一种可视化调焦的激光自混合信号声音检测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及激光声音传感测量技术领域，具体为一种基于激光自混合信号的可调焦的声音检测方法及系统，该方法为：激光器输出激光；激光经过焦距可调的有限共轭系统后聚焦到置于被测声场中的反馈物上，反馈物由被测声场驱动振动；聚焦到反馈物上的激光信号经反馈物反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，形成带有声场信息的激光自混合信号；采集激光自混合信号并将其转化为电信号，对电信号进行分析处理即可获得反馈物所在位置的声场信息；在对有限共轭系统进行调焦时，利用可视化指示系统对有限共轭系统在被测声场中的聚焦位置进行观察；本发明专利技术发射、接收共光路，具有系统结构简单、调节光路方便、制作成本低、受环境影响小等优点。

A Visual Focused Sound Detection Method and System for Laser Self-mixing Signals

The invention relates to the technical field of laser sound sensing measurement, in particular to a focusing sound detection method and system based on laser self-mixing signal. The method is: laser output laser; laser focus on the feedback placed in the measured sound field after passing through a finite conjugate system with adjustable focal length, and the feedback is from the measured sound. Field-driven vibration; the laser signal focused on the feedback material is reflected back to the laser resonator along the original path to form a laser self-mixing signal with acoustic field information; the laser self-mixing signal is collected and converted into electrical signal, and the acoustic field of the position of the feedback material can be obtained by analyzing and processing the electric signal. Information; When focusing the limited conjugate system, the focus position of the limited conjugate system in the measured sound field is observed by using a visual indicator system; the common optical path of the transmitting and receiving system has the advantages of simple structure, convenient adjustment of the optical path, low production cost and little environmental impact.

【技术实现步骤摘要】
一种可视化调焦的激光自混合信号声音检测方法及系统
本专利技术涉及激光声音传感测量
，具体为一种基于激光自混合信号的可调焦的声音检测方法及系统。
技术介绍
声振动是现代各种工程，如导弹、飞机、船舰、汽车、桥梁、堤坝和大型建筑等各种结构设计中的重要参数。传统的声振动传感器大都是压电式、电磁式或者静电式。这类电参量传感器抗电磁干扰能力差，在易燃易爆环境下有潜在的危险，使其性能和使用受到很大限制。而利用光学方法进行声振动传感测量成为近年来研究的热点。其中主要有干涉型声振动传感器和光纤光栅型声振动传感器。传统干涉型声振动传感器是利用声振动信号改变干涉仪两光信号的相位差，使干涉输出随传感臂长度变化而变化，实现对声振动信号的检测。但该测量方案信号光和参考光处在不同光路，受环境影响较大，结构相对复杂且调试困难。光纤光栅型声振动传感器则是利用声振动信号改变光纤光栅的空间周期，引起输出光的光波长发生变化。它的探测灵敏度非常高，但波长检测成本较高。
技术实现思路
