光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及光電瞬態(tài)測試技術(shù)領(lǐng)域，提供一種光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀，以解決現(xiàn)有激光多普勒測速儀在爆轟加載測試時(shí)出現(xiàn)的信號波形超屏并丟失信號的問題，其包括激光器、第一光纖分束器、環(huán)形器、光纖探頭、光纖耦合器、光強(qiáng)自動增益調(diào)節(jié)反饋模塊，光強(qiáng)自動增益調(diào)節(jié)反饋模塊包括光強(qiáng)調(diào)制器、控制器、差分比較器、第一光電轉(zhuǎn)換器、第二光電轉(zhuǎn)換器、第二光纖分束器、第三光纖分束器、第三光電轉(zhuǎn)換器。本實(shí)用新型提出的技術(shù)方案保證了激光多普勒測速儀獲得的干涉信號一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，改善了激光多普勒測速儀信噪比不穩(wěn)定以及信噪比差的缺點(diǎn)，另外還避免了光強(qiáng)突變帶來的超屏信號丟失現(xiàn)象，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的激光多普勒測速儀的有效信號丟失問題。
【專利說明】
光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于光電瞬態(tài)測試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒 測速儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光多普勒測速技術(shù)是一種近年來逐步興起并且發(fā)展迅猛的瞬態(tài)速度歷程檢測 技術(shù)，由于其具有非接觸式、連續(xù)測量的特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種爆轟加載實(shí)驗(yàn)中，獲取 被測物體靶面的瞬態(tài)速度演化歷程，以對爆轟物理過程進(jìn)行精確分析。
[0003] 爆轟物理實(shí)驗(yàn)中使用的激光多普勒測速技術(shù)是一種使用通訊波段波長激光為光 源，微型光纖探頭為末端傳感器的全光纖式瞬態(tài)測速儀器。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的激光多普勒 測速儀的原理結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，光纖探頭收集出射至靶面并被靶面反射回來的信號光， 并通過長距離光纜返回，與儀器內(nèi)部參考光耦合并形成干涉光，當(dāng)被測靶面發(fā)生運(yùn)動時(shí)，由 于多普勒效應(yīng)，反射回來的信號光頻率產(chǎn)生與靶面運(yùn)動速度成正比的偏移，導(dǎo)致干涉光頻 率發(fā)生正比于靶面運(yùn)動速度的變化，通過光電轉(zhuǎn)換器探測和示波器記錄干涉光的頻率變化 歷程，再通過計(jì)算可獲得靶面運(yùn)動的速度歷程。
[0004] 現(xiàn)有激光多普勒測速技術(shù)在爆轟加載測試中，由于被測物體靶面運(yùn)動狀態(tài)復(fù)雜多 變，回光光強(qiáng)可能呈不規(guī)律變化，導(dǎo)致示波器采集干涉信號波形時(shí)，普遍存在信號幅值和信 號基線突變而導(dǎo)致測試波形超屏并丟失信號的風(fēng)險(xiǎn)和現(xiàn)象。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 【要解決的技術(shù)問題】
[0006] 本實(shí)用新型的目的是提供一種光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀，以解決現(xiàn)有激光 多普勒測速儀在爆轟加載測試時(shí)出現(xiàn)的信號波形超屏并丟失信號的問題。
[0007] 【技術(shù)方案】
