一种利用单探头单光路实现两种测速技术对一个测点同时复测的装置

摘要

本发明公开了一种利用单探头单光路实现两种测速技术对一个测点同时复测的装置，包括信号光激光器、参考光激光器、光纤环形器、光纤测速探头、光纤分束器、光电探测器和示波器；本发明解决了目前国内外的激光测速技术难以利用单个测速探头和单套光路结构实现对一个测点进行两种测速技术同步复测的问题，满足了冲击波和爆轰物理、炸药研究、强激光等众多领域对测速技术提出的在单发实验中进行多种技术复测的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及激光测速领域，尤其是一种利用单探头单光路实现两种测速技术对一个测点同步复测的装置。

背景技术

在冲击波和爆轰物理、炸药研究、强激光、脉冲功率、超高速实验、兵器等研究领域中，速度一直是关键问题和需要诊断的主要参数：需要连续的、非接触的测量各种材料在冲击波作用下的自由面速度历史；飞片速度和粒子速度的测量是冲击波物理和爆轰波物理研究中非常关心的问题；诊断炸药爆速、不同加载条件下炸药驱动飞片的速度、爆轰波阵面等炸药爆轰信息。

激光测速技术，尤其是全光纤多普勒速度干涉仪（Photonic Doppler Velocimetry，PDV，国内也称DPS 或DISAR），具有非接触测量、时间分辨率高、准确度高、使用简单、免调试等优点，在上述领域得到广泛应用，已成为主要的测速手段。

目前国际上主要有两种PDV测速技术，一种是常规PDV测速技术，基于单光源的零差检测，另一种是光学外差PDV测速技术，基于双光源的外差检测，它们均是利用干涉方法获取待测目标的速度信息，即将测速探头收集到的待测目标表面回光（带有待测目标速度信息，功率较为微弱，一般不超过10mW，通常小于1mW）作为信号光，将不带速度信息的另一束光作为参考光（一般直接来自于光源），两束光在光路后端进行干涉，干涉光再通过光电探测器（转换为电信号）和示波器（进行数据采集）后，利用数据处理便可得到待测目标的速度信息。

常规PDV基于单光源的零差探测，其基本结构如图1所示。当被测目标向光纤测速探头运动时，由于多普勒效应，从被测运动目标表面反射回的信号光f_d，相对于信号光激光器经探头发出的探测光f₀ ，会有微小的频率移动--多普勒频移f_b。

图1所示常规PDV的基本结构中，参考光来自于光纤测速探头（可以为探头内部光纤的端面薄膜造成的反射，也可能为探头内部其他器件造成的回波损耗）对信号光激光器注入探头的光功率进行的小部分反射（大部分透过探头照射到待测目标表面），为了达到较好的干涉条件以增强干涉效果，同时使参考光和信号光干涉后的干涉光功率在光电探测器的线性区间（数百微瓦时光电探测器的工作性能可以达到最佳，但不能超出其饱和值，该值一般在1mW左右），一般反射率（或回波损耗）指标为可以使返回至光纤环形器的光信号功率在500mW～1mW范围内。因为反射并未改变光信号的波长，所以参考光与探测光具有相同的波长和频率。

常规PDV技术目前通常采用的结构如图2所示，它对图1所示的基本结构进行了改动，参考光并不来自于光纤测速探头的反射，而来自于信号光激光器经1x2光纤分束器分出一部分光功率，该部分光功率被可调衰减器调整至500mW～1mW范围内，通过一个2x2光纤分束器进入后端光路与信号光进行干涉。干涉光被2x2光纤分束器分成两份，每一份均被一个光电探测器转换为电压信号和被示波器的一个通道记录，从而可以利用示波器各通道设置的不同幅度量程进行幅度复测，得到待测目标的两条速度曲线（幅度分辨率不同，但速度大小完全相同）。

在常规PDV技术目前通常采用的图2所示的结构中，与图1所示的基本结构不同，光纤测速探头的内部一般不能有造成反射的薄膜或造成回波损耗的其他器件，其残存的反射率（或回波损耗）指标为使返回至光纤环形器的光信号功率低于1mW。

