一种基于倍频原理的干涉位移测量系统及方法与流程

1.本发明涉及高时间分辨的精密位移测量技术领域，特别是涉及一种基于倍频原理的干涉位移测量系统及方法。


背景技术：

2.激光干涉测量技术是一种广泛应用的精密测量方法。目前常采用基于多普勒频移技术的激光位移干涉仪，波长为1550nm的激光位移干涉仪在进行低速测量时，产生的干涉条纹数量稀少，而物体的运动速度与干涉条纹的数量存在线性关系，干涉条纹数量太少会导致测量的时间分辨率较低，影响测量精度。为了解决低速测量时测量精度低的问题，本发明提出一种基于倍频原理的干涉位移测量系统及方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于倍频原理的干涉位移测量系统及方法，采用倍频晶体调节信号光的频率，可以增加干涉条纹的数量，提高了测量的时间分辨率，进而提高了测量精度。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种基于倍频原理的干涉位移测量系统，包括光纤激光器，光纤耦合器，至少一个光纤环形器，光纤探头，光纤滤波器，光纤合束器，倍频晶体，光电探测器，信号采集装置和数据处理装置；
6.所述光纤激光器发射的激光经所述光纤耦合器分成两路；
7.第一路激光输入至所述光纤合束器；
8.第二路激光经每一所述光纤环形器的第一端口接收，再由每一所述光纤环形器的第二端口输出至所述光纤探头，所述光纤探头将接收的光信号射向被测物体，所述被测物体反射的光经所述光纤探头输入至每一所述光纤环形器的第二端口，每一所述光纤环形器的第三端口将输入的光经所述光纤滤波器滤波后输入至所述光纤合束器；
9.所述光纤合束器将所述第一路激光和滤波后的光合为一束并输入至所述倍频晶体，所述倍频晶体对输入的光进行倍频处理后经所述光电探测器输入至所述信号采集装置，所述信号采集装置将采集的信号输入至所述数据处理装置；
10.所述数据处理装置，用于对输入的信号进行傅里叶变换，得到激光偏移频率与时间的线性关系，进而得到所述被测物体的移动位移。
11.可选的，所述光纤耦合器输出的信号光经第一光纤放大器后输入至所述光纤环形器的第一端口；所述光纤滤波器输出的光经第二光纤放大器后输入至所述光纤合束器。
12.可选的，所述第一光纤放大器和/或所述第二光纤放大器为掺饵光纤放大器。
13.可选的，所述信号采集装置采用示波器。
14.可选的，所述光纤激光器的中心波长为1550nm，输出功率为10mw，激光谱线宽度小于100khz。
15.可选的，所述光纤滤波器采用中心波长为1550nm的窄带滤波器。
16.本发明还提供一种基于倍频原理的干涉位移测量方法，包括：
17.获取信号采集装置采集的信号；
18.将所述信号采集装置采集的信号进行傅里叶变换，得到激光偏移频率与时间的线性关系；
19.根据所述激光偏移频率与时间的线性关系计算所述被测物体的移动位移。
20.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
21.本发明提供一种基于倍频原理的干涉位移测量系统，包括光纤激光器，光纤耦合器，至少一个光纤环形器，光纤探头，光纤滤波器，光纤合束器，倍频晶体，光电探测器，信号采集装置和数据处理装置；其中，所述光纤激光器发射的激光经所述光纤耦合器分成两路；第一路激光输入至所述光纤合束器；第二路激光经每一所述光纤环形器的第一端口接收，再由每一所述光纤环形器的第二端口输出至所述光纤探头，所述光纤探头将接收的光信号射向被测物体，所述被测物体反射的光经所述光纤探头输入至每一所述光纤环形器的第二端口，每一所述光纤环形器的第三端口将输入的光经所述光纤滤波器滤波后输入至所述光纤合束器；所述光纤合束器将所述第一路激光和滤波后的光合为一束并输入至所述倍频晶体，所述倍频晶体对输入的光进行倍频处理后经所述光电探测器输入至所述信号采集装置，所述信号采集装置将采集的信号输入至所述数据处理装置；所述数据处理装置，用于对输入的信号进行傅里叶变换，得到激光偏移频率与时间的线性关系，进而得到所述被测物体的移动位移。测量系统采用倍频晶体调节信号光的频率，可以增加干涉条纹的数量，提高了低速测量的时间分辨率和测量精度。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明实施例1提供的一种基于倍频原理的干涉位移测量系统结构图；
24.图2为本发明实施例2提供的一种基于倍频原理的干涉位移测量方法流程图。
25.符号说明：
26.1：光纤激光器；2：光纤耦合器；3：第一光纤放大器；4：光纤环形器；5：光纤探头；6：被测物体；7：光纤滤波器；8：第二光纤放大器；9：光纤合束器；10：倍频晶体；11；光电探测器；12：信号采集装置；13：数据处理装置。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本发明的目的是提供一种基于倍频原理的干涉位移测量系统，采用倍频晶体调节
信号光的频率，可以增加干涉条纹的数量，提高了测量的时间分辨率，进而提高了位移测量精度。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
30.实施例1
31.请参阅图1，本实施例提供一种基于倍频原理的干涉位移测量系统，包括光纤激光器1，光纤耦合器2，至少一个光纤环形器4，光纤探头5，光纤滤波器7，光纤合束器9，倍频晶体10，光电探测器11，信号采集装置12和数据处理装置13；