[0008] 本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0009] 本實(shí)用新型涉及一種光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀，其包括激光器、第一光纖 分束器、環(huán)形器、光纖探頭、光纖耦合器，所述激光器與第一光纖分束器的輸入端連接，所述 第一光纖分束器的一個(gè)輸出端與環(huán)形器的第一端口連接，所述環(huán)形器的第二端口與光纖探 頭連接，其還包括光強(qiáng)自動增益調(diào)節(jié)反饋模塊，所述光強(qiáng)自動增益調(diào)節(jié)反饋模塊包括光強(qiáng) 調(diào)制器、控制器、差分比較器、第一光電轉(zhuǎn)換器、第二光電轉(zhuǎn)換器、第二光纖分束器、第三光 纖分束器、第三光電轉(zhuǎn)換器，所述第二光纖分束器的輸入端與第一光纖分束器的另一個(gè)輸 出端連接，所述第二光纖分束器的一個(gè)輸出端與第一光電轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，所述第二 光纖分束器的另一個(gè)輸出端與光纖耦合器的一個(gè)輸入端連接，所述差分比較器的一個(gè)輸入 端與第一光電轉(zhuǎn)換器的輸出端連接，所述差分比較器的另一個(gè)輸入端與第二光電轉(zhuǎn)換器的 輸出端連接，所述差分比較器的輸出端與控制器的輸入端連接，所述光強(qiáng)調(diào)制器的光輸入 端與環(huán)形器的第三端口連接，所述光強(qiáng)調(diào)制器的電輸入端與控制器的輸出端連接，所述光 強(qiáng)調(diào)制器的輸出端與第三光纖分束器的輸入端連接，所述第三光纖分束器的一個(gè)輸出端與 光纖耦合器的另一個(gè)輸入端連接，所述第三光纖分束器的另一個(gè)輸出端與第二光電轉(zhuǎn)換器 的輸入端連接，所述光纖耦合器的輸出端與第三光電轉(zhuǎn)換器的輸入端連接。
[0010] 作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述控制器被配置成:根據(jù)差分比較器輸出值調(diào)節(jié)光 強(qiáng)調(diào)制器的輸出，使光纖探頭接收到的反射光光強(qiáng)與激光器發(fā)射的參考光光強(qiáng)相等。
[0011] 作為另一種優(yōu)選的實(shí)施方式，還包括與第三光電轉(zhuǎn)換器連接的頻率信息提取模 塊，所述頻率信息提取模塊用于根據(jù)第三光電轉(zhuǎn)換器得到的電壓信號，通過傅立葉變換得 到對應(yīng)的頻率信息。
[0012] 作為另一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述控制器為FPGA、DSP或ARM。
[0013] 下面對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0014] 本實(shí)用新型通過在現(xiàn)有技術(shù)中的激光多普勒測速儀中加入光強(qiáng)自動增益調(diào)節(jié)反 饋模塊，使反射回來的信號光幅值保持穩(wěn)定且與參考光光強(qiáng)相等，同時(shí)與參考光耦合，形成 干涉光。
[0015] 首先，由激光干涉測速原理公式：
[0016]
[0017]上式中，Io⑴為參考光光強(qiáng)，Id⑴祀面反射信號光光強(qiáng)，fo(t)為參考光頻率，fd (t)為帶有多普勒頻移的反射信號光頻率;可見，等式右邊前兩項(xiàng)為直流分量，第三項(xiàng)為交 流分量。當(dāng)10 (t ) = Id (t)時(shí)，交流分量幅值在等式右邊的占比最高，此時(shí)信噪比最佳；當(dāng)10 (t)、Id(t)都為穩(wěn)定值時(shí)，直流分量強(qiáng)度穩(wěn)定且交流信號幅值穩(wěn)定，即波形信號的基線位置 和干涉信號幅值都保持穩(wěn)定。通過以上實(shí)用新型方法和相關(guān)原理，可獲得基線穩(wěn)定、信號幅 值穩(wěn)定，且信噪比最佳的干涉信號，可有效解決波形信號超屏導(dǎo)致有效測試數(shù)據(jù)丟失的問 題。
[0018] 具體地，以上所述的現(xiàn)有技術(shù)中的激光多普勒測速儀的原理如圖1所示，激光多普 勒測速儀是一種使用激光為光源，微型光纖探頭為末端傳感器的全光纖式瞬態(tài)測速儀器。 激光器發(fā)射出的入射激光被第一光纖分束器分成兩份，一份作為信號光通過長距離光纜傳 至光纖探頭并入射至被測靶面，另一份作為參考光直接傳入光纖耦合器。光纖探頭收集得 到發(fā)射至靶面并被靶面反射回來的信號光，并通過光纜返回至光纖耦合器，與參考光耦合 并形成干涉光。當(dāng)被測靶面發(fā)生運(yùn)動時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，信號光頻率產(chǎn)生與靶面運(yùn)動速度 成正比的偏移，導(dǎo)致干涉光頻率發(fā)生正比于靶面運(yùn)動速度的變化，通過光電轉(zhuǎn)換器探測和 示波器記錄干涉光的頻率變化歷程，可以獲得與靶面運(yùn)動速度成正比的多普勒移動頻率歷 程，最后通過傅立葉變換等計(jì)算方法，可以提取出與多普勒頻移所對應(yīng)的靶面運(yùn)動速度歷 程信息，完成對靶面的速度歷程測量。
