大景深全光纤激光多普勒测速仪制造技术

本发明专利技术提供一种大景深全光纤激光多普勒测速仪，解决现有激光多普勒测速仪测量景深小，无法对大行程运动物体的速度进行连续测量的问题。该大景深全光纤激光多普勒测速仪，包括种子光源、光隔离器、第一光纤分束器、第二光纤分束器、种子光监视探测器、激光放大器、光纤环形器、光纤在线衰减器、光学天线、光纤合束器、平衡光电探测器、数据采集卡和信号处理系统。本发明专利技术大景深全光纤激光多普勒测速仪在被测物体长达30米的运动范围内，光纤激光多普勒测速仪获得的干涉信号一直处于稳定状态，能够对大行程情况下物体的运动速度进行连续测量。

【技术实现步骤摘要】
大景深全光纤激光多普勒测速仪
本专利技术涉及光电瞬态测试领域，特别涉及激光多普勒速度和加速度测量领域，具体涉及一种大景深全光纤激光多普勒测速仪。
技术介绍
激光多普勒测速技术是一种基于光学多普勒效应的高精度非接触式速度测量技术，具有非接触、抗电磁干扰等优点，被广泛应用于各种场合。在对被测物体进行速度测量，特别是在测量高速运动物体时，可能存在被测物运动行程较长的情况，常规测速手段只能对很短行程内的运动速度进行测量，无法完全反应被测物在整个运动过程内的速度或加速度变化情况；如果能够提高测速仪的测量景深范围，一次性获得被测物体整个运动行程内的连续速度和加速度变化情况，将有助于实验人员对被测物的运动过程进行精确分析，提高实验效果。为了满足对大行程的运动速度测量，就需激光多普勒测速仪具有较大的测量景深，保证测速仪的测量景深能够覆盖被测物的整个运动行程，在被测物的整个运动行程内都能够接收到稳定的干涉信号。常见的光纤激光多普勒测速仪的原理结构如图1所示，激光器发出的激光被分为两路，一路作为参考光，一路作为信号光；信号光经过光纤环形器和光学天线后进行空间传输，在照射到被测物表面后，发生反射，重新进入光学天线；由于被测物体的运动，此时重新进入光学天线的信号光就带有了多普勒频移，会在光纤耦合器与参考光进行拍频，形成干涉信号，干涉光信号通过光电探测器进行接收，并通过信号处理系统进行处理分析后，就能够得到被测物体的运动速度。但是，常见的光纤激光多普勒测速仪受到光学天线耦合损耗和激光功率的限制，通常测量景深较小，无法满足被测物体大行程的连续速度测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有激光多普勒测速仪测量景深小，无法对大行程运动物体的速度进行连续测量的问题，提供一种大景深全光纤激光多普勒测速仪，该激光多普勒测速仪实现对被测物体的大行程连续速度测量。为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案来实现：一种大景深全光纤激光多普勒测速仪，包括种子光源、光隔离器、第一光纤分束器、第二光纤分束器、种子光监视探测器、激光放大器、光纤环形器、光纤在线衰减器、光学天线、光纤合束器、平衡光电探测器、数据采集卡和信号处理系统，所述光学天线为大景深光学天线；所述种子光源发出的连续激光线宽＜100kHz，种子光源通过光隔离器与第一光纤分束器相连，第一光纤分束器将激光分为功率不等的两束激光；所述第一光纤分束器的一个输出端口与种子光监视探测器相连，用于对种子光源的工作状态进行监控，另一个输出端口与第二光纤分束器的输入端口相连；所述第二光纤分束器的两个输出端口分别与激光放大器、光纤在线衰减器相连，与激光放大器相连的光路为测量光路，与光纤在线衰减器相连的光路为参考光路；光纤在线衰减器能够控制参考光路的激光功率，使之与测量光路的激光功率保持一致；所述激光放大器的输出端口与光纤环形器的a端口相连，光纤环形器的b端口与光学天线相连，在光纤中传输的激光信号由光学天线输出，成为空间光，射向被测物体表面，被测物体表面反射回的激光信号由光学天线再次进行传输，并沿原传播路径进入光纤环形器的b端口，传输至光纤环形器的c端口；所述光纤合束器的两个输入端口分别与光纤在线衰减器的输出端口、光纤环形器的c端口相连，参考光路和测量光路中的激光信号在光纤合束器发生拍频干涉，形成干涉光信号；所述光纤合束器的两个输出端口分别与平衡光电探测器的两个输入端口相连，将干涉光信号转化为电流信号；所述平衡光电探测器的输出端口与数据采集卡的输入端口相连，将电流信号转换为数字信号；数据采集卡将采集到的数字信号输入信号处理系统，得出被测物体的运动速度分布。