一种改进的激光多普勒测量光纤光路

李艳萍,王 伟,张雄星,杨宇祥

(1.西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021；2.西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048)

一种改进的激光多普勒测量光纤光路

李艳萍1,王 伟1,张雄星1,杨宇祥2

(1.西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021；2.西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048)

为了解决传统激光多普勒差频测量光路存在的光功率损耗大、参考光功率不可控等问题，在传统激光多普勒光路中增加了光纤环形器，设计了一个全光纤激光多普勒差频测量光路，并分析计算了传统光路和改进光路中各光纤无源器件的光功率损耗和整体光路中光的利用率。通过搭建激光多普勒测量系统，采用两种光路对音叉振动进行测量，设计了两种光路的对比性试验；采用光功率计实测了两种光路的输出光功率，进而计算出其光利用率；同时，采用数字示波器实时观测两种光路光电探测器输出的多普勒频移信号波形，并从信号幅值、信号对比度和信噪比等方面进行了分析计算。试验结果表明：分析计算结果和实测结果相吻合，改进的激光多普勒测量光路提高了光的利用率；可通过不同分光比的光纤耦合分束器来控制参考光光功率，使得输出的多普勒频移信号幅值增大，信号信噪比和对比度都有所提高。

光纤； 激光多普勒测量系统； 数字滤波器； 耦合器； 信号对比度； 信噪比

0 引言

光纤激光多普勒测振是一种根据激光多普勒效应和光学混频原理，并结合光纤与光无源器件技术发展起来的精密测速技术，具有非接触测量和测量精度高等诸多优点[1]。在光纤光路中，光纤准直器负责激光的发射与散射光信号的接收。由于散射和光纤准直器数值孔径的影响，照射到被测目标后能再次进入光纤准直器的光非常微弱，其光强通常约为出射光的10-6。对于一般的光纤激光多普勒测量系统，光纤准直器出射光强在mW量级，而接收到的漫反射光则在nW量级[2]。准直器接收到的微弱光信号需经过跨阻放大、噪声处理以及去除直流偏置等信号调理环节后，才能获得多普勒频移条纹信号[3]。根据两束光干涉的光功率公式，能够到达光电探测器且携带有多普勒频移信息的光信号包括直流分量和交流分量，其中以直流分量为主。跨阻放大不仅会放大有用的交流分量，而且会放大直流分量。过大的直流分量会降低信号的对比度，在运动目标低速、运动方向转换等导致信噪较低的情况下，甚至无法获得有用的交流信号[4]。因此，判断光纤激光多普勒测量系统光路能否正常工作，或者评价光路性能的一个重要指标就是到达光电探测器的光电流或者光功率需足够大，且有用的交流信号所占比例越高越好[5-6]。

中国工程物理研究院开展了光纤多普勒测速的研究工作，其在多个测量应用中都采用光纤耦合器作为核心元件以实现参考光和反射光的干涉[7]；舜宇集团可自主生产激光多普勒测振仪；天津大学、西安交通大学等也在理论方面取得了一些成果[1]。而在国外，日本东海大学信息技术学院采用了以2×1光纤耦合分束器为核心的传统光路[8]。

本文仍然采用光纤耦合器作为核心元件，实现参考光和反射光的干涉。但是为了提高交流分量，增加了新的无源光纤器件，设计了新的光路，简化了后续信号调理电路的设计，提高了信号的对比度和测量精度。

1 激光多普勒原理及传统光路分析

激光多普勒效应是全光纤激光多普勒测振的重要理论基础，当光源与振动物体相对运动时，经振动物体反射回来的光频率不等于激光光源频率，即激光多普勒频移[9]。

(1)

式中：ΔfD为激光经过振动物体表面反射后产生的相干光的多普勒频移；V为物体的运动速度；λ为激光光源波长。激光多普勒测振系统根据测量ΔfD，计算出物体振动的速度。

对于整个激光多普勒测振系统而言，其核心为系统的光路设计。传统的全光纤激光多普勒光路如图1所示。

传统光路1主要由激光光源、光纤隔离器、光纤耦合分束器和准直器等组成。激光光源输出波长为1 550 nm的激光，经双极隔离器、2×1光纤耦合分束器到达准直器后射入振动物体表面，在该表面发生散射。准直器接收散射光后经光纤耦合分束器分为两束：一束进入光电探测器，实现光外差检测；另一束进入光纤隔离器后与光源隔离，避免与光源激光发生干涉，影响光源输出。

图1 传统光路示意图

传统光路2采用了3个光纤耦合分束器。以经光纤耦合分束器1的一束光为参考光，其分光比决定了参考光的光功率；光纤耦合分束器2将先传输给准直器，同时将准直器所接收的散射光传输到光纤耦合分束器3；光纤耦合分束器3将参考光与信号光合束。参考光的光功率可通过光纤耦合分束器1的分光比计算得到，实现参考光的量化控制。