不管是图1所示的基本结构，还是图2所示的通常使用的结构，常规PDV技术测量到的速度信号如图3所示（实际爆轰实验中获取到的真实信号）。

双光源外差技术可以增强常规PDV技术的性能，在需要幅度复测时，它通常采用的结构如图4所示，信号光仍然来自于探头接收到的待测目标表面的散射回光，但参考光来自于第二台激光器—参考光激光器，且参考光激光器与信号光激光器的工作波长（即频率）有一定的差异。参考光功率被可调衰减器调整为500mW～1mW，再通过一个2x2光纤分束器进入后端光路与信号光进行干涉。干涉光被2x2光纤分束器分成两份，每一份均被一个光电探测器转换为电压信号和被示波器的一个通道记录，从而可以利用示波器各通道设置的不同幅度量程进行幅度复测，得到待测目标的两条速度曲线（幅度分辨率不同，但速度大小完全相同）。如不需要幅度复测，则光学外差PDV技术的基本结构与图4相比，2x2光纤分束器只有一个输出端（即已变成了1x2光纤分束器7），该输出端仅经过一个光电探测器和一个示波器通道，最后得到待测目标的一条多普勒频移/速度曲线。

对于光学外差PDV技术，光纤测速探头的内部仍然不能有造成反射的薄膜或造成回波损耗的其他器件，其残存的反射率（或回波损耗）指标为使返回至光纤环形器的光信号功率低于1mW。

利用有一定初始频差的参考光，光学外差PDV可以借助外差探测技术测量多普勒频移/速度信息，且具备频率下变换和频率上变换双重功能，其中频率上变换可以提高短历程低速测量的时间分辨率和测量精度，频率下变换可以大幅度的降低高速测量对示波器带宽的要求。以频率上变换为例，光学外差PDV技术测量的速度信号如图5所示（实际爆轰实验中获取到的真实信号），静态阶段实际速度为零，但外差PDV的速度信号不为零，而是为一个基线（即坐标轴纵向上的偏置量，数值上等于双光源的频率差），在动态阶段，外差PDV的速度信号在基线的基准上增大，因此，要得到此时实际的速度大小，需要通过数据处理，将外差PDV速度信号的幅度值减去基线值，即实际速度等于外差PDV速度减去基线值。

在实际的实验测试过程中，由于上述两种测速技术需要各自独立的使用一个测速探头，且受探头尺寸（外径一般为几毫米）和实验装置安装要求（探头必须垂直正对测点，如图1、图2和图4所示，否则探头无法有效的接收到待测目标表面的散射光）的限制，一个测点（一个尺寸较小的待测目标，或者尺寸较大待测目标的某个特定位置）只能被一个探头测量（因为一个点只能被一个探头垂直正对），因此对一个测点只能在两种PDV测速技术中选择其中一种技术进行速度测量。实际上其他各类测速技术也存在该问题，因为均要各自独立的使用一个探头，所以一个测点只能使用其中一种技术进行速度测量。

由于速度是关键问题和需要诊断的主要参数，众多应用领域对速度数据的要求均较高，但难以通过多发重复实验并多次重复测速的方式提高测试数据的准确性、可靠性和稳定性，因此，各应用领域均对测速技术提出了在单发实验中进行复测的要求，即在一发实验中通过复测获取到多个数据，并对其进行对比分析，以验证测量结果 。

如上所述，由于一个测点（一个尺寸较小的待测目标，或者尺寸较大待测目标的某个特定位置）只能在多种测速技术中选择其中一种技术进行速度测量，因此，目前国际上采取的复测方式主要有两种。

最主要的一种（也是通常采用的一种），如图2和图4所示，将某一种测速技术获取到的带有待测目标速度信息的干涉光，在进入光电探测器进行光电转换前，先利用光纤分束器将其功率分为（一般是均分）两份、三份或者更多份，然后分别进入多个光电探测器进行光电转换，再分别被多个示波器通道（设置为不同的幅度量程）采集并转换为数字量数据，最后进行数据处理获取到待测目标的多条n-t曲线。然而，这种复测方式存在较多的问题：首先，该方式并非真正意义的速度复测，因为仅仅是功率分割（并不分割所含的待测目标速度信息，而是原样复制），不管干涉光被光纤分束器分割成多少份，每一份的速度信息均与功率分割前干涉光的速度信息完全相同，其最终获取到的多条n-t曲线，也跟干涉光不进行功率分割而直接获取到的n-t曲线完全相同（即原样复制），实际上这么做的目的，仅仅是利用示波器各通道设置的不同幅度量程，对干涉光功率分割后的多份光信号分别进行数据采集，小量程的示波器通道用于提高信号的幅度分辨率及幅度精度，大量程的示波器通道用于确保信号出现幅度大幅波动时不会因为超出屏幕而丢失数据，简单的说，采用这种方式的目的是避免因为示波器幅度量程设置不合适而无法采集到信号的问题，只能称之为幅度复测，或者是“伪”复测，即并非一个测点获取到两份速度信息这种真正意义上的速度复测，实际上一个测点仅能获取到一份速度信息，最终所得到的多份速度信息均是这一份速度信息的原样复制；其次，由于需要使用多个光电转换器和示波器通道，大幅度提高了系统成本（光学测速技术需要使用高带宽的光电转换器和示波器，其价格一般分别为数万人民币/个和大约十万人民币/通道）和体积。