32.所述光纤激光器1发射的激光经所述光纤耦合器2分成两路；
33.其中，所述光纤激光器1的中心波长为1550nm，输出功率为10mw，激光谱线宽度小于100khz。
34.第一路激光输入至所述光纤合束器9；第二路激光经每一所述光纤环形器4的第一端口接收，再由每一所述光纤环形器4的第二端口输出至所述光纤探头5，所述光纤探头5将接收的光信号射向被测物体6，所述被测物体6反射的光经所述光纤探头5输入至每一所述光纤环形器4的第二端口，每一所述光纤环形器4的第三端口将输入的光经所述光纤滤波器7滤波后输入至所述光纤合束器9；
35.对于光纤探头5来说，可以采用双芯光纤探头5，光纤环形器4第二端口将光信号进入双芯光纤探头5，通过双芯光纤探头5其中一尾纤照射在被测物体6表面，从物体表面反射回来的光进入双芯光纤探头5另一尾纤。光纤探头5的光纤芯数不限于双芯，可根据需求设定。
36.对于滤波器来说，可以采用中心波长为1550nm的窄带滤波器。
37.对于光纤环形器4来说，采用三端口环形器，从第一端口输入的光由第二端口输出，从第二端口输入的光由第三端口输出。其中，图1中，i表示光纤环形器4的第一端口，ii表示光纤环形器4的第二端口，iii表示光纤环形器4的第三端口。
38.为了提高位移测量的准确性，可以设置多个光纤环形器4，光纤耦合器2输出的光分别进入不同的光纤环形器4的第一端口，并由不同的光纤环形器4的第二端口输出并经光纤探头5照射在被测物体6上，被测物体6反射回的光经光纤探头5输入到不同的光纤环形器4的第二端口，并由不同的光纤环形器4的第三端口输出至光纤滤波器7。
39.所述光纤合束器9将所述第一路激光和滤波后的光合为一束并输入至所述倍频晶体10，所述倍频晶体10对输入的光进行倍频处理后经所述光电探测器11输入至所述信号采集装置12，所述信号采集装置12将采集的信号输入至所述数据处理装置13；其中，所述信号采集装置12可以采用示波器，利用示波器采集光电探测器11处理的信号并记录波形，也可以是其他任何采集装置，根据需求设定。
40.所述数据处理装置13，用于对输入的信号进行傅里叶变换，将时域信号转化为频域信号，得到激光偏移频率与时间的线性关系，进而得到所述被测物体6的移动位移。数据处理装置13可以选用计算机。
41.倍频晶体10为ppln，是英文“periodically poled lithium niobate”的缩写，称为周期性极化铌酸锂，是一种高效的波长转换非线性光学晶体。中心波长为1550nm的信号光通过倍频晶体10可以倍频为775nm的倍频光；利用铌酸锂高非线性和周期性反转的的特
点，实现对中心波长为1550nm的信号光进行倍频，增加干涉条纹的数量，从而提高时间分辨率和测量精度。
42.为了保证照射在被测运动物体上的光强度更大，同时考虑到被测运动物体反射回来的光经光纤滤波器7滤波后，光强度会变弱，影响光强信息的采集精度，在光纤耦合器2和光纤环形器4之间设置第一光纤放大器3，在光纤滤波器7和光纤合束器9之间设置第二光纤放大器8，即所述光纤耦合器2输出的信号光经第一光纤放大器3后输入至所述光纤环形器4的第一端口；所述光纤滤波器7输出的光经第二光纤放大器8后输入至所述光纤合束器9。
43.进一步，所述第一光纤放大器3和/或所述第二光纤放大器8为掺饵光纤放大器(edfa，erbium-doped optical fiber amplifier)，edfa是一种对信号光放大的有源光器件，能够保证放大的精度。
44.本实施例的测量系统的原理：将一束激光照射到被测运动物体表面，反射光在多普勒效应的作用下发生多普勒频移，通过将反射光与同源的参考光相干涉，产生带有光源相位信息的干涉信号，实现对超高速运动物体的精密位移测量。同时，所述的测量系统采用倍频晶体10调节信号光的频率，可以增加干涉条纹的数量，提高了低速测量的时间分辨率和测量精度。
45.从连接关系的角度描述测量系统的各结构：
46.光纤激光器1与光纤耦合器2输入端通过光纤相连接，光纤耦合器2其中一输出端与光纤合束器9其中一输入端通过光纤相连接，光纤耦合器2的另一输出端与光纤放大器的输入端通过光纤相连接，光纤放大器的输出端与光纤环形器4的第一端口通过光纤相连接，光纤环形器4的第二端口与双芯光纤探头5的一端相连接，光纤环形器4的第三端口与光纤滤波器7通过光纤相连接相连接，光纤滤波器7与光纤放大器输入端通过光纤相连接，光纤放大器输出端与光纤合束器9的另一输入端相连接，光纤合束器9的输出端与倍频晶体10通过光纤相连接，倍频晶体10与光电探测器11，信号采集装置12，数据处理装置13依次相连接。
47.本实施例中，为解决现有激光位移干涉仪进行低速测量时，时间分辨率低，测量精度低的问题，在测量系统中设置了倍频晶体10，利用倍频晶体10对输入的光进行倍频处理，从而增加干涉条纹的数量，提高时间分辨率和测量精度；同时，采用edfa放大装置放大光信号，提高光信号强度，使采集到的光强信息更加精确，进而能够提高位移测量的准确性。
48.实施例2
49.如图2所示，本实施例提供一种基于倍频原理的干涉位移测量方法，包括：
50.步骤s1：获取信号采集装置12采集的信号；
51.步骤s2：将所述信号采集装置12采集的信号进行傅里叶变换，得到激光偏移频率与时间的线性关系；
52.步骤s3：根据所述激光偏移频率与时间的线性关系计算所述被测物体6的移动位移。
53.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。