一种干涉型全光纤旋转多普勒测速仪制造技术

本发明专利技术公开了一种干涉型全光纤旋转多普勒测速仪，包括激光器、第一光纤、耦合器、光涡旋产生器、第二光纤、发射探头、接收探头和检测装置。激光器输出高斯光，第一光纤为单模光纤，传输高斯光，第一耦合器将高斯光分束为探测光和参考光，光涡旋产生器将高斯光转换为涡旋光，第二光纤传输涡旋光，发射探头将涡旋光准直照射在旋转待测对象上，接收探头收集散射的信号光，第二耦合器将参考光和信号光合束成干涉光场，检测装置对干涉光场进行探测与信号处理，实现获取物体的旋转速度信息。本发明专利技术突破了传统干涉型全光纤多普勒测速仪无法直接获取物体旋转速度的限制，在光学测量与传感方面具有广泛的应用前景，填补了相关技术领域的空白。

【技术实现步骤摘要】
一种干涉型全光纤旋转多普勒测速仪
本专利技术属于光学测量领域，更具体地，涉及一种干涉型全光纤旋转多普勒测速仪。
技术介绍
多普勒效应将波的频率变化与物体运动速度联系起来，基于其发展起来的激光多普勒测量技术具有非接触、高精度、大量程等优势，目前已经成为了一种不可或缺的工程测量手段。传统的干涉式激光多普勒测量技术，采用高斯光分别作为探测光和参考光，探测光照射纵向平移运动的待测对象，散射的信号光与参考光干涉后，通过检测拍频来获取待测对象的速度信息。光纤作为一种优质的光传输介质，具有柔韧性高、尺寸小、受环境干扰小的特点，除了在光通信领域具有广泛应用，还常被引入测量与传感系统以提高测量性能。随着技术发展，人们将光纤器件与多普勒测量技术结合，发展出全光纤架构的多普勒测速仪。相比于自由空间架构的多普勒测速仪，全光纤多普勒测速仪具有集成度高、稳定性高、抗干扰能力强等优势。由于传统的全光纤多普勒测速仪基于线性多普勒效应，即多普勒频移只与纵向平移速度相关，因此，其无法直接对横向的旋转运动进行测量。通常情况下，传统的全光纤多普勒测速仪通过对旋转对象局部的线速度测量，来实现对旋转速度的间接获取，但这种方法在不确定旋转对象局部位置到旋转中心距离的情况下，对旋转速度测量的准确度大大降低。随着研究者们对光场维度的探索，人们发现具有相位螺旋分布的光场能够产生一种新奇的多普勒效应，将波的频率变化与物体横向的旋转运动联系起来，即旋转多普勒效应。相位涡旋光是一种等相位面绕光束中心呈螺旋分布的特殊光场，其光斑表现为甜甜圈式的环形结构，中心是光强为零的相位奇点。近年来，基于旋转多普勒效应发展出干涉式的旋转多普勒测速仪，采用涡旋光作为探测光照射旋转待测对象，直接通过拍频信号获取旋转速度信息，有效解决了传统的干涉式激光多普勒测量技术只能间接测量旋转速度的局限。然而，自由空间干涉式的旋转多普勒测速仪的结构庞杂、灵活性差、对环境要求高且系统调试困难，在实际应用中仍存在较大的挑战。就目前而言，缺乏一种可靠且灵活的方案，提高干涉式旋转多普勒测速仪在实际场景下使用的鲁棒性。涡旋光能够通过光纤本征的混合模式来叠加产生，且通过特殊设计的光涡旋光纤能够稳定传输涡旋光，因此采取全光纤架构来设计干涉式的旋转多普勒测速仪成为了可能。由于光纤作为光传播介质的诸多优势，采取全光纤架构来设计干涉式的旋转多普勒测速仪能够有效地解决其在实际与工程应用中的困难。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种干涉型全光纤旋转多普勒测速仪，旨在构建灵活且紧凑的系统，实现对目标物体旋转运动速度信息的直接测量，突破传统全光纤多普勒测速仪无法直接获取物体旋转速度的限制，填补相关技术的空白。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种干涉型全光纤旋转多普勒测速仪，包括：激光器、第一光纤、第一耦合器、第二耦合器、光涡旋产生器、第二光纤、发射探头、接收探头和检测装置。