位差探測裝置9，一個參數(shù)計算裝置11 (交流探測器，一個示波器)以及一個 初相位差調(diào)節(jié)裝置10所構(gòu)成。初相位差探測裝置9由一個耦合器5與直流光探測器6組 成，用來檢測參考光與傳感光的初相位差。初相位差調(diào)節(jié)裝置10是手動或者電動的微調(diào) 架，或者其他產(chǎn)生微位移的裝置，用來將初相位差調(diào)節(jié)到一個合適的角度。然后再根據(jù)高速 交流探測器7上檢測差頻信號的光強隨時間的變化，即可得到相位隨時間的變化。由于光 纖中傳輸光的相位對外界環(huán)境非常敏感，每次測量的初始相位差都不相同，因此測相法的 關(guān)鍵是初始相位差的測量。由于以往的監(jiān)測系統(tǒng)都只使用一個高速探測器，而高速探測器不能測量直流光，因此事實上是不可能得到初相位差的。圖2為本發(fā)明全光纖測速系統(tǒng)實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。包括激光器1、環(huán)行器2、自聚焦透鏡3 ；其中，所述環(huán)行器包括第一端口 21、第二端口 22和第三端口 23，所述自聚焦透 鏡3包括反射部分和透射部分；所述環(huán)行器2的所述第三端口 23處連接有耦合器5，所述 耦合器5包括10%與90%的輸出端，10%輸出端與直流探測器6相連接以測量初相位差； 90%輸出端、交流探測器7、示波器8相連接。所述激光器1發(fā)出的激光經(jīng)所述環(huán)行器2的第一端口 21、第二端口 22到達所述自 聚焦透鏡3的端面，經(jīng)過所述反射部分形成發(fā)射光，經(jīng)所述透射部分透射到運動物體4上， 并經(jīng)過所述運動物體4的反射形成傳感光，所述反射光與所述傳感光從所述環(huán)行器2的第 三端口 23輸出到所述耦合器5，所述耦合器10%的輸出端輸出到直流探測器6進行初相位 差的計算，所述耦合器90%輸出端輸出的光進入交流探測器7后被示波器8記錄。其中的 耦合器5為2X2的光纖耦合器。設(shè)以運動起始為0時刻，到達交流探測器7中反射光和傳感光的振幅分別為Eltl和 E2tl，光載頻的頻率為f，相位分別為灼和約(O ,則二者到達交流探測器7中的光場分別為
<formula>formula see original document page 5</formula>
<formula>formula see original document page 5</formula>由于參考光(反射光)的相位不受運動物體的影響，灼=仍O(shè)為一個常量，所以到達 交流探測器7的光強Ideterttffl為
<formula>formula see original document page 5</formula>( 3 )當(dāng)運動物體4以極高的加速度快速運動時，相位外⑴也快速的變化，因此只要測得 了巧(0的變化，也就測得了運動物體4的運動情況。這就是測相法的基本原理。應(yīng)該注意的是交流探測器7是一個高速交流探測器(通常頻率下限在IOkHz以 上)，所以從探測器7輸出進入示波器中的電信號只有(3)式中的交流成份。設(shè)在t = 0時亥lj，^2(O) = ^20 ,運動物體的瞬時速度為u(t)，貝丨J
灼(0 =約。到達探測器7的差頻光的相位為仍。-— 記_。= n
于是<formula>formula see original document page 5</formula>利用手動或者電動的方法，調(diào)節(jié)初始的光程差，使得=^2,于是，所檢測到的
交流電流idrte。為<formula>formula see original document page 5</formula>
其中R為探測器的響應(yīng)度。經(jīng)過微分后即可得出運動物體的速度、加速度等參數(shù)。當(dāng)運動物體運動的時間比較長、速度比較大時，相位變化很大，呈周期性，周期數(shù)(也稱為條紋數(shù))很多。這時，記為條紋數(shù)，則
<formula>formula see original document page 6</formula>于是可以通過測量一定時間間隔At內(nèi)的條紋數(shù)的變化ΔΝ，再利用(6)式來測量 運動物體的運動速度。當(dāng)運動物體的運動時間很短、速度也不特別大時，條紋數(shù)很少。若想得到速度變化 的過程，不能通過測量一定時間間隔內(nèi)的條紋數(shù)(此時小于一個條紋)來測量運動物體的 運動速度。必須通過測量得到(5)式中的相位隨時間的變化才能計算出運動物體的運動速 度。下面說明如何使用直流探測器6測量到初相位差。根據(jù)耦合器的比例關(guān)系，到達直流探測器6的光強為<formula>formula see original document page 6</formula>在運動物體不動的情況下，上式變?yōu)?lt;formula>formula see original document page 6</formula>根據(jù)(8)式，通過調(diào)整自聚焦透鏡的位置，分別使到達直流探測器的光強達到最 大值和最小值，這時(8)式分別寫為<formula>formula see original document page 6</formula>
聯(lián)立以上兩式，得到
<formula>formula see original document page 6</formula>由此可以計算出I1和12，然后再調(diào)節(jié)自聚焦透鏡的位置，使得到達直流探測器的