进一步地，所述数据采集卡通过触发延时装置与总控计算机连接，触发延时装置用于控制数据采集卡开始采集数据。进一步地，所述触发延时装置和种子光源通过RS232信号线或RS485信号线与总控计算机连接；所述信号处理系统通过PCIE总线分别与数据采集卡、总控计算机连接；所述平衡光电探测器与数据采集卡之间、种子光监视探测器与总控计算机之间通过屏蔽信号线连接，其他器件通过单模光纤或保偏光纤连接。进一步地，所述种子光源的输出功率＞10mW，经激光放大器放大后激光线宽应＜200kHz，激光输出能量应＞1W，数据采集卡的内存＞4GB。进一步地，所述第一光纤分束器和第二光纤分束器的耦合比设置为99:1～90:10范围内。进一步地，所述光纤环形器的回波损耗＞50dB。进一步地，所述光纤合束器的耦合比设置为50:50。进一步地，所述信号处理系统为FPGA、DSP或ARM。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术大景深全光纤激光多普勒测速仪在被测物体长达30米的运动范围内，光纤激光多普勒测速仪获得的干涉信号一直处于稳定状态，能够对大行程情况下物体的运动速度进行连续测量。附图说明图1为现有光纤激光多普勒测速仪的原理结构图；图2为本专利技术大景深全光纤激光多普勒测速仪的原理图。附图标记：1-种子光源，2-光隔离器，3-第一光纤分束器，4-第二光纤分束器，5-激光放大器，6-光纤环形器，7-光学天线，8-光纤在线衰减器，9-光纤合束器，10-平衡光电探测器，11-数据采集卡，12-种子光监视探测器，13-触发延时装置，14-信号处理系统，15-总控计算机，16-单模光纤或保偏光纤，17-屏蔽信号线，18-PCIE总线，19-RS232信号线或RS485信号线。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术的内容作进一步详细描述。本专利技术提供了一种大景深全光纤激光多普勒测速仪，该测速仪在被测物体长达30米的运动范围内，光纤激光多普勒测速仪获得的干涉信号一直处于稳定状态，能够对大行程情况下物体的运动速度进行连续测量。如图2所示，本专利技术大景深全光纤激光多普勒测速仪包括种子光源1、光隔离器2、第一光纤分束器3、第二光纤分束器4、种子光监视探测器12、激光放大器5、光纤环形器6、光纤在线衰减器8、光学天线7、光纤合束器9、平衡光电探测器10、触发延时装置13、数据采集卡11、信号处理系统14和总控计算机15，该大景深全光纤激光多普勒测速仪的工作原理和各部件连接关系如下：①种子光源1发出一束连续激光，线宽＜100kHz；②种子光源1的输出端与光隔离器2的输入端相连，光隔离器2的作用是防止光纤中的光反向传输，进入种子光源1；③光隔离器2的输出端与第一光纤分束器3相连，第一光纤分束器3将激光分为功率不等的两束激光；④第一光纤分束器3的一个输出端口与种子光监视探测器12相连，该探测器用于对种子光源1的工作状态进行监控，查看种子光源1是否正常出光；第一光纤分束器3的另一个输出端口与第二光纤分束器4的输入端口相连；⑤第二光纤分束器4的两个输出端口分别与激光放大器5和光纤在线衰减器8相连，与激光放大器5相连的光路称为测量光路，与光纤在线衰减器8相连的光路称为参考光路；光纤在线衰减器8能够控制参考光路的激光功率，使之与测量光路的激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大景深全光纤激光多普勒测速仪，其特征在于：包括种子光源(1)、光隔离器(2)、第一光纤分束器(3)、第二光纤分束器(4)、种子光监视探测器(12)、激光放大器(5)、光纤环形器(6)、光纤在