第二种复测方式，是将探头收集到的待测目标表面回光--信号光，先用1x2光纤分束器分为份，再分别输入两种光学测速系统（例如常规PDV和光学外差式PDV）进行干涉和复测。这种复测方式实现了一个测点获取到两份速度信息，是真正意义的速度复测，但也存在较多的问题：首先，探头收集到的待测目标表面回光非常微弱，一般不超过10mW（通常小于1mW），再被分成两份分别用于两套光学测速系统的话，由于每一份信号光的功率过小，难以在各套光学测速系统里均达到较好的干涉条件（需要参与干涉的信号光功率较大），干涉光的信号质量会大幅度降低，从而对干涉光进行数据处理以提取出待测目标速度信息的难度大幅度增大，最终得到的待测目标速度数据的质量也会变差；其次，信号光被分割后功率过小，在各套光学测速系统的光路中传输时，其信噪比被恶化的程度会较大，甚至是可能被前端光路中某个器件的噪声淹没，从而在干涉前丢失掉信号光及其携带的待测目标速度信息；最后，由于两套光学测速系统各自均需要一套完整的光路结构、至少一个光电转换器和至少一个示波器通道，整套系统的复杂度、成本和体积大为增大。由于存在较多的问题，且这些问题对测速性能的负面影响较大，因此该复测方式较少被实际应用。

综上所述，目前难以利用单个测速探头和单套光路结构实现对一个测点进行两种测速技术同步复测的要求，但冲击波和爆轰物理、炸药研究、强激光等众多领域均对测速技术提出了在单发实验中进行多种技术同步复测的要求，因此急需解决此问题。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，提出一种新型的速度测量装置，可以利用单个测速探头和单套光路结构，实现对一个测点进行两种测速技术同步复测的要求。

本发明采用的技术方案如下所述：一种利用单个测速探头和单套光路结构实现对一个测点进行两种测速技术同步复测的装置，包括信号光激光器、参考光激光器、光纤环形器、光纤测速探头、1x2光纤分束器、光电探测器和示波器，所述信号光激光器输出足够功率的探测光，通过所述光纤环形器注入所述光纤测速探头，并从所述光纤测速探头照射到待测的运动目标上，探测光在运动目标上发生反射，部分反射光被探头收集，并反向传输至光纤环形器，再通过光纤环形器进入装置的后端光路，构成携带有待测目标速度信息的信号光；所述参考光激光器输出与探测光具有一定波长差异的光信号，通过所述光纤分束器进入装置的后端光路，形成第一束参考光，由于与探测光具有一定的波长差异，从而可作为光学外差PDV测速技术的参考光；注入所述光纤测速探头的探测光，受其内部反射器件的作用，小部分光功率返回至所述光纤环形器，并通过所述光纤环形器进入装置的后端光路，形成第二束参考光，由于与探测光的波长相同，从而可作为常规PDV测速技术的参考光；两束参考光由于来源不同，与探测光的波长差异不同，第一束参考光与信号光在后端光路中产生光学外差PDV测速技术所需的干涉，第二束参考光与信号光在后端光路中产生常规PDV测速技术所需的干涉，且两种干涉信息均被包含在所述1x2光纤分束器输出一路干涉光里，从而干涉光便同时包含了光学外差PDV测速技术和常规PDV测速技术对待测目标进行检测后获取到的速度信息；干涉光被所述光电探测器转换为电压信号，再接入所述示波器进行数据采集，通过一定的数据处理后，即可得到待测目标被两种测速技术分别测量到的速度变化历史，即其n-t曲线。

