CN105092877A - 三角波相位调制半导体激光自混合测速仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三角波相位调制半导体激光自混合测速仪及测量方法。其测速仪的结构为：驱动电路连接半导体激光二极管，半导体激光二极管的正向发射端轴线上依次设置有非球面补偿透镜、起偏器、光线密度滤波器、电光晶体调制器和待测目标；激光二极管内置有感光二极管、半导体激光器和光电探测器，感光二极管用于检测反射回半导体激光器谐振腔内的光束，光电探测器接收自混合干涉信号后输出给运算放大器；信号发生器分别输出三角波信号和触发信号至电光晶体调制器和运算放大器；运算放大器、数据采集卡和计算机依次连接。本发明非接触式地探测微纳米级振动，可同步得出待测物体速度与位移，具备高敏感度、纳米级精度、噪声低、解调速度快的特点。

Description

三角波相位调制半导体激光自混合测速仪及其测量方法

技术领域

本发明具体涉及一种三角波相位调制半导体激光自混合测速仪及其测量方法，属于光学干涉测量技术领域。

背景技术

速度是衡量微小振动、位移、加速度的基本物理量；对振动敏感的微机电或传感器等先进制造业来说，一般要求测速仪器所占空间要小，灵敏度高，被测物体不能被接触等特点。

使用各式激光器为光源的干涉型测速仪已取得一定成果，比如现有的迈克尔逊干涉仪、法布里珀罗干涉仪、零差或外差干涉仪、多普勒测振仪、激光雷达测速仪等。这些现有测速仪需要参考信号和辅助硬件，光路中常用参考镜、光分束器、偏振分光棱镜、声光调频等，数据处理中需配合高频计数电路、DSP系统等，使市场上光学测速仪结构大、占用更多空间、成本高、硬件复杂、系统更加脆弱，这些缺点迫切需要改善。

激光自混合效应中激光器只受反馈光影响，无需辅助，具有结构紧凑，易准直等优点而备受重视，辅助的硬件电路少，解调错误率低，但精度只有几百纳米，仍不能满足先进制造业对精度的苛求。典型的提高精度方法是对基于半导体激光器的自混合干涉仪注入电流来调制光频率，但电流注入同时也会改变输出光强，引入多余强度噪声，这同样亟待解决。

现有的声波测距或压电式、电涡流、电容式振动传感器在测量范围、精度或方式上有不少局限。比如声波较光波的波长更长，精度低，声波传播过程中损耗大距离短，信号质量远低于高度相干的激光束信号，极大限制了测量的范围和准确度；压电式传感器需紧贴被测物表面，容易损坏微机械系统或样品；电涡流或电容式振动传感器受制于电气特性，被测运动的频率和幅度受到限制；其他机械式的速度传感器同样很难达到微米以上的分辨率，更不具备对微纳米级振动或位移感知的能力。

对于已有的精密光学测速结构，如大型的德国PloyTec5000型多普勒测振仪，该仪器包含马赫泽德干涉仪，激光传感模组，高集成度的硬件解调电路和复杂软件，价格高于40万人民币，十分昂贵，且应用条件苛刻，操作繁琐。

发明内容

针对以上现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种三角波相位调制半导体激光自混合测速仪，该仪器是一种利用电光调制效应和光反馈效应产生的自混合信号实时解调物体振动速度与位移的精密测量仪器。本发明另一个目的是提供利用该测速仪进行测量的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

三角波相位调制半导体激光自混合测速仪，包括驱动电路、半导体激光二极管、制冷片、温度控制器、非球面补偿透镜、起偏器、光线密度滤波器、电光晶体调制器、信号发生器、运算放大器、数据采集卡和计算机；驱动电路连接半导体激光二极管，半导体激光二极管的正向发射端轴线上依次设置有非球面补偿透镜、起偏器、光线密度滤波器、电光晶体调制器和待测目标；所述半导体激光二极管内置有感光二极管、半导体激光器和光电探测器，所述感光二极管用于检测反射回半导体激光器谐振腔内的光束，所述光电探测器接收自混合干涉信号后输出给所述运算放大器；所述信号发生器分别输出三角波信号和方波触发信号至电光晶体调制器和运算放大器；所述运算放大器、数据采集卡和计算机依次连接；所述计算机基于交叉微分解调技术获得速度曲线，进一步得出待测目标的位移和加速度，并由显示终端输出。