线衰减器(8)、光学天线(7)、光纤合束器(9)、平衡光电探测器(10)、数据采集卡(11)和信号处理系统(14)，所述光学天线(7)为大景深光学天线；/n所述种子光源(1)发出的连续激光线宽＜100kHz，种子光源(1)通过光隔离器(2)与第一光纤分束器(3)相连，第一光纤分束器(3)将激光分为功率不等的两束激光；所述第一光纤分束器(3)的一个输出端口与种子光监视探测器(12)相连，对种子光源(1)的工作状态进行监控，另一个输出端口与第二光纤分束器(4)的输入端口相连；/n所述第二光纤分束器(4)的两个输出端口分别与激光放大器(5)、光纤在线衰减器(8)相连，与激光放大器(5)连接的光路为测量光路，与光纤在线衰减器(8)连接的光路为参考光路；光纤在线衰减器(8)用于控制参考光路的激光功率，使之与测量光路的激光功率保持一致；/n所述激光放大器(5)的输出端口与光纤环形器(6)的a端口相连，光纤环形器(6)的b端口与光学天线(7)相连，在光纤中传输的激光信号由光学天线(7)输出，成为空间光，射向被测物体表面，被测物体表面反射回的激光信号由光学天线(7)再次进行传输，并沿原传播路径进入光纤环形器(6)的b端口，传输至光纤环形器(6)的c端口；/n所述光纤合束器(9)的两个输入端口分别与光纤在线衰减器(8)的输出端口、光纤环形器(6)的c端口相连，参考光路和测量光路中的激光信号在光纤合束器(9)发生拍频干涉，形成干涉光信号；/n所述光纤合束器(9)的两个输出端口分别与平衡光电探测器(10)的两个输入端口相连，将干涉光信号转化为电流信号；/n所述平衡光电探测器(10)的输出端口与数据采集卡(11)的输入端口相连，将电流信号转换为数字信号；数据采集卡(11)将采集到的数字信号输入信号处理系统(14)，得出被测物体的运动速度分布。/n...

【技术特征摘要】
1.一种大景深全光纤激光多普勒测速仪，其特征在于：包括种子光源(1)、光隔离器(2)、第一光纤分束器(3)、第二光纤分束器(4)、种子光监视探测器(12)、激光放大器(5)、光纤环形器(6)、光纤在线衰减器(8)、光学天线(7)、光纤合束器(9)、平衡光电探测器(10)、数据采集卡(11)和信号处理系统(14)，所述光学天线(7)为大景深光学天线；
所述种子光源(1)发出的连续激光线宽＜100kHz，种子光源(1)通过光隔离器(2)与第一光纤分束器(3)相连，第一光纤分束器(3)将激光分为功率不等的两束激光；所述第一光纤分束器(3)的一个输出端口与种子光监视探测器(12)相连，对种子光源(1)的工作状态进行监控，另一个输出端口与第二光纤分束器(4)的输入端口相连；
所述第二光纤分束器(4)的两个输出端口分别与激光放大器(5)、光纤在线衰减器(8)相连，与激光放大器(5)连接的光路为测量光路，与光纤在线衰减器(8)连接的光路为参考光路；光纤在线衰减器(8)用于控制参考光路的激光功率，使之与测量光路的激光功率保持一致；
所述激光放大器(5)的输出端口与光纤环形器(6)的a端口相连，光纤环形器(6)的b端口与光学天线(7)相连，在光纤中传输的激光信号由光学天线(7)输出，成为空间光，射向被测物体表面，被测物体表面反射回的激光信号由光学天线(7)再次进行传输，并沿原传播路径进入光纤环形器(6)的b端口，传输至光纤环形器(6)的c端口；
所述光纤合束器(9)的两个输入端口分别与光纤在线衰减器(8)的输出端口、光纤环形器(6)的c端口相连，参考光路和测量光路中的激光信号在光纤合束器(9)发生拍频干涉，形成干涉光信号；
所述光纤合束器(9)的两个输出端口分别与平衡光电探测器(10)的两个输入端口相连，将干涉光信号转化为电流信号；
所述平衡光电探测器(10)的输出端口与数据采集卡(11)的输入端...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝歌扬，杨钰城，吕小鹏，吴国俊，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61