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CN113639848B - 具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪及方法 - Google Patents

具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪及方法 Download PDF

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CN113639848B
CN113639848B CN202110915038.1A CN202110915038A CN113639848B CN 113639848 B CN113639848 B CN 113639848B CN 202110915038 A CN202110915038 A CN 202110915038A CN 113639848 B CN113639848 B CN 113639848B
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Abstract

本发明涉及一种具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪，包括扫频激光器、单模光纤耦合器、n个反射硅镜、n个光纤准直器、n个聚焦物镜、光电探测器、数据采集卡和用于控制信号采集的上位机；所述扫频激光器发出单频激光进入到光纤偶合器中被分为n束参考光与n束探测光；所述参考光被光纤准直器准直成平行光后照射向反射硅镜，所述探测光被聚焦物镜聚焦后照射至被测目标表面；从被测目标表面反射而回的探测光与从反射硅镜反射而回的参考光在光纤耦合器处相遇，同一信道的参考光与探测光耦合形成干涉，多信道干涉信号混合成一多频干涉信号被光电探测器转换为电信号后，输入至上位机中。本发明实现光学相干测振仪多点振动同步测量。

Description

具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪及方法
技术领域
本发明涉及非接触式光学测振领域，具体涉及一种具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪及方法。
背景技术
光学相干测振仪具有非接触、高精度和大动态范围的优点，可用于静态、低频/高频振动测量、声波探测以及超声波探测等非接触式宽频带高精度测量。光学相干测振仪相关理论的提出与设备研发，从机理上避免激光多普勒测速仪对激光单色性与稳定性的高要求，降低成本的同时实现对激光多普勒测速仪的性能互补；利用多波长分量的差分效应突破单频激光干涉的相位极限，实现大动态范围(纳米量级至厘米量级)的单点振动测量。作为一种新技术，光学相干测振仪在高速测振性能和多点振动同步测量等问题亟待解决。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪及方法，实现光学相干测振仪多点振动同步测量，满足矢量测振应用需求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪，包括一扫频激光器、一2×n单模光纤耦合器、n个反射硅镜、n个光纤准直器、n个聚焦物镜、一光电探测器、一数据采集卡和一用于控制信号采集的上位机；所述扫频激光器发出单频激光进入到2×n光纤偶合器中被分为n束参考光与n束探测光；所述参考光被光纤准直器准直成平行光后照射向反射硅镜，所述探测光被聚焦物镜聚焦后照射至被测目标表面；从被测目标表面反射而回的探测光与从反射硅镜反射而回的参考光在光纤耦合器处相遇，同一信道的参考光与探测光耦合形成干涉，多信道干涉信号混合成一多频干涉信号被光电探测器转换为电信号后，输入至上位机中。
进一步的，所述测振仪包括若干各信道，每个信道设有相应的探测臂与参考臂。
进一步的，所述测振仪的各信道间设置有信号隔离带，以防止各信道干涉信号发生混叠。
一种具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪的探测方法，包括以下步骤：
步骤S1:扫频激光器发出单频激光进入到2×n光纤偶合器中被分为n束参考光与n束探测光；