其中，激光器用于输出高斯光作为光源，第一光纤为单模光纤，用于传输高斯光至第一耦合器，第一耦合器为一分二型，用于将高斯光分为两束分别进入探测光路和参考光路，光涡旋产生器用于连接第一耦合器的探测光路端，将高斯光转换为涡旋光，第二光纤用于将涡旋光传输至发射探头，发射探头用于将涡旋光准直照射在旋转待测对象上，并保证探测光光斑尺寸与旋转待测对象的尺寸匹配，接收探头用于收集旋转待测对象散射的携带运动信息的信号光，并将信号光耦合至单模光纤，第二耦合器用于将信号光与第一耦合器的参考光路端的参考光合束得到干涉光场，检测装置包含光电探测器和信号处理模块，用于对干涉光场进行探测与信号处理，其中光电探测器将光信号转换成电信号，信号处理模块对电信号进行傅里叶分析，实现获取旋转待测物体的旋转运动速度信息。优选地，光涡旋产生器可以采用耦合型光涡旋产生器、非对称连接型光涡旋产生器或光栅应力型光涡旋产生器。其中，采用耦合型光涡旋产生器，单模光纤作为输入端，少模光纤、多模光纤或光涡旋光纤作为输出端，单模光纤预拉锥匹配后，在耦合区域通过对两根光纤同时拉锥熔接实现模式的定向耦合，在输入端和输出端通过调节偏振控制器输出涡旋光；采用非对称连接型光涡旋产生器，单模光纤作为输入端，多模光纤作为输出端，在连接区域通过端对端非对称连接实现高斯基模对高阶模的激发，在输入端和输出端通过调节偏振控制器输出涡旋光；采用光栅应力型光涡旋产生器，单模光纤作为输入端，少模光纤作为输出端，在少模光纤中刻制长周期光栅实现高斯基模向高阶模的转换，在输入端和输出端通过偏振控制器调节偏振状态，并通过对输出端施加应力输出涡旋光。优选地，耦合型光涡旋产生器为一分二型时，少模光纤、多模光纤或光涡旋光纤作为第一输出端，单模光纤作为第二输出端，第一输出端输出涡旋光进入探测光路，第二输出端输出高斯光进入参考光路，可以取代第一耦合器的使用。优选地，第二光纤可以为与光涡旋产生器输出端同类型的光纤，也可以为与光涡旋产生器输出端不同类型的环形光纤或空气芯光纤，通过滤模获得纯度更高的涡旋光；第二光纤与光涡旋产生器输出端采用直接端对端对准焊接。优选地，旋转待测对象可以是宏观的粗糙表面或微观的粒子。测量中，探测光以小角度照射旋转待测对象，探测光光斑中心与旋转待测对象的旋转中心对准。优选地，发射探头可以采用透镜式或微透镜式。其中，透镜式采用宏观尺寸的透镜组，准直的探测光光斑为宏观尺寸，适用于宏观的旋转待测对象；微透镜式采用微观尺寸的光纤微球透镜，附着于光纤的输出端面，准直的探测光光斑为微观尺寸，适用于微观的旋转待测对象。优选地，接收探头采用与发射探头相同的类型，且接收探头采用具有更大的收光孔径与数值孔径的透镜组或微球透镜，保证更大效率地接收散射光，降低信号光的耦合损耗。优选地，第二耦合器采用二合一型，单模光纤的参考光路端和信号光路端分别作为第一输入端和第二输入端，第一输入端输入参考光，第二输入端输入信号光。在第一输入端和第二输入端分别加入偏振控制器，通过偏振控制器的调节使参考光与信号光的偏振一致，提高干涉光场的信号质量。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术可以实现对待测旋转对象的角速度大小进行无接触地直接测量，突破传统全光纤多普勒测速仪无法直接获取物体旋转速度的限制，并提高测量的准确度。2、本专利技术采用光纤型器件，各器件小巧、易于加工且成本低廉，大大降低系统整体的复杂度。3、本专利技术构建的测速仪系统灵活、结构紧凑、抗干扰能力强、装配简单、便于调试，且对不同的测量环境具有很高的鲁棒性，可广泛地适用于各类实际与工程测量场景。