[0019] 基于現(xiàn)有技術(shù)中的激光多普勒測速儀，本實(shí)用新型引入光強(qiáng)自動增益調(diào)節(jié)反饋模 塊，其中光強(qiáng)自動增益調(diào)節(jié)反饋模塊如圖2所示，具體地，將反射光接入一個(gè)光強(qiáng)調(diào)制器，并 且反射光和參考光分別通過光纖分束器分出等比例的一部分光接入一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，分別 將反射光和參考光轉(zhuǎn)換為與自身光強(qiáng)成正比的電壓信號，再接入一個(gè)差分比較器進(jìn)行光強(qiáng) 大小比對，當(dāng)反射光光強(qiáng)與參考光光強(qiáng)不相等時(shí)，差分比對器立即將兩路信號的差值強(qiáng)度 傳送給控制器，由控制器實(shí)時(shí)控制光強(qiáng)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)反射光的光強(qiáng)大小，使反射光光強(qiáng)與參 考光光強(qiáng)始終保持相等的狀態(tài)。
[0020] 【有益效果】
[0021] 本實(shí)用新型提出的技術(shù)方案具有以下有益效果：
[0022] (1)本實(shí)用新型保證了激光多普勒測速儀獲得的干涉信號一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。
[0023] (2)本實(shí)用新型改善了激光多普勒測速儀信噪比不穩(wěn)定以及信噪比差的缺點(diǎn)。
[0024] (3)本實(shí)用新型避免了光強(qiáng)突變帶來的超屏信號丟失現(xiàn)象，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的 激光多普勒測速儀的有效信號丟失問題。
[0025] (4)本實(shí)用新型采用全自動式自適應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)方式，避免了人為調(diào)節(jié)的不便。
【附圖說明】
[0026] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的激光多普勒測速儀的原理結(jié)構(gòu)圖。
[0027] 圖2為本實(shí)用新型的實(shí)施例一提供的光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀的原理結(jié)構(gòu) 圖。
[0028] 圖3為采用實(shí)施例一提供的光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀進(jìn)行飛片爆轟加載實(shí) 驗(yàn)的使用實(shí)施圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對本實(shí)用新型的具體 實(shí)施方式進(jìn)行清楚、完整的描述。
[0030] 實(shí)施例一
[0031] 實(shí)施例一提供一種光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀，圖2為實(shí)施例一提供的光強(qiáng) 自適應(yīng)型激光多普勒測速儀的原理結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，其包括激光器1、光纖分束器2、光纖 探頭3、光纖耦合器4、環(huán)形器15、光強(qiáng)自動增益調(diào)節(jié)反饋模塊。
[0032] 光強(qiáng)自動增益調(diào)節(jié)反饋模塊包括光強(qiáng)調(diào)制器5、控制器6、差分比較器7、光電轉(zhuǎn)換 器8、光電轉(zhuǎn)換器9、光纖分束器10、光纖分束器11、光電轉(zhuǎn)換器12。