步骤S2:参考光被光纤准直器准直成平行光后照射向反射硅镜，探测光被聚焦物镜聚焦后照射至被测目标表面；
步骤S3:从被测目标表面反射而回的探测光与从反射硅镜反射而回的参考光在光纤耦合器处相遇，同一信道的参考光与探测光耦合形成干涉，多信道干涉信号混合成一多频干涉信号被光电探测器转换为电信号后，输入至上位机中；
步骤S4:将输入至上位机中的电信号时间替换为相应的波长便，获得与传统光学相干测振仪相同的波长域干涉信号，并对干涉信号进行离散傅里叶变换和汉宁窗能量重心法处理后提取出各自由度方向的振动数据；
步骤S5:循环步骤S1-S4，通过预设时间的采集，得到被测目标各探测方向的振动数据。
进一步的，所述纤耦合器的输出端所输出的多频干涉信号，具体如下：
Figure BDA0003205315610000031
其中，Snr(t)为参考光的谱功率分布函数；Snp(t)为探测光的谱功率分布函数；k(t)为波数，光源的波长与波数满足此关系：k(t)＝2π/λ(t)；Snr(t)和k(t)是受时间调制的两个变量，随时间的变化呈周期性变化，时间t的变化范围为t1～t1+T，t1为光源输出起始波长的时间，T为持续采集的时间，2·Snr(t)·Snp(t)·exp(i·k(t)·ΔLn)为第n信道的干涉信号，被测目标的第n自由度位移信息被编码到了余弦函数的频率i·k·ΔLn之中，ΔLn为探测光与参考光的光程差。
进一步的，所述上位机接收到的电信号，具体为：
Figure BDA0003205315610000032
进一步的，所述快速傅里叶变换，具体为：
Figure BDA0003205315610000041
其中δ为尤拉克函数。
进一步的，所述光纤耦合器的探测臂与参考臂长度需满足如下关系式：
Figure BDA0003205315610000042
其中fmp为透镜到被测目标的距离；fmr为透镜到参考镜的距离；lmp为探测臂的光纤长度；lmr为参考臂的光纤长度；Zmax为OCV系统可测量的最大位移。
进一步的，所述各信道间设置有信道隔离带，其计算式如下：
Figure BDA0003205315610000043
其中Zboundary为隔离带大小；Δd为探测器的位移分辨率；λ1和λ2分别为探测器所探测的起始和终止波长。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明将全带宽干涉信号细分为线性变化、瞬时的单波长信号进行采集，缩减干涉信号的曝光时间以抑制干涉信号衰减，使得光学相干测振仪的测速性能得到提升。同时，提出光学相干测振仪多路频分复用技术，突破光学相干测振仪单维度测振的限制，实现光学相干测振仪多点振动同步测量，满足矢量测振应用需求。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构图，其中，1为扫频激光器，2为2×n单模光纤耦合器，3为被测目标，4为聚焦物镜，5为反射硅镜，6为光纤准直器，7为上位机，8为数据采集卡，9为单点光电探测器。
图2为本发明实施例的测振原理图，其中(a)为采集卡信号采集过程；(b)为宽带光干涉信号；(c)扫频光学相干测振仪信号处理过程。
图3为本发明实施例的信号处理过程图，其中(a)为第1信道探测臂光路与干涉信号；(b)为第2信道探测臂光路与干涉信号；(c)为第N信道探测臂光路与干涉信号。
图4为本发明实施例的数据处理框图。
图5为本发明实施例的光纤耦合器各信道光纤长度设计图。
图6为本发明实施例的各信道间隔离带大小的计算，其中(a)为不同频率估计点数下，HnWECM算法估计的干涉信号A频率与两干涉信号的频率差之间的关系曲线；(b)图(a)中虚线的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供有多点同步测振能力的高性能扫频光学相干测振仪，提供一样品，包括扫频激光器1、2×n单模光纤耦合器2、被测目标3、聚焦物镜4、反射硅镜5、光纤准直器6、上位机7、数据采集卡8和单点光电探测器9；
所述扫频激光器1发射出的单频激光进入所述2×n单模光纤耦合器2中，被分为n束参考光与n束探测光；参考光被所述光纤准直器6准直成平行光，探测光被所述聚焦物镜4聚焦至被测目标3表面；所述参考光与探测光在光纤耦合器2处相遇；所述同一信道的参考光与探测光耦合干涉，形成多频干涉信号；所述多频干涉信号被光电探测器9转换为电信号；转换完的电信号被数据采集卡8所采集并输入至所述上位机7中进行目标位移分析。