所述制冷片设置在半导体激光二极管的底部，由温度控制器采用PID算法控制所述制冷片的通断状态。

所述待测目标固定在振源的垂直表面。

所述起偏器与电光晶体调制器的偏振方向一致。

进一步地，所述半导体激光器采用工作波长为635nm的激光器。

进一步地，所述运算放大器内置电流电压转换器件。

本发明利用上述测速仪进行测量的方法，具体步骤如下：

(1)驱动电路向半导体激光二极管注入电流，启动半导体激光二极管，旋转起偏器使透过非球面补偿透镜后激光束偏振态与电光晶体调制器偏振态的夹角最小；旋转光线密度滤波器控制激光自混合处于弱反馈水平，即用外接示波器观察到的干涉条纹没有倾斜现象时，即可测试；

(2)信号发生器产生三角波信号驱动电光晶体调制器对光束进行相位调制；处于微振动状态的待测目标将经过调制后的光束反射入半导体激光二极管谐振腔内耦合，发生自混合干涉效应，自混合干涉信号的光强由封装在二极管内光电探测器接收，接收到的自混合光强信号包含振动信息；

(3)光电探测器输出的自混合信号经运算放大器后由数据采集卡完成模数转换，数据采集卡同步采集经运算放大器放大后的感光二极管输出的信号；

(4)物体振动随时间变化为L(t)，由自混合效应产生的相位表示为式中λ代表激光波长，当已知时，振动位置表示为弱反馈条件下，调制后的激光自混合相位数学表达式为g(t)是由调制引入的三角波信号，显然当g(t)等于-π/2、0、π/2时，对应干涉信号的相位部分分别为将数据采集卡转换得到的离散数字信号由三个数据缓存器分别提取这三路信号；中间一路信号作为相位的余弦函数另两路信号相减后作为相位的正弦函数将正、余弦信号相除后做反正切运算得到由振动与相位之间的对应关系，解包裹后即可求出待测目标的振动曲线；将正、余弦信号归一化处理使振幅等于1，随后将与相乘，与相乘，两个乘积相减直接得出待测目标的速度曲线。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明非接触式地探测微纳米级振动，可同步得出待测物体速度与位移，具备高敏感度、纳米级精度、噪声低、解调速度快的特点。

(2)测量结果表示为微位移、速度、加速度的变化，更加直观、可靠。

(3)与现有国外的光学测速结构相比，本发明测速仪的光路简单、体积小、成本低于其20％，而且对被测面的平整度要求也低、允许反射靶面有粗糙度。

(4)本发明的装置设计的光路为一字型的直线结构，无需辅助光学元件，系统呈光电软一体化；而且引入的三角波调制的线性度高，调制信号源波动小；同时，采用的单模半导体激光器为系统光源，成本低，工作寿命长，其工作激光呈可见红色，易准直。

(5)本发明的数据处理由计算机完成，易于编程和安装；本发明与计算机技术紧密结合，能实时显示测量曲线。

(6)当待测物体的振动振幅小于5um时，测量位移精度高于20nm，相对误差小于0.2％，速度精度可达10nm/s，测速上限为10mm/s。

(7)本发明测量对象的范围广泛，可以是在工业或日常的处于振动态中的材料，如块状固体、仪器、机械装置、桥梁甚至运动中的舰艇、汽车、飞机等。由于本发明的高分辨率和抗噪能力，可应用于传感器制造业、微纳米机械加工、精密国防、医学信息工程、航空航天行业，或者供需要动态监测的研发、实验及计量类科研单位使用，特别适合对振动频率在音频段或以内的微位移、速度、加速度的测量精度要求高的场所。