在上述技术方案中，所述装置仅使用一个光纤测速探头，且所述光纤测速探头为定制产品，其内部光纤的端面上镀有具备特定反射率的薄膜，所述信号光激光器注入所述光纤测速探头的探测光，受薄膜的作用，会有小部分光功率返回至所述光纤环形器，且薄膜反射率大小的确定方法为，该指标使探测光在此受到薄膜反射作用后，反射回所述光纤环形器的光信号（即所述第二束参考光）功率限制在200mW～500mW范围内。所述具备特定反射率的薄膜，也可以通过其他方法实现，如所述光纤测速探头本身具备特定的回波损耗，且回波损耗的大小等于所述薄膜的反射率，从而同样可以使返回至所述光纤环形器的光信号功率在200mW～500mW范围内。

在上述技术方案中，也可以将所述1x2光纤分束器输出的一路干涉光的功率分为（一般是均分）2份、3份或者更多份，然后分别进入多个光电探测器进行光电转换，再分别被多个示波器通道（设置的不同幅度量程）采集，小量程的示波器通道用于提高信号的幅度分辨率，大量程的示波器通道用于确保信号出现幅度大幅波动时不会因为超出屏幕而丢失数据，从而在进行速度复测的同时，还可以在不对速度复测造成任何影响的前提下同时进行幅度复测。

本发明的优点在于：解决了目前国内外的激光测速技术难以利用单个测速探头和单套光路结构实现对一个测点进行两种测速技术同步复测的问题，满足了冲击波和爆轰物理、炸药研究、强激光等众多领域对测速技术提出的在单发实验中进行多种技术复测的要求。

优点一：真正实现两种测速技术对一个测点同步进行速度复测，而非目前通常采用的将其中一种技术获取的一份速度信息进行原样复制得到多份速度信息的“伪”复测；

优点二：仅需要单个探头和单套光路结构，同时只需要单个光电探测器和单个示波器通道，大幅度降低了测速系统的结构复杂度、成本和体积；

优点三：每一种测速技术中参与干涉的信号光均是未进行功率分割（未被光纤分束器分成两份）的待测目标表面回光，即信号光功率全部（而非1/2）用于在后端光路中与两种测速技术各自的参考光分别进行干涉，从而两种测速技术可以同时达到较好的干涉条件（信号光功率均较大），干涉光的信号质量较好，对干涉光进行数据处理以提取出待测目标速度信息的难度大幅度降低，速度数据的质量也更好；

优点四：待测目标表面回光--信号光的功率非常微弱，不进行功率分割的另一个优势是，可以避免被分割后功率过小，传输至后端光路时信噪比被恶化的程度较大，甚至可能被前端光路中某个器件的噪声淹没，从而在干涉前丢失掉信号及其携带的待测目标速度信息的问题；

优点五：光路结构具备较强的拓展性，可以拓展为在不对速度复测造成任何影响的前提下同时进行幅度复测，即同时进行速度复测和幅度复测。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是常规PDV测速技术的基本结构；

图2是常规PDV测速技术通常采用的结构；

图3是常规PDV技术测量到的速度信号;

图4是光学外差PDV测速技术通常采用的结构;

图5是光学外差PDV技术测量到的速度信号；

图6是利用单探头单光路实现两种测速技术对一个测点同步复测的装置结构；

图7是图6所示装置测量到的速度信号。

图中：1-信号光激光器；2-光纤环形器；3-光纤测速探头；4-待测运动目标；5-高速光电探测器；6-高带宽示波器；7- 1x2光纤分束器；8-可调衰减器；9-2x2光纤分束器；10-参考光激光器。