在本实施例中，所述光纤耦合器2的各个参考臂与探测臂长度经过设计，仅同一信道的参考光与探测光发生干涉且不同信道间设有信号隔离带以防止信号串扰。
光纤耦合器的探测臂与参考臂长度需满足如下关系式：
Figure BDA0003205315610000061
其中fmp为透镜到被测目标的距离；fmr为透镜到参考镜的距离；lmp为探测臂的光纤长度；lmr为参考臂的光纤长度；Zmax为OCV系统可测量的最大位移。
各信道间设置有信道隔离带，其计算式如下：
Figure BDA0003205315610000071
其中Zboundary为隔离带大小；Δd为探测器的位移分辨率；λ1和λ2分别为探测器所探测的起始和终止波长。
在本实施例中，探测光是通过扫频激光器1传播至光纤末端被聚焦物镜4聚焦至探测目标3表面，探测目标将光反射回所述2×n单模光纤耦合器2中得到。
在本实施例中，参考光是通过扫频激光器1传播至光纤末端被光纤准直器6准直成平行光照射至反射硅镜5，反射硅镜将光反射回所述2×n单模光纤耦合器2中得到。
优选的，在本实施例中，还提供一种具有多点同步测振能力的高性能扫频光学相干测振仪及测振方法，包括以下步骤：
步骤S1:扫频激光器发出单频激光进入到2×n光纤偶合器中被分为n束参考光与n束探测光；
步骤S2:参考光被光纤准直器准直成平行光后照射向反射硅镜，探测光被聚焦物镜聚焦后照射至被测目标表面；
步骤S3:从被测目标表面反射而回的探测光与从反射硅镜反射而回的参考光在光纤耦合器处相遇，同一信道的参考光与探测光耦合形成干涉，多信道干涉信号混合成一多频干涉信号被光电探测器转换为电信号后，输入至上位机中；
由于直流信号不影响测量结果，故不做考虑，因此光纤耦合器的输出端所输出的多频干涉信号的公式表达如式(1)所示：
Figure BDA0003205315610000081
其中，Snr(t)为参考光的谱功率分布函数；Snp(t)为探测光的谱功率分布函数；k(t)为波数，光源的波长与波数满足此关系：k(t)＝2π/λ(t)；Snr(t)和k(t)是受时间调制的两个变量，随时间的变化呈周期性变化，时间t的变化范围为t1～t1+T，t1为光源输出起始波长的时间，T为持续采集的时间，2·Snr(t)·Snp(t)·exp(i·k(t)·ΔLn)为第n信道的干涉信号，被测目标的第n自由度位移信息被编码到了余弦函数的频率i·k·ΔLn之中，ΔLn为探测光与参考光的光程差。
利用光电探测器将多频干涉信号转换为电信号并输入到上位机的数据采集卡之中，装置仅能接收干涉信号的实部部分，因此上位机接收到的信号可表示为：
Figure BDA0003205315610000082
步骤S4:将输入至上位机中的电信号时间替换为相应的波长便，获得与传统光学相干测振仪相同的波长域干涉信号，并对干涉信号进行离散傅里叶变换和汉宁窗能量重心法处理后提取出各自由度方向的振动数据；
快速傅里叶变换，具体为：
Figure BDA0003205315610000083
其中δ为尤拉克函数。从傅里叶变换结果各峰值点对应的横坐标可提取出各信道的探测光所探测到的被测目标位置信息。为抑制频谱泄露问题，提高系统的空间分辨率，结合汉宁窗能量重心法精确提取干涉信号频率，使系统的空间分辨率由微米量级提升至纳米量级。
步骤S5:循环步骤S1-S4，通过预设时间的采集，得到被测目标各探测方向的振动数据。
较佳的，在本实施例中，被测目标可以包括悬臂梁、转轴、振动膜片等。
较佳的，在本实施例中，将测振仪的总探测性能按同步测振的点数进行划分成多个子信道，各信道传输的干涉信号频率在其分配的信带范围内进行传输，且不同信道间设置有隔离带以防止干涉信号串扰问题。
较佳的，在本实施例中，被测样品不同自由度方向的振动数据被测振仪不同信道的探测光所探测偶合成多频干涉信号传输至上位机中，经过离散傅里叶变换和汉宁窗能量重心法处理后提取出各自由度方向的振动数据，结合探测角度可实现矢量振动测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪，其特征在于，包括一扫频激光器、一2×n单模光纤耦合器、n个反射硅镜、n个光纤准直器、n个聚焦物镜、一光电探测器、一数据采集卡和一用于控制信号采集的上位机；所述扫频激光器发出单频激光进入到2×n单模光纤耦合器中被分为n束参考光与n束探测光；所述参考光被光纤准直器准直成平行光后照射向反射硅镜，所述探测光被聚焦物镜聚焦后照射至被测目标表面；从被测目标表面反射而回的探测光与从反射硅镜反射而回的参考光在光纤耦合器处相遇，同一信道的参考光与探测光耦合形成干涉，多信道干涉信号混合成一多频干涉信号被光电探测器转换为电信号后，输入至上位机中。