传统的全光纤激光多普勒光路虽然可以产生多普勒信号，但仍存在以下问题。

①参考光的光功率不能量化控制，探测器的输出信号对比度低。

多普勒信号的产生需要采用光外差检测，即采用参考光与信号光进行干涉，产生差频，通过检测差频来计算信号光的频率、功率、相位或偏振方向等参数。对于传统光路1，激光光束传输到准直器，由于准直器内部介质不均匀，部分光束将发生反射，作为部分参考光；而准直器端面虽然镀有特定波段透射膜，但仍有部分光在其端面发生反射，作为另一部分参考光。以经振动物体散射后的光束作为信号光。在进行光外差检测时，该光路的参考光信号具有较多的不确定因素，无法控制参考光的光功率，因此无法准确得出该光路的信号对比度。传统光路2通过采用3个光纤耦合器实现参考光的量化控制，解决了输出信号对比度低的问题。

②探测器所接收的输出光信号太弱，增加了后级光电探测器的设计难度。

图1(a)中，假定该光纤耦合分束器的分光比为1∶A。激光经光纤耦合分束器后，到达准直器，经振动物体漫反射后，准直器的激光再经过光纤耦合分束器输出到光电探测器。其光功率为：

(2)

式中：K为准直器的接收光与发射光的光功率之比，即准直器的耦合效率[10]；P0为输入光功率。

通过理论计算，当A=1时，即光纤耦合分束器的分光比为1∶1时，光功率损耗最低，光的利用率仅为25%K。由此可知，该光路的光损耗较大，这将使得光电探测器接收到的光信号过于微弱。因此，在设计后级探测器时，需要合理选择跨阻增益。但增益越大，噪声也随之放大，这对滤波电路提出了挑战。

图1(b)中，可以通过光纤耦合分束器来控制光路中的参考光光功率。通过理论计算与试验验证，当光纤耦合分束器1的分光比为99∶1，且光纤耦合分束器2与光纤耦合分束器3的分光比都为1∶1时，该光路的光功率损耗最低，光的利用率约为13%K。

2 光纤光路设计与分析

针对传统全光纤激光多普勒测振光路的缺点，本文设计了一种改进光路。采用光纤环形器[11]，能够有效地降低光纤耦合分束器的损耗，提高光的利用率。同时，可以通过选择合适的光纤耦合分束器来控制光路中参考光的光功率，从而提高输出信号对比度。

改进的全光纤激光多普勒测振光路如图2所示。

图2 改进光路示意图

改进的光路主要由光纤隔离器、光纤耦合分束器、光纤环形器以及准直器等组成。该设计采用同一光纤准直器完成激光的发射和散射光的接收。激光器输出波长为1 550 nm的激光，光功率为20.4 mW。输出激光经光纤隔离器后到分光比为99∶1的光纤耦合分束器1，激光分成两束：一束作为信号光进入光纤环形器端口1，由端口2进入光纤准直器，经振动物体表面反射后由准直器接收，从光纤环形器端口2输入并从端口3出射；另一束作为参考光。两路信号经过分光比为1∶1的光纤耦合分束器2合束并输出到光电探测器，由后级电路作信号处理，产生激光多普勒信号。

改进的光路能够有效地解决传统光路的缺陷，具体说明如下。

①通过理论值的计算与分析，激光经光纤隔离器的损耗可忽略不计，光纤耦合分束器1将激光按99∶1分为两束，通过光纤环形器后其端口3的输出光损耗也很小，在经分光比为1∶1的光纤耦合分束器2后光功率损耗一半。对于整体光路，输出光功率为：

(3)

式中：光纤耦合分束器1的分光比为1∶A1，A1为99；光纤耦合分束器2的分光比为1∶A2，A2为1。

由式(3)可知，改进光路的光利用率约为50%K。

②以光纤耦合分束器1的一端输出作为参考光，通过计算选择耦合分束器的分光比来改变参考光的光功率，实现了参考光的量值可控，便于改变输出信号的对比度。

3 试验验证与分析

3.1 试验装置

搭建了激光多普勒测试平台，使用固定频率音叉作为测试对象，低信噪比信号选取音叉小振幅速度过零时的多普勒信号。试验所用激光器为1 550 nm超窄线宽DFB半导体激光器(型号为OS-LD-1550-20-1-S-FA)，选用带宽为100 M、去直流偏置的高速高频率光电探测器(型号为C30644E)，光功率测量使用的是索雷博PM20CH型光功率计。对本文所设计光路以及传统光路进行光功率测试，并采用Tektronix数字示波器检测各种光路的实时波形，分析本文所设计的光路相对于传统光路的优点。

3.2 光路损耗测试

依照图1与图2搭建的试验光路，用光功率计对各部分光路输出的光功率进行检测，计算光路各部分的损耗，重点测量探测器所接收光的光功率。对比三种光路，分析其对光的利用率。1 550 nm半导体激光器的输出功率为20.4 mW，则各光路输出光功率及光利用率对比如表1所示。

表1 各光路光功率及光利用率对比

依据式(4)计算光利用率：

(4)