具体实施方式

如图6所示，本发明的装置包括信号光激光器、参考光激光器、光纤环形器、光纤测速探头、1x2光纤分束器、光电探测器和示波器，信号光激光器输出足够功率的探测光，通过光纤环形器注入光纤测速探头，并从光纤测速探头照射到待测的运动目标上，探测光在运动目标上发生反射，部分反射光被探头收集，并反向传输至光纤环形器，通过光纤环形器后进入装置的后端光路，构成携带有待测目标速度信息的信号光；参考光激光器输出与探测光具有一定波长差异的光信号，被可调衰减器将功率调整为200mW～500mW，再通过1x2光纤分束器进入装置的后端光路，形成第一束参考光，由于与探测光具有一定的波长差异，从而可作为光学外差PDV测速技术的参考光；注入光纤测速探头的探测光，受其内部反射器件的作用，小部分光功率（200mW～500mW）返回至光纤环形器，并通过光纤环形器进入装置的后端光路，形成第二束参考光，由于与探测光的波长相同，从而可作为常规PDV测速技术的参考光；两束参考光由于来源不同，与探测光的波长差异不同，第一束参考光与信号光在后端光路中产生光学外差PDV测速技术所需的干涉，第二束参考光与信号光在后端光路中产生常规PDV测速技术所需的干涉，从而干涉光便同时包含了光学外差PDV测速技术和常规PDV测速技术对待测目标进行检测后获取到的速度信息；干涉光被光电探测器转换为电压信号，再接入示波器进行数据采集，最后通过一定的算法，对采集到的数据进行处理后，即可得到待测运动目标被两种测速技术分别测量到的速度变化历史，即各自的n-t曲线。

通过上述技术方案，本发明所述装置测量到的速度信号如图7所示（实际爆轰实验中获取到的真实信号）。从图7中可看出，本发明的装置，利用单个探头，在单发实验中测量到的速度信号有两条，其中一条（坐标区域下部，无基线）为图3所示常规PDV技术所测量到的速度信号，另一条（坐标区域上部，有基线）为图5所示光学外差PDV技术所测量到的速度信号。上述技术方案仅使用单个光纤测速探头，且只有单个光路结构（与图3和图5两个可实现幅度复测的结构相比，仅有一个光电探测器和一个示波器通道），可见利用单个测速探头和单套光路结构，本发明所述装置即可对一个测点进行两种测速技术同步复测。

在上述技术方案中，所述光纤测速探头为定制产品，并非是常规PDV技术通常采用结构（可以幅度复测，如图2所示）和光学外差PDV技术通常采用结构（可以幅度复测，如图4所示）所使用的探头产品，如前所述，两种技术通常采用的探头产品，内部没有造成反射的薄膜，也没有造成回波损耗的其他器件，其残存的反射率（或回波损耗）指标为使返回至光纤环形器的光信号功率低于1mW。此外，所述光纤测速探头也并非是常规PDV技术基本结构（无法幅度复测，仅有一路信号，如图1所示）所使用的探头产品，如前所述，图1所用探头产品对注入探头的光功率进行小部分反射，反射率（或回波损耗）指标为可以使返回至光纤环形器2的光信号功率在500mW～1mW范围内。在本发明的技术方案中，所用光纤测速探头内部光纤的端面上镀有具备特定反射率的薄膜，信号光激光器注入光纤测速探头的探测光，受薄膜的作用，会有小部分光功率返回至光纤环形器，且薄膜反射率大小的确定方法为，该指标使返回至光纤环形器的光信号功率限制在200mW～500mW范围内，所述具备特定反射率的薄膜，也可以通过其他方法实现，如光纤测速探头本身具备特定的回波损耗，且回波损耗的大小等于所述薄膜的反射率，从而同样可以使返回至光纤环形器的光信号功率在200mW～500mW范围内，由于技术成熟，两种方法均容易实现该指标。

在上述技术方案中，所述光纤测速探头使返回至光纤环形器的光信号功率限制在200mW～500mW范围内，而并非是图1、图2和图4所示常规PDV和光学外差PDV在各自单独使用时通常设置的500mW～1mW，其原因是，常规PDV和光学外差PDV在各自单独使用时，光电探测器接收到的参考光仅仅为某一种技术的参考光，为了达到较好的干涉条件以增强干涉效果，同时使参考光（功率较高）和信号光（功率较弱）合束后的干涉光功率在光电探测器的线性区间（数百微瓦时光电探测器的工作性能可以达到最佳，但不能超出其饱和值，该值一般在1mW左右），参考光通常通过可调衰减器设置为500mW～1mW。在本发明的技术方案中，所述光纤测速探头使返回至光纤环形器的光信号功率在200mW～500mW范围内，构成常规PDV的参考光，参考光激光器通过可调衰减器将其输出功率也调整为200mW～500mW，构成光学外差PDV的参考光，光电探测器接收到的参考光为两种技术的参考光之和，为避免光电探测器饱和，两种技术的参考光功率均需小于500mW（光电探测器5功率饱和值的1/2）

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。