附图说明

图1本发明三角波相位调制型半导体激光自混合测速仪装置的示意图；

图2本发明采集与解调信号的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

本发明主要解决的技术问题有：测速仪光路结构和辅助电路复杂的问题；传统激光自混合干涉的相位不易提取和分辨率受限于半个波长的问题；He-Ne激光器体积大和工作寿命不长的问题。

原理上采用三角波相位调制激光自混合干涉信号，去除参考光路中的分光棱镜、参考镜、外置PD等器件，构成“一”字型的最简光路，信号处理由普通计算机即可完成，也免去了外围电路；调制信号周期性改变自混合干涉的相位，单个调制周期内的相位信号易于提取，其分辨率明显提高；半导体激光二极管作为测量系统光源相比气体激光器体积小，工作寿命长，现有的制造工艺已非常成熟。

实现方式上半导体激光管输出的高斯光束聚焦后由偏振片选择与晶体材料一致的偏振态；在电光晶体上施加三角波电压，改变光通过晶体材料时的折射率，进而改变光程，在这过程中不改变激光光频，也不带光强上的波动，激光功率取决于自身；整个光路在搭建或安装时必须固定在隔振光学平台或精密导轨上确保准直。

方案要点之一是用电光相位调制器引入三角波相位调制，调制频率必须远高于振动频率，通常高于100倍以上，调制相当于对干涉信号进行细分；其次，由于调制频率已知，可精确提取细分区间内的正余弦相位，由反正切运算和解包裹技术测量出振动的位移，由交叉微分测得速度；再者，调制频率越高，细分的区间数量会增加，解调精度对应提高；相位调制-解调方式突破了半波长限制，振动方向的变化由相位自动给出，精度优于二十分之一波长；最后在数据解调中，由于三角调制引入的是线性调制，能克服采样误差，有效地改善系统的抗干扰能力。

本发明的激光测速仪涉及的技术主要有如下几个：

(1)半导体激光源与制冷技术：带量子阱半导体激光二极管受电流驱动发射波长为635nm可见高斯红光束，由补偿透镜聚焦后作为系统光源。激光管内置感光二极管检测反射回腔内的激光。半导体制冷片基于珀尔帖效应，热转换快，空间占用小，易于由PID算法精确控制，适合作为热循环系统。

(2)三角波相位调制技术：具备高效率，宽频带，不引入光强变化的特点。外加电场线性地改变电光晶体材料折射率，往返经过调制器的激光束光程随之改变，等效为调制相位。选择激光偏振态的偏振片放置时与电光晶体偏振方向需一致。三角波呈周期对称结构，调相后的信号线性度高，算法步骤少。由于调制频率远高于自混合信号频率，自混合信号经相位调制后被细分至微秒级时间间隔内。

(3)弱反馈激光自混合效应：根据激光器自混合干涉相位条件，当反馈水平在0.1以下，被测物体反射的部分激光重新耦合入半导体激光器，调制激光器输出功率及输出频率，形成近似正弦的干涉信号。信号中条纹形状与数量与振动存在唯一对应关系，对自混合信号进行数值分析可得出实时振动。当激光自混合的反馈处于适度或更高水平时，自混合形成的干涉条纹明显具有倾斜现象，不利于解调，测量时应尽量避免。

如图1所示，本实施例三角波相位调制半导体激光自混合测速仪的主要结构包括：驱动电路1、半导体激光二极管2、半导体制冷片3、温度控制器4、非球面补偿透镜5、起偏器(偏振片)6、光线密度滤波器7、电光晶体调制器8、待测目标9、信号发生器10、运算放大器11、数据采集卡12、计算机单元13；其中，非球面补偿透镜5、起偏器(偏振片)6、光线密度滤波器7、电光晶体调制器8、待测目标9依次放置在半导体激光二极管2的正向发射端轴线上；运算放大器11、数据采集卡12和计算机单元13依次连接；信号发生器10可输出三角波信号和方波触发信号分别作用于电光晶体调制器8和运算放大器11；半导体激光二极管2的内部设置有感光二极管和光电探测器，感光二极管用于检测反射回谐振腔内的光束，光电探测器接收的自混合信号直接作用于运算放大器11。