针对现有技术中的问题，本专利技术提供一种可视化调焦的激光自混合信号声音检测方法及系统。为实现以上技术目的，本专利技术的技术方案是：一种可视化调焦的激光自混合信号声音检测方法，具体步骤包括：A.激光器输出激光；B.激光经过焦距可调的有限共轭系统后聚焦到置于被测声场中的反馈物上，反馈物由被测声场驱动振动；C.聚焦到反馈物上的激光信号经反馈物反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，形成带有声场信息的激光自混合信号；D.采集激光自混合信号并将其转化为电信号，对电信号进行分析处理即可获得被测声场的声音信号；其中：步骤B中，为确保激光在经过焦距可调的有限共轭系统后能够聚焦到反馈物上，需要对有限共轭系统进行调焦，调焦过程中利用可视化指示系统对有限共轭系统在被测声场中的聚焦位置进行观察；步骤D中，信号的具体分析处理方法如下：基于激光自混合干涉理论，得到：φF＝φ0-Csin[φF+arctan(α)](1)I＝I0+ΔIcos(φF)(2)式(1)和式(2)中，C为反馈光强度，α为激光器的线宽展宽因子，式(2)中I和I0分别为有反馈光和无反馈光时激光器的输出激光的信号强度，ΔI为有反馈时的输出光信号强度变化幅度，φF和φ0分别为有反馈光和无反馈光时激光器输出激光的相位，其中φF的表达式如下：式(3)中，υ为有反馈光时的激光频率，c为真空中的光速，Lext为实时外腔长度；在声场中，空气中平面声波任意一点处t时刻声压p表示为：p＝Acos(2πft+2πr/λ)(4)式(4)中，p为矢量，A为声压的振幅，f为声波信号的频率，λ为声波波长，r为空间中任意一点处的位置矢量，声场空间中任意一点处的反馈物受到声压作用，使反馈物与激光器所组成的激光自混合系统外腔长度受声压产生受迫振动，所引起的自混合系统外腔长度变化为：ΔLext＝kp(5)式(5)中，k是声压引起外腔长度变化的比例系数；因此利用激光自混合效应，结合式(1)至式(5)，通过对激光器的输出激光的信号强度进行测量，能够解调出激光器的外腔相位变化，进一步获得反馈物所处位置声场的变化，从而还原出任意一点处的声场信息。基于上述检测方法构建三种检测系统：一种可视化调焦的激光自混合信号声音检测系统，包括激光器、准直透镜、滤光片、短焦透镜、焦距可调的有限共轭系统、可视化指示系统、反馈物、光电探测器和信号处理单元；所述激光器出射红外光或者可见光，激光依次经准直透镜、滤光片、短焦透镜、有限共轭系统后聚焦到反馈物上；所述反馈物置于被测声场中，由被测声场驱动振动，聚焦到反馈物上的激光信号经反馈物反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，形成带有声场信息的激光自混合信号；所述光电探测器用于采集激光自混合信号并将其转化为电信号后输出到信号处理单元；所述信号处理单元对接收到的电信号进行分析处理，获得反馈物所在位置的声场信息；所述可视化指示系统用于指示激光经过有限共轭系统后在被测声场中的聚焦位置，所述可视化指示系统包括目镜、反射镜、聚焦透镜、对焦屏和可转动的反光板；当有限共轭系统不调焦时，反光板置于初始位置，不遮挡激光器发射的激光，且被测声场中的自然光不经反光板折射到对焦屏上，当有限共轭系统调焦时，转动反光板，使反光板的一面朝向激光器，遮挡激光器发射的激光，激光不经过有限共轭系统，另一面朝向被测声场中的反馈物，且反光板中心点距短焦透镜焦平面的距离与距对焦屏的距离相等，照射到反馈物上的自然光经过有限共轭系统到达反光板的另一面，经反光板折射到对焦屏上形成影像，形成的影像经聚焦透镜聚焦、反射镜反射后呈现到目镜上，反射镜的入射光路和出射光路垂直，自然光在有限共轭系统中传输时的信号应当与不调焦时激光在有限共轭系统中传输时的信号共光轴。作为优选，所述反射镜为平面镜或者五角棱镜。一种可视化调焦的激光自混合信号声音检测系统，包括激光器、准直透镜、滤光片、短焦透镜、焦距可调的有限共轭系统、可视化指示系统、反馈物、光电探测器和信号处理单元；所述激光器出射红外光或者可见光，激光依次经准直透镜、滤光片、短焦透镜、有限共轭系统后聚焦到反馈物上；所述反馈物置于被测声场中，由被测声场驱动振动，聚焦到反馈物上的激光信号经反馈物反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，形成带有声场信息的激光自混合信号；所述光电探测器用于采集激光自混合信号并将其转化为电信号后输出到信号处理单元；所述信号处理单元对接收到的电信号进行分析处理，获得反馈物所在位置的声场信息；所述可视化指示系统用于指示激光经过有限共轭系统在被测声场中的聚焦位置，所述可视化指示系统包括CCD图像传感器和可转动的反光板；当有限共轭系统不调焦时，反光板置于初始位置，不遮挡激光器发射的激光，且被测声场中的自然光不经反光板折射到CCD图像传感器上，当有限共轭系统调焦时，转动反光板，使反光板的一面朝向激光器，遮挡激光器发射的激光，激光不经过有限共轭系统，另一面朝向被测声场中的反馈物，且反光板中心点距短焦透镜焦平面的距离与距CCD图像传感器的距离相等，照射到反馈物上的自然光经过有限共轭系统到达反光板的另一面，经反光板折射到CCD图像传感器上形成影像，自然光在有限共轭系统中传输时的信号应当与不调焦时激光在有限共轭系统中传输时的信号共光轴。作为改进，所述准直透镜与滤光片之间还设有可调衰减器。作为优选，所述有限共轭系统由相距距离可调的两个凸透镜或者相距距离可调的一个凹透镜和一个凸透镜构成。一种可视化调焦的激光自混合信号声音检测系统，包括红外激光器、准直透镜、红外滤光片、第一短焦透镜、分光镜、焦距可调的有限共轭系统、可视化指示系统、反馈物、光电探测器和信号处理单元，所述分光镜为可见与红外分光镜，所述分光镜的一面朝向第一短焦透镜；所述红外激光器出射激光，激光依次经过准直透镜、红外滤光片、分光镜、有限共轭系统后聚焦到反馈物上；所述反馈物置于被测声场中，由被测声场驱动振动，聚焦到反馈物上的激光信号经反馈物反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，形成带有声场信息的激光自混合信号；所述光电探测器用于采集激光自混合信号并将其转化为电信号后输出到信号处理单元；所述信号处理单元对接收到的电信号进行分析处理，获得反馈物所在位置的声场信息；所述可视化指示系统用于指示激光经过有限共轭系统后在被测声场中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可视化调焦的激光自混合信号声音检测方法，具体步骤包括：A.