[0033] 光纖分束器2的一個(gè)輸出端與光纖分束器10的輸入端連接，光纖分束器2的另一個(gè) 輸出端與環(huán)形器15的端口 a連接，環(huán)形器15的端口 b與光纖探頭3通過長距離光纜連接。光纖 分束器10的一個(gè)輸出端與光電轉(zhuǎn)換器8的輸入端連接，光纖分束器10的另一個(gè)輸出端與光 纖耦合器4的一個(gè)輸入端連接，差分比較器7的一個(gè)輸入端與光電轉(zhuǎn)換器8的輸出端連接，差 分比較器7的另一個(gè)輸入端與光電轉(zhuǎn)換器9的輸出端連接，差分比較器7的輸出端與控制器6 的輸入端連接，光強(qiáng)調(diào)制器5的光輸入端與環(huán)形器15的端口 c連接，光強(qiáng)調(diào)制器5的光輸出端 與光纖分束器11的輸入端連接，光強(qiáng)調(diào)制器5的電輸入端與控制器的輸出端連接，光纖分束 器11的一個(gè)輸出端與光纖耦合器4的另一個(gè)輸入端連接，光纖分束器11的另一個(gè)輸出端與 光電轉(zhuǎn)換器9的輸入端連接，光纖親合器4的輸出端與光電轉(zhuǎn)換器12的輸入端連接。
[0034] 本實(shí)施例中，控制器6被配置成：根據(jù)差分比較器7輸出值調(diào)節(jié)光強(qiáng)調(diào)制器5的輸 出，使光纖探頭3接收到的反射光光強(qiáng)與激光器1發(fā)射的參考光光強(qiáng)相等。
[0035] 在將本實(shí)施例應(yīng)用于飛片爆轟加載實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了獲得飛片運(yùn)動速度歷程，還需要 設(shè)置與光電轉(zhuǎn)換器12連接的頻率信息提取模塊14,其中頻率信息提取模塊14用于根據(jù)光電 轉(zhuǎn)換器12得到的電壓信號，通過傅立葉變換得到對應(yīng)的頻率信息。
[0036]下面將本實(shí)施例應(yīng)用于飛片爆轟加載實(shí)驗(yàn)。
[0037]飛片爆轟加載實(shí)驗(yàn)
[0038] 圖3為采用實(shí)施例一提供的光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀進(jìn)行飛片爆轟加載實(shí) 驗(yàn)的使用實(shí)施圖。如圖3所示，實(shí)驗(yàn)之前，將光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀放置在與爆轟 加載裝置相隔一定距離且具有防護(hù)功能的測試間中，將光纖探頭3通過長距離光纜固定放 置在飛片前端并與飛片垂直，通過長距離光纜將激光器1發(fā)射的信號光傳入光纖探頭3并從 光纖探頭3發(fā)射到飛片表面，從飛片表面反射回來的信號進(jìn)入光纖探頭3被回收并通過長距 離光纜傳回至光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀的光強(qiáng)自動增益調(diào)節(jié)反饋模塊，經(jīng)光強(qiáng)調(diào)制 器5后，反射信號光與參考光所分出的等比例部分被各自的光電轉(zhuǎn)換器探測到并轉(zhuǎn)換為與 光強(qiáng)大小成正比的電壓信號，輸入差分比較器7的兩個(gè)端口進(jìn)行比較，從差分比較器7輸出 的光強(qiáng)差值大小再實(shí)時(shí)輸入控制器6,控制器6根據(jù)光強(qiáng)差值的大小對光強(qiáng)調(diào)制器5進(jìn)行控 制，從而對反射信號光的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其光強(qiáng)大小與參考光實(shí)時(shí)地保持一致，且使光強(qiáng) 功率保持穩(wěn)定。光強(qiáng)強(qiáng)度一致的反射信號光和參考光經(jīng)光纖耦合器4后形成干涉光，其中當(dāng) 飛片被爆轟加載后發(fā)生運(yùn)動時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，反射信號光攜帶有與參考光不同的多普 勒頻移信息，二者耦合混頻后，二者頻率之差被光電轉(zhuǎn)換器12探測到并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓 強(qiáng)度信號，并經(jīng)示波器13記錄下來，頻率信息提取模塊14通過傅立葉變換提取出與飛片運(yùn) 動速度成正比的頻率信息，最終獲得飛片運(yùn)動速度歷程。
[0039] 其中，因?yàn)榉瓷湫盘柟夤鈴?qiáng)與參考光光強(qiáng)因光強(qiáng)自動增益調(diào)節(jié)反饋回路的存在而 始終保持相等，所以信噪比始終保持最優(yōu)狀態(tài)，且二者耦合后的光強(qiáng)大小也一直保持穩(wěn)定 狀態(tài)，避免了光強(qiáng)突變帶來的示波器采集過程中基線突變以及信號幅值突變而導(dǎo)致的超屏 現(xiàn)象，從而有效避免了信號丟失問題。