其中，驱动电路1，提供稳定的电流驱动；

半导体激光二极管2，封装了感光二极管作为光电探测器和单模635nm半导体激光器，具体型号为索雷博光电公司的HL6312G型半导体激光器；

半导体制冷片3，放置在半导体激光二极管2的底部，吸收激光管散发的多余热量；

温度控制器4，控制半导体制冷片3的通断，将半导体激光器温度维持在25℃；

非球面补偿透镜5，对发散的高斯激光束起聚焦作用；

起偏器(偏振片)6，与激光束同轴并选择激光器的偏振态；

光线密度滤波器7，采用可见光强度滤波器；

电光晶体调制器8，以防湿的氧化镁-铌酸锂作为工作介质，对往返的激光束进行三角波相位调制；

待测目标9，固定在精密压电陶瓷或其他振源的垂直表面；

信号发生器10，采用泰克数字示波器，输出三角波和TTL触发信号；三角波信号发生器，产生频率为f_m的三角波信号用于驱动电光晶体调制器7；

运算放大器11，前置电流电压转换器件，输出放大后的电压信号；

数据采集卡12，NI公司USB-6331型数据采集卡，用于同步双通道采集自混合信号与触发信号；

计算机单元13，对采集到的数字信号进行计算，显示速度和位移曲线。

为了实现上述的三角波相位调制型半导体激光自混合测速仪对微振动的实时追踪，测量方法主要包括以下步骤：由驱动电路1向索雷博公司的HL6312G半导体激光器注入电流，典型值为45mA，使其工作在阈值内；旋转起偏器(偏振片)6使输出偏振态与电光晶体偏振态一致；选择由渐变中性光线密度滤波器7控制出射光束的衰减程度；信号发生器10产生三角波信号驱动电光晶体调制光束进行纯相位调制；经过调制后的光束由被测目标反射后耦合入半导体激光器谐振腔，发生自混合干涉效应，自混合干涉信号的光强由内置光电探测器接收。

光电探测器输出的自混合信号经电流-电压转换后由数据采集卡12完成模数转换，数据采集卡设置为触发采集，即在方波触发信号上升沿时开始采集，对应的调制三角波相位为零，这样不引入额外相位差。物体振动随时间变化为L(t)，速度变化V(t)，二者存在积分关系，即dL(t)/dt＝V(t)。由自混合效应产生的相位表示为式中λ代表激光波长，当已知时，振动位置表示为实时速度表示为

弱反馈条件下，调制后的激光自混合相位数学表达式为g(t)是由调制引入的三角波信号，往返的激光束被调制两次，即2g(t)。显然当2g(t)等于-π/2、0、π/2时，对应干涉信号的相位值分别为将数据采集卡转换得到的离散数字信号由三个数据缓存器分别提取这三路信号；中间一路信号作为相位的余弦函数另两路信号相减后作为相位的正弦函数将正、余弦信号相除后做反正切运算得到由振动与相位之间的对应关系，解包裹后即可求出待测目标的振动曲线；将正、余弦信号归一化处理使振幅等于1，随后将与相乘，与相乘，两个乘积相减直接得出待测目标的速度曲线。

以下是本发明三角波相位调制型半导体激光自混合测速仪的测量原理：

单模半导体激光器输出光经偏振片5后在偏振态上的电场E(t)为：

E(t)＝E₀exp[-i(ωt+□₀)](1)

式中，E₀为光场的振幅，ω为激光角频率，□₀为出射光场的初始相位。

在外腔中，出射激光经过电光晶体调制器8进行相位调制，返回过程中再次被调制后的电场E₁(t)为

E₁(t)＝E₀exp[-i(ωt+□₀)]exp{-i[2g(t)]}exp(-iωτ)(2)