式中：N为光利用率；Pi为光电探测器所接收的光功率；P0为激光器输出光功率。

在本次试验过程中，由于隔离器的单向性和附加损耗的影响，激光器输出的20.4 mW激光经隔离后功率为17 mW，光纤准直器接收的散射光与发射光的比例K约为20%。不同分光比的光纤耦合分束器会有不同的光损耗，同样的光纤耦合分束器，若光路应用结构不同也将产生不同的光损耗。由表1对比可看出，改进光路对光的利用率较高，改进了传统光路输出信号太弱的缺点。通过本次试验，更好地验证了本设计光路的可行性。

3.3 信号对比度测试

多普勒信号的产生需要进行光外差检测，若要获得较好的多普勒信号，就必须控制光路中信号光和参考光的光功率。通过控制改变两者的比例，可得到振幅、相位、频率都有差异的多普勒信号，并在此基础上得到信号光和参考光的合适比例[4，12]。信号光与参考光产生差频信号的理论计算如式(5)所示。

(5)

式中：第一项和第二项的平均值均为光电探测器输出的直流项；第一、第二项的频率分别为信号光和参考光的2倍频；第三项(和频项)的频率很高;第四项(差频项，也称拍频项)相对于光频要缓慢得多，当拍频信号低于光电探测器的截止频率时，就有交流光电流输出。信号对比度是指输出信号中交流信号与直流信号的幅值比，激光多普勒测振系统所针对的是交流信号，因此，信号对比度越高，输出的多普勒信号越明显。

本次试验采用带宽为100MHz、去直流偏置的高速高频率光电探测器，通过硬件电路解决了输出信号存在较大偏置电压的问题，去除了输出电压中的直流成分，输出信号只包含可分析振动特征的交流信号。因此，需要提高信号对比度，使交流信号比值更高，则其输出信号幅值更大。

传统激光多普勒测振光路的输出信号波形如图3所示。输出信号波形以两个包络为一个信号周期，一个周期内其信号频率呈现由小到大、再由大到小的变化。传统光路1的输出信号幅值约为300mV，传统光路2的输出信号幅值约为500mV。由表1可知，传统光路1的输出光功率大于传统光路2，理论上传统光路1的输出信号幅值应更大。但由于传统光路2的信号对比度较大，即光信号转换为电压信号后，其交流信号与直流信号的比值更大，因此，传统光路2输出信号中交流信号所占的比值更大，输出交流信号的幅值也更大。

图3 传统光路输出信号波形图

与传统光路的多普勒信号相比，改进的全光纤激光多普勒测振系统光路，通过光纤环形器降低了光路损耗，提高了输出光功率，且合适比例的参考光使得信号对比度更高，因此输出交流信号幅值较大，约为2V；此外，在振动物体振动速度改变方向时，信号变化更为明显。改进的激光多普勒测振光路输出信号如图4所示。

图4 改进光路输出信号波形图

4 结束语

本文根据激光多普勒效应，对传统多普勒测振光路进行了理论分析，针对其存在的问题，设计出一种光功率损耗低、信号对比度高的全光纤激光多普勒测振光路。通过优化光路，不仅提高了多普勒原始信号的质量，而且有效降低了后级信号处理电路的难度。对于搭建的激光多普勒测振平台，选用固定频率的标准音叉作为试验对象，验证了本设计光路的正确性及其较传统光路的优越性，为整个激光多普勒测振系统的设计提供了更加合理的光路方案。

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An Improved Fiber Optic Path for Laser Doppler Measurement

LI Yanping1,WANG Wei1,ZHANG Xiongxing1,YANG Yuxiang2

(1.Department of Optoelectronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China；2.Department of Precision Instrumentation Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

In order to solve the problems existing in traditional optic path of laser Doppler differential frequency measurement,e.g.,the large optical power loss and uncontrollable reference optical power,an improved optical path is proposed,in which a fiber circulator is added in the traditional optical path,and the optical path for all-fiber laser Doppler differential frequency measurement is designed.The optical power loss of each passive fiber device and the utilization of overall optical path of the traditional optical path and the improved optical path are analyzed and calculated.Through setting up the laser Doppler measurement system,the measurement of the vibration of tuning fork are conducted using two kinds of optical path;and the comparison test is designed for these two optical paths.The output optical power of these two optical paths is measured using optical power meter,thus the optical utilization is calculated.In addition,the waveform of Doppler frequency shift signal of the photoelectric detector of two optical paths is observed by using digital oscilloscope.And the analysis calculation is conducted for signal amplitude,signal contrast and signal noise ratio.The results show that the analytical calculation results are in agreement with the experiment results,and the improved optical path has the advantages of high optical power utilization;the reference light power can be controlled by the optical fiber couplers with different splitting ratio,to acquire the Doppler frequency shift signal with high amplitude,good signal contrast and high contrast.

Optical fiber; Laser doppler measurement system; Digital filter; Coupler; Signal contrast； SNR

陕西省教育厅专项科学研究计划基金资助项目(16JK1370)

李艳萍(1994—)，女，在读硕士研究生，主要从事光电测试方向的研究。E-mail:1140361268@qq.com。 王伟(通信作者),男，博士，副教授，主要从事光电测试技术和工业机器人技术的研究。E-mail:15005804@qq.com。

TH747;TP202

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704016

修改稿收到日期：2016-11-29