[0040] 從以上實(shí)施例可以看出，本實(shí)用新型實(shí)施例保證了激光多普勒測速儀獲得的干涉 信號一直處于穩(wěn)定狀態(tài)；另外，本實(shí)用新型實(shí)施例改善了激光多普勒測速儀信噪比不穩(wěn)定 以及信噪比差的缺點(diǎn)；同時(shí)，本實(shí)用新型實(shí)施例還避免了光強(qiáng)突變帶來的超屏信號丟失現(xiàn) 象，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的激光多普勒測速儀的有效信號丟失問題;最后，本實(shí)用新型實(shí)施例 采用全自動式自適應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)方式，避免了人為調(diào)節(jié)的不便。
[0041] 需要說明，上述描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例， 也不是對本實(shí)用新型的限制。基于本實(shí)用新型的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng) 造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀，其包括激光器（1)、第一光纖分束器(2)、環(huán)形 器（15)、光纖探頭（3)、光纖耦合器(4)，所述激光器（1)與第一光纖分束器(2)的輸入端連 接，所述第一光纖分束器(2)的一個(gè)輸出端與環(huán)形器（15)的第一端口（a)連接，所述環(huán)形器 (15)的第二端口（b)與光纖探頭(3)連接，其特征在于:還包括光強(qiáng)自動增益調(diào)節(jié)反饋模塊， 所述光強(qiáng)自動增益調(diào)節(jié)反饋模塊包括光強(qiáng)調(diào)制器(5)、控制器(6)、差分比較器(7)、第一光 電轉(zhuǎn)換器(8)、第二光電轉(zhuǎn)換器(9)、第二光纖分束器（10)、第三光纖分束器（11)、第三光電 轉(zhuǎn)換器（12 )，所述第二光纖分束器（10)的輸入端與第一光纖分束器(2)的另一個(gè)輸出端連 接，所述第二光纖分束器(10)的一個(gè)輸出端與第一光電轉(zhuǎn)換器(8)的輸入端連接，所述第二 光纖分束器(10)的另一個(gè)輸出端與光纖親合器(4)的一個(gè)輸入端連接，所述差分比較器(7) 的一個(gè)輸入端與第一光電轉(zhuǎn)換器(8)的輸出端連接，所述差分比較器(7)的另一個(gè)輸入端與 第二光電轉(zhuǎn)換器(9)的輸出端連接，所述差分比較器(7)的輸出端與控制器(6)的輸入端連 接，所述光強(qiáng)調(diào)制器(5)的光輸入端與環(huán)形器（15)的第三端口（c)連接，所述光強(qiáng)調(diào)制器(5) 的電輸入端與控制器(6)的輸出端連接，所述光強(qiáng)調(diào)制器(5)的輸出端與第三光纖分束器 (11)的輸入端連接，所述第三光纖分束器（11)的一個(gè)輸出端與光纖親合器(4)的另一個(gè)輸 入端連接，所述第三光纖分束器（11)的另一個(gè)輸出端與第二光電轉(zhuǎn)換器(9)的輸入端連接， 所述光纖親合器(4)的輸出端與第三光電轉(zhuǎn)換器(12)的輸入端連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀，其特征在于所述控制器(6) 被配置成:根據(jù)差分比較器(7)輸出值調(diào)節(jié)光強(qiáng)調(diào)制器(5)的輸出，使光纖探頭(3)接收到的 反射光光強(qiáng)與激光器(1)發(fā)射的參考光光強(qiáng)相等。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀，其特征在于還包括與第 三光電轉(zhuǎn)換器(12)連接的頻率信息提取模塊(14)，所述頻率信息提取模塊(14)用于根據(jù)第 三光電轉(zhuǎn)換器(12)得到的電壓信號，通過傅立葉變換得到對應(yīng)的頻率信息。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光強(qiáng)自適應(yīng)型激光多普勒測速儀，其特征在于所述控制器(6) 為FPGA、DSP或ARM。
【文檔編號】G01S17/58GK205581300SQ201620372889
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】陳浩玉, 文雪峰, 湯鐵鋼, 莫俊杰, 金山, 張茹, 蒲國紅
【申請人】中國工程物理研究院流體物理研究所