式中，τ为光束在外腔中的时延，g(t)为三角波相位调制信号，其表达式为：

$g\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cccc}\mathrm{\&pi;t}/T& & \mathrm{when}& 0<t<T/4\\ -\mathrm{\&pi;t}/T& +\mathrm{\&pi;}/2& \mathrm{when}& T/4\&le;t<3T/4\\ \mathrm{\&pi;t}/T& -\mathrm{\&pi;}& \mathrm{when}& 3T/4\&le;t<\end{array}\right.---\left(3\right)$

弱反馈条件下激光频率的波动量远远小于激光自身频率，只考虑激光器的输出功率ΔP(t)：

ΔP(t)＝GE₀cos[ωτ+2g(t)](4)

式中，G为与激光器自身参数有关的增益项，并假设初始相位□₀为零。

ΔP(t)分别用三组数据缓存器提取g(t)在0，-π/4，π/4时候的离散序列：

ΔP(t)₁＝GE₀cos(ωτ-π/2)(5)

ΔP(t)₂＝GE₀cos(ωτ)(6)

ΔP(t)₃＝GE₀cos(ωτ+π/2)(7)

(5)和(7)式相减并归一化，得：

SR＝sin(ωτ)(8)

CR＝cos(ωτ)(9)

由交叉微分求出ωτ的导数，其中包含速度：

dSR/dt*cos(ωτ)-dCR/dt*sin(ωτ)＝d(ωτ)/dt＝4πV(t)/λ(10)

由反正切运算后展开相位，其中包含位移：

Arctangent(SR/CR)＝ωτ＝4πL(t)/λ(11)

使用的数据缓存器长度须保证大于采样点数*f_m/采样率，防止数据溢出。

然后，结合图1做进一步详细说明，具体测量步骤如下：

(1)驱动电路1输出稳定电流，大小在半导体激光二极管2的阈值与最大电流之间；温度控器4控制制冷片3使激光管温度稳定在25±0.1℃；旋转偏振片6使透过非球面补偿透镜5的激光束偏振态与电光晶体调制器8偏振态的夹角最小；旋转光线密度滤波器7，消除激光自混合条纹倾斜，使波形呈正弦波形。

(2)启动压电陶瓷的伺服器，待测目标9发生微振动，被测靶面无需辅助光学装置；电光晶体调制器8引入深度为π/4的三角波相位调制，调制频率最大为500KHz；半导体激光器内置感光二极管的信号经运算放大器11放大1000倍后与调制信号的触发信号由DAQ设备同步采集。

结合图2说明信号流程：

1)LabVIEW2014版本环境下，配置数据采集卡12(NIUSB-6331)采集工作方式为连续采样，由触发信号的上边沿开始采集，采样时间为0.2s，采集到的数据被转换数组；采样点数量由采样时间乘以采集卡的采样率计算得到。

2)由数据缓存器提取三组信号，其中一路信号正比于待测相位的余弦函数，另两路信号相减后正比于待测相位的正弦函数，归一化处理使得正余弦信号的振幅等于1。

3)由交叉微分和反正切求出速度与位移，如此循环往复，并在显示终端上实时显示待测目标的位移。

软件运行时间小于100毫秒，1s连续显示3次或以上重构曲线。软件支持采集信号和解调结果的实时显示，能存储与调用历史数据。具体测量参数与范围如表1所示：

表1三角波相位调制型激光自混合测速仪参数

注:测量过程中，相位调制深度始终保持为π/4，表现为引入的三角波振幅为π/4。

相比现有技术，本发明的相关配置中去除了硬件滤波电路、计频或计数电路、数字逻辑电路、液晶显示模块等，测量直接由计算机完成，图形化的labview软件提供可视、智能化的解调过程，内置的滤波、逻辑运算、缓存功能、波形图取代硬件电路和显示器件，极大的节省了成本，且易于修改和纠错。

功能上对相位的正余弦信号通过两种计算方式得出位移和速度两个物理量，更详细地表征被测振动的特性。由于光电晶体调制带宽，采集卡采样率上限等因素，系统约束如表1所示，测量振动的频率范围在5K以内，且振幅为微纳米级；测量位移时位移量不应超高10毫米，速度应低于10毫米每秒。