光強為<formula>formula see original document page 6</formula>就可以保證=W2，最后利用(6)式得到運動物體的運動速度。另一方面，本發(fā)明還公開了一種相位測速方法，參照圖3該方法包括如下步驟初相位差檢測步驟310，檢測出所述反射光與所述傳感光光強的初相位差；調(diào)節(jié) 步驟320，利用初相位調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)初相位差的大小，使所述系統(tǒng)工作在確定角度；參數(shù)計 算步驟330，獲取光電流強隨時間的變化以得到相位隨時間的變化，進而測出包括速度與加速度的運動參數(shù)。上述方法實施例的原理及具體的技術(shù)細節(jié)在系統(tǒng)實施例中已經(jīng)做了清楚完整的 說明，在此不再贅述，相互之間互相參照即可。以上對本發(fā)明所提供的一種全光纖測速系統(tǒng)、相位測速方法詳細介紹，本文中應(yīng)用了具體實施例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助 理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想， 在具體實施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本 發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
一種光纖測速系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器(1)、環(huán)行器(2)、自聚焦透鏡(3)和初相位調(diào)節(jié)裝置(10)；所述環(huán)行器(2)連接有初相位探測裝置(9)和參數(shù)計算裝置(11)；所述自聚焦透鏡(3)的端面是一個部分反射部分透射端面；所述激光器(1)發(fā)出的激光經(jīng)過所述環(huán)行器(2)的第一端口(21)、第二端口(22)、以及所述自聚焦透鏡(3)后形成反射光和傳感光，并從所述環(huán)行器的第三端口(23)輸出后進入所述初相位探測裝置(9)，檢測出所述反射光與所述傳感光光強的初相位差，利用所述初相位調(diào)節(jié)裝置(10)調(diào)節(jié)初相位差的大小，使所述系統(tǒng)工作在確定角度；所述參數(shù)計算裝置(11)獲取光電流強度隨時間的變化以得到相位隨時間的變化，進而測出包括速度與加速度的運動參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖測速系統(tǒng)，其特征在于，所述環(huán)行器(2)的所述第三端 口(23)處連接有耦合器(5)，所述耦合器(5)包括第一輸出端與第二輸出端，所述第一輸出 端與直流探測器(6)相連接以組成所述初相位探測裝置(9)；所述第二輸出端、交流探測器 (7)、示波器(8)相連接以組成參數(shù)計算裝置(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖測速系統(tǒng)，其特征在于，所述耦合器(5)為2X2的光纖 耦合器，由直流探測器(6)檢測出運動物體運動前差頻信號光強的最小值、最大值來獲得 初相差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖測速系統(tǒng)，其特征在于，所述第一輸出端為10%輸出端， 所述第二輸出端為90%輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖測速系統(tǒng)，其特征在于，所述相位差調(diào)節(jié)裝置(10)為手 動微調(diào)架，用以調(diào)節(jié)運動物體與所述自聚焦透鏡(3)的探頭之間光程。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖測速系統(tǒng)，其特征在于，所述相位差調(diào)節(jié)裝置(10)為電 動微調(diào)架，用以調(diào)節(jié)運動物體與所述自聚焦透鏡(3)的探頭之間光程。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖測速系統(tǒng)，其特征在于，所述電動微調(diào)架由微型電機驅(qū)動。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖測速系統(tǒng)，其特征在于，所述電動微調(diào)架由壓電陶瓷驅(qū)動。
9.一種相位測速方法，基于權(quán)利要求1至8中任一所述的全光纖測速系統(tǒng)進行相位測 速，其特征在于，包括以下步驟初相位差檢測步驟，檢測出所述反射光與所述傳感光光強的初相位差； 調(diào)節(jié)步驟，利用初相位調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)初相位差的大小，使所述系統(tǒng)工作在確定角度； 參數(shù)計算步驟，獲取光電流強隨時間的變化以得到相位隨時間的變化，進而測出包括 速度與加速度的運動參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全光纖測速系統(tǒng)與相位測速方法。該系統(tǒng)包括激光器、環(huán)行器、自聚焦透鏡；自聚焦透鏡的端面為部分透射端面；環(huán)行器連接有初相位探測裝置和參數(shù)計算裝置；系統(tǒng)還包括初相位調(diào)節(jié)裝置；激光器發(fā)出的激光經(jīng)過環(huán)行器的第一端口、第二端口到達自聚焦透鏡后形成反射光和傳感光，并從環(huán)行器的第三端口輸出后進入初相位探測裝置，檢測出反射光與傳感光光強的初相位差，利用初相位調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)初相位差的大小，使系統(tǒng)工作在確定角度；參數(shù)計算裝置獲取光電流強度隨時間的變化以得到相位隨時間的變化，進而測出包括速度與加速度的運動參數(shù)。本發(fā)明可以準(zhǔn)確的測量運動時間極短，速度與加速度均很高的運動物體的運動。
文檔編號G01S17/58GK101799548SQ20101011288
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月23日
發(fā)明者吳重慶, 王健 申請人:北京交通大學(xué)