2.根据权利要求1所述的具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪，其特征在于，所述测振仪包括若干各信道，每个信道设有相应的探测臂与参考臂。
3.根据权利要求1所述的具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪，其特征在于，所述测振仪的各信道间设置有信号隔离带，以防止各信道干涉信号发生混叠。
4.一种具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:扫频激光器发出单频激光进入到2×n单模光纤耦合器中被分为n束参考光与n束探测光；
步骤S2:n束参考光分别被n个光纤准直器准直成平行光后射向n个反射硅镜，n束探测光分别被n个聚焦物镜聚焦后照射至被测目标表面；
步骤S3:从被测目标表面反射而回的探测光与从反射硅镜反射而回的参考光在光纤耦合器处相遇，同一信道的参考光与探测光耦合形成干涉，多信道干涉信号混合成一多频干涉信号被光电探测器转换为电信号后，输入至上位机中；
步骤S4:将输入至上位机中的电信号时间替换为相应的波长，获得波长域干涉信号，并对干涉信号进行离散傅里叶变换和汉宁窗能量重心法处理后提取出各自由度方向的振动数据；
步骤S5:循环步骤S1-S4，通过预设时间的采集，得到被测目标各探测方向的振动数据。
5.根据权利要求4所述的具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪的探测方法，其特征在于，所述2×n单模光纤耦合器的输出端所输出的多频干涉信号，具体如下：
Figure FDA0003795429300000021
其中，Snr(t)为参考光的谱功率分布函数；Snp(t)为探测光的谱功率分布函数；k(t)为波数，光源的波长与波数满足此关系：k(t)＝2π/λ(t)；Snr(t)和k(t)是受时间调制的两个变量，随时间的变化呈周期性变化，时间t的变化范围为t1～t1+T，t1为光源输出起始波长的时间，T为持续采集的时间，2·Snr(t)·Snp(t)·exp(i·k(t)·ΔLn)为第n信道的干涉信号，被测目标的第n自由度位移信息被编码到了余弦函数的频率i·k·ΔLn之中，ΔLn为探测光与参考光的光程差。
6.根据权利要求5所述的具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪的探测方法，其特征在于，所述上位机接收到的电信号，具体为：
Figure FDA0003795429300000031
7.根据权利要求5所述的具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪的探测方法，其特征在于，快速傅里叶变换，具体为：
Figure FDA0003795429300000032
其中δ为尤拉克函数。
8.根据权利要求4所述的具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪的探测方法，其特征在于，所述光纤耦合器的探测臂与参考臂长度需满足如下关系式：
Figure FDA0003795429300000033
其中fmp为透镜到被测目标的距离；fmr为透镜到参考镜的距离；lmp为探测臂的光纤长度；lmr为参考臂的光纤长度；Zmax为OCV系统可测量的最大位移。
9.根据权利要求4所述的具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪的探测方法，其特征在于，所述各信道间设置有信道隔离带，其计算式如下：
Figure FDA0003795429300000041
其中Zboundary为隔离带大小；Δd为探测器的位移分辨率；λ1和λ2分别为探测器所探测的起始和终止波长。
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