本发明采用的半导体激光器易于量产，自混合结构简单，调制技术高效且不引入干扰光强，分辨率高于二十分之一波长，直接缓存数据的方式较相位载波或谐波分析解调更简洁，本发明可以广泛应用于非接触式的精密振动或位移的实时监测中。

Claims (8)

1.三角波相位调制半导体激光自混合测速仪，包括驱动电路、半导体激光二极管、制冷片、温度控制器、非球面补偿透镜、起偏器、光线密度滤波器、电光晶体调制器、信号发生器、运算放大器、数据采集卡和计算机；其特征在于，驱动电路连接半导体激光二极管，半导体激光二极管的正向发射端轴线上依次设置有非球面补偿透镜、起偏器、光线密度滤波器、电光晶体调制器和待测目标；所述半导体激光二极管内置有感光二极管、半导体激光器和光电探测器，所述感光二极管用于检测反射回半导体激光器谐振腔内的光束，所述光电探测器接收自混合干涉信号后输出给所述运算放大器；所述信号发生器分别输出三角波信号和方波触发信号至电光晶体调制器和运算放大器；所述运算放大器、数据采集卡和计算机依次连接；所述计算机基于交叉微分解调技术获得速度曲线，进一步得出待测目标的位移和加速度，并由显示终端输出。

2.如权利要求1所述的三角波相位调制半导体激光自混合测速仪，其特征在于，所述制冷片设置在半导体激光二极管的底部，由温度控制器采用PID算法控制所述制冷片的通断状态。

3.如权利要求1所述的三角波相位调制半导体激光自混合测速仪，其特征在于，所述待测目标固定在振源的垂直表面。

4.如权利要求1所述的三角波相位调制半导体激光自混合测速仪，其特征在于，所述起偏器与电光晶体调制器的偏振方向一致。

5.如权利要求1～4任意之一所述的三角波相位调制半导体激光自混合测速仪，其特征在于，所述半导体激光器采用工作波长为635nm的激光器。

6.如权利要求1～4任意之一所述的三角波相位调制半导体激光自混合测速仪，其特征在于，所述运算放大器内置电流电压转换器件。

7.利用如权利要求1所述的三角波相位调制半导体激光自混合测速仪的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)驱动电路向半导体激光二极管注入电流，启动半导体激光二极管，旋转起偏器使透过非球面补偿透镜后激光束偏振态与电光晶体调制器偏振态的夹角最小；旋转光线密度滤波器控制激光自混合处于弱反馈水平，即用外接示波器观察到的干涉条纹没有倾斜现象时，即可测试；

(2)信号发生器产生三角波信号驱动电光晶体调制器对光束进行相位调制；处于微振动状态的待测目标将经过调制后的光束反射入半导体激光二极管谐振腔内耦合，发生自混合干涉效应，自混合干涉信号的光强由封装在二极管内光电探测器接收，接收到的自混合光强信号包含振动信息；

(3)光电探测器输出的自混合信号经运算放大器后由数据采集卡完成模数转换，数据采集卡同步采集经运算放大器放大后的感光二极管输出的信号；

(4)物体振动随时间变化为L(t)，由自混合效应产生的相位表示为式中λ代表激光波长，当已知时，振动位置表示为弱反馈条件下，调制后的激光自混合相位数学表达式为g(t)是由调制引入的三角波信号，显然当g(t)等于-π/2、0、π/2时，对应干涉信号的相位部分分别为将数据采集卡转换得到的离散数字信号由三个数据缓存器分别提取这三路信号；中间一路信号作为相位的余弦函数另两路信号相减后作为相位的正弦函数将正、余弦信号相除后做反正切运算得到由振动与相位之间的对应关系，解包裹后即可求出待测目标的振动曲线；将正、余弦信号归一化处理使振幅等于1，随后将与相乘，与相乘，两个乘积相减直接得出待测目标的速度曲线。

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述运算放大器内前置有电流电压转换器件。