4、本专利技术适用的待测对象范围广，可有效测量宏观尺度到微观尺度的物体的旋转速度。5、本专利技术提供的测速仪与传统的干涉型光纤多普勒测速仪具有很好的兼容性，将涡旋光产生器与涡旋光光纤加入传统测速仪架构中即可，因此本专利技术与现有的测速仪制造工业能够很好地融合。附图说明图1是本专利技术提供的一种干涉型全光纤旋转多普勒测速仪的结构示意图；图2是本专利技术提供的一种干涉型全光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种干涉型全光纤旋转多普勒测速仪，其特征在于，包括激光器、第一光纤、第一耦合器、第二耦合器、光涡旋产生器、第二光纤、发射探头、接收探头和检测装置，所述激光器用于输出高斯光作为光源，所述第一光纤为单模光纤，用于传输高斯光至所述第一耦合器，所述第一耦合器为一分二型，用于将高斯光分为两束分别进入探测光路和参考光路，所述光涡旋产生器用于连接所述第一耦合器的探测光路端，将高斯光转换为涡旋光，所述第二光纤用于将涡旋光传输至所述发射探头，所述发射探头用于将涡旋光准直照射在旋转待测对象上，并保证探测光光斑尺寸与旋转待测对象的尺寸匹配，所述接收探头用于收集旋转待测对象散射的携带运动信息的信号光，并将信号光耦合至所述单模光纤，所述第二耦合器用于将信号光与所述第一耦合器的参考光路端的参考光合束得到干涉光场，所述检测装置用于对干涉光场进行探测与信号处理，实现获取旋转待测物体的旋转运动速度信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种干涉型全光纤旋转多普勒测速仪，其特征在于，包括激光器、第一光纤、第一耦合器、第二耦合器、光涡旋产生器、第二光纤、发射探头、接收探头和检测装置，所述激光器用于输出高斯光作为光源，所述第一光纤为单模光纤，用于传输高斯光至所述第一耦合器，所述第一耦合器为一分二型，用于将高斯光分为两束分别进入探测光路和参考光路，所述光涡旋产生器用于连接所述第一耦合器的探测光路端，将高斯光转换为涡旋光，所述第二光纤用于将涡旋光传输至所述发射探头，所述发射探头用于将涡旋光准直照射在旋转待测对象上，并保证探测光光斑尺寸与旋转待测对象的尺寸匹配，所述接收探头用于收集旋转待测对象散射的携带运动信息的信号光，并将信号光耦合至所述单模光纤，所述第二耦合器用于将信号光与所述第一耦合器的参考光路端的参考光合束得到干涉光场，所述检测装置用于对干涉光场进行探测与信号处理，实现获取旋转待测物体的旋转运动速度信息。


2.根据权利要求1所述的干涉型全光纤旋转多普勒测速仪，其特征在于，光涡旋产生器为耦合型光涡旋产生器、非对称连接型光涡旋产生器或光栅应力型光涡旋产生器；采用所述耦合型光涡旋产生器，单模光纤作为输入端，少模光纤、多模光纤或光涡旋光纤作为输出端，单模光纤预拉锥匹配后，在耦合区域通过对两根光纤同时拉锥熔接实现模式的定向耦合，在输入端和输出端通过调节偏振控制器输出涡旋光；采用所述非对称连接型光涡旋产生器，单模光纤作为输入端，多模光纤作为输出端，在连接区域通过端对端非对称连接实现高斯基模对高阶模的激发，在输入端和输出端通过调节偏振控制器输出涡旋光；采用所述光栅应力型光涡旋产生器，单模光纤作为输入端，少模光纤作为输出端，在所述少模光纤中刻制长周期光栅实现高斯基模向高阶模的转换，在输入端和输出端通过偏振控制器调节偏振状态，并通过对输出端施加应力输出涡旋光。


3.根据权利要求2所述的干涉...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，万镇宇，马铭睿，赵雨田，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42