激光器输出激光；B.激光经过焦距可调的有限共轭系统后聚焦到置于被测声场中的反馈物上，反馈物由被测声场驱动振动；C.聚焦到反馈物上的激光信号经反馈物反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，形成带有声场信息的激光自混合信号；D.采集激光自混合信号并将其转化为电信号，对电信号进行分析处理即可获得被测声场的声音信号；其中：步骤B中，为确保激光在经过焦距可调的有限共轭系统后能够聚焦到反馈物上，需要对有限共轭系统进行调焦，调焦过程中利用可视化指示系统对有限共轭系统在被测声场中的聚焦位置进行观察；步骤D中，信号的具体分析处理方法如下：基于激光自混合干涉理论，得到：φF＝φ0‑Csin[φF+arctan(α)]    (1)I＝I0+ΔIcos(φF)    (2)式(1)和式(2)中，C为反馈光强度，α为激光器的线宽展宽因子，式(2)中I和I0分别为有反馈光和无反馈光时激光器的输出激光的信号强度，ΔI为有反馈时的输出光信号强度变化幅度，φF和φ0分别为有反馈光和无反馈光时激光器输出激光的相位，其中φF的表达式如下：

【技术特征摘要】
1.一种可视化调焦的激光自混合信号声音检测方法，具体步骤包括：A.激光器输出激光；B.激光经过焦距可调的有限共轭系统后聚焦到置于被测声场中的反馈物上，反馈物由被测声场驱动振动；C.聚焦到反馈物上的激光信号经反馈物反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，形成带有声场信息的激光自混合信号；D.采集激光自混合信号并将其转化为电信号，对电信号进行分析处理即可获得被测声场的声音信号；其中：步骤B中，为确保激光在经过焦距可调的有限共轭系统后能够聚焦到反馈物上，需要对有限共轭系统进行调焦，调焦过程中利用可视化指示系统对有限共轭系统在被测声场中的聚焦位置进行观察；步骤D中，信号的具体分析处理方法如下：基于激光自混合干涉理论，得到：φF＝φ0-Csin[φF+arctan(α)](1)I＝I0+ΔIcos(φF)(2)式(1)和式(2)中，C为反馈光强度，α为激光器的线宽展宽因子，式(2)中I和I0分别为有反馈光和无反馈光时激光器的输出激光的信号强度，ΔI为有反馈时的输出光信号强度变化幅度，φF和φ0分别为有反馈光和无反馈光时激光器输出激光的相位，其中φF的表达式如下：式(3)中，υ为有反馈光时的激光频率，c为真空中的光速，Lext为实时外腔长度；在声场中，空气中平面声波任意一点处t时刻声压p表示为：p＝Acos(2πft+2πr/λ)(4)式(4)中，p为矢量，A为声压的振幅，f为声波信号的频率，λ为声波波长，r为空间中任意一点处的位置矢量，声场空间中任意一点处的反馈物受到声压作用，使反馈物与激光器所组成的激光自混合系统外腔长度受声压产生受迫振动，所引起的自混合系统外腔长度变化为：ΔLext＝kp(5)式(5)中，k是声压引起外腔长度变化的比例系数；因此利用激光自混合效应，结合式(1)至式(5)，通过对激光器的输出激光的信号强度进行测量，能够解调出激光器的外腔相位变化，进一步获得反馈物所处位置声场的变化，从而还原出任意一点处的声场信息。2.一种可视化调焦的激光自混合信号声音检测系统，其特征在于：包括激光器、准直透镜、滤光片、短焦透镜、焦距可调的有限共轭系统、可视化指示系统、反馈物、光电探测器和信号处理单元；所述激光器出射红外光或者可见光，激光依次经准直透镜、滤光片、短焦透镜、有限共轭系统后聚焦到反馈物上；所述反馈物置于被测声场中，由被测声场驱动振动，聚焦到反馈物上的激光信号经反馈物反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，形成带有声场信息的激光自混合信号；所述光电探测器用于采集激光自混合信号并将其转化为电信号后输出到信号处理单元；所述信号处理单元对接收到的电信号进行分析处理，获得反馈物所在位置的声场信息；所述可视化指示系统用于指示激光经过有限共轭系统后在被测声场中的聚焦位置，所述可视化指示系统包括目镜、反射镜、聚焦透镜、对焦屏和可转动的反光板；当有限共轭系统不调焦时，反光板置于初始位置，不遮挡激光器发射的激光，且被测声场中的自然光不经反光板折射到对焦屏上，当有限共轭系统调焦时，转动反光板，使反光板的一面朝向激光器，遮挡激光器发射的激光，激光不经过有限共轭系统，另一面朝向被测声场中的反馈物，且反光板中心距短焦透镜焦平面的距离与距对焦屏的距离相等，照射到反馈物上的自然光经过有限共轭系统到达反光板的另一面，经反光板折射到对焦屏上形成影像，形成的影像经聚焦透镜聚焦、反射镜反射后呈现到目镜上，反射镜的入射光路和出射光路垂直，自然光在有限共轭系统中传输时的信号应当与不调焦时激光在有限共轭系统中传输时的信号共光轴。3.根据权利要求2所述的可视化调焦的激光自混合信号声音检测系统，其特征在于：所述反射镜为平面镜或者五角棱镜。4.一种可视化调焦的激光自...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕亮，陈由泽，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34