一种零差激光测振装置的制作方法

本发明属于振动测量技术领域，具体涉及一种零差激光测振装置。

背景技术：

激光振动测量技术是以光学多普勒效应与光学差频技术为基础的检测技术，其以光波信号作为信息载体，通过激光的干涉效应测量运动物体产生的多普勒频移，从而进行高精度振动检测。

根据激光干涉的原理，激光测振主要分为零差法和外差法两种类型。其中零差法是基于迈克尔逊干涉原理，构造正交激光测振光路，结合偏振相干测量技术，利用反正切解计算调解调差频输出信号，从而提取出被测物体的振动信息(振动幅值、频率等)。

零差法具有技术成熟、测振装置结构简单、测量精度高、动态范围宽等优点，但是由于差频信号位于零频附近，零差法易受到外部干扰，特别是在处理探测器产生的正交输出信号时，由于需要考虑到一系列误差的影响，如激光功率漂移、探测器增益、偏振分束器的偏振泄漏等，会导致两路信号之间出现不正交、不等幅、存在直流偏置等现象，从而给测量结果带来非线性误差。

技术实现要素：

为了解决零差法激光测振技术中，激光功率漂移，探测器增益，偏振分束器的偏振泄漏等因素导致测量产生非线性误差的技术问题，本发明实施例提出了一种零差激光测振装置，其特征在于，包括激光光源和光学干涉单元，所述激光光源用于发射测量振动所需的激光；所述光学干涉单元包括干涉结构和光束位移分光元件，所述干涉结构用于将激光投射到待测物体上、接收待测物体反射的光，并构造相干光，生成待测光束；所述光束位移分光元件能够将待测光束分为透射光束、第一反射光束和第二反射光束，第一反射光束和第二反射光束的相位差为π/2的奇数倍。

进一步，所述光束位移分光元件具有第一表面和第二表面，所述待测光束经第一表面产生第一反射光束，经第二表面产生第二反射光束，并产生透射第二表面的透射光束。

进一步，所述光束位移分光元件为梯形棱镜或平行结构的透镜。

进一步，所述装置还包括光电探测单元、I-V放大转换单元和信号处理单元；所述光电探测单元包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器，分别用于探测所述透射光束、第一反射光束和第二反射光束，并将探测的透射光束光信号、第一反射光束光信号和第二反射光束光信号分别转换为第一电流信号、第二电流信号和第三电流信号；所述I-V放大转换单元将电流信号分别转换为第一电压信号、第二电压信号和第三电压信号；所述信号处理单元用于采集光电探测单元产生的电压信号，根据第一电压信号，对第二电压信号和第三电压信号进行预处理，生成等振幅正交信号I和Q，然后利用反正切算法对I、Q信号进行解调处理，还原待测物体的振动信息。

进一步，所述装置还包括驱动控制单元，用于根据信号处理单元的反馈信息，控制激光光源的功率，和/或调节干涉结构中的集光元件的焦距，所述集光元件用于将激光光束投射到待测物体上，并接收待测物体反射的光。

进一步，所述干涉结构为迈克尔逊干涉结构或者马赫曾德干涉结构。

进一步，所述迈克尔逊干涉结构包括光隔离器、光耦合器、光发射和接收单元和反射镜；激光光源发射的激光束经光隔离器入射至光耦合器，被光耦合器分为第一光束和第二光束，透射光耦合器的第一光束经集光元件投射待测物体上，被待测物体反射后再由集光元件接收，生成信号光束，信号光束入射至光耦合器；光耦合器反射的第二光束照射至所述反射镜，再被反射镜反射，生成参考光束，参考光束被反射至光耦合器；信号光束和参考光束经耦合器合束，生成待测光束；所述马赫曾德干涉结构包括光隔离器、第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、集光元件和反射镜；激光光源发射的激光束经光隔离器入射至第一光耦合器，被第一光耦合器分为第一光束和第二光束；透射第一光耦合器的第一光束入射至第二光耦合器，再透射第二光耦合器后经集光元件投射至待测物体上，被待测物体反射后再由集光元件接收，生成信号光束，信号光束被第二光耦合器反射至第三光耦合器；第一光耦合器反射的第二光束经反射镜反射生成参考光束，参考光束被反射至第三光耦合器；信号光束和参考光束经第三光耦合器合束，生成待测光束。

本发明实施例的有益效果：本发明实施例提出的零差激光测振装置包括光束位移分光元件，待测光束通过光束位移分光元件，获得一束透射光和两束反射光，通过改变光束位移分光元件与入射待测光束之间的夹角和/或待测光束的入射位置，调节两束光反射光的光程差，使两束反射光之间的相位差为π/2的奇数倍，利用透射光的电信号对两束反射光的电信号进行预处理，获得解调所需正交信号，与传统采用偏振分束获得正交信号的方法相比，避免了零差激光测振技术的非线性误差；装置结构简单、成本低。

附图说明

图1是本发明实施例提出的零差激光测振装置示意图；

图2本发明实施例的零差激光测振装置的第一种光学干涉单元示意图；

图3本发明实施例的零差激光测振装置的第二种光学干涉单元示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

<零差激光测振装置>

参照图1，本发明实施例提出了一种零差激光测振装置，包括激光光源1001、光学干涉单元1002、光电探测单元1003、I-V放大转换单元、信号处理单元1004和可选的驱动控制单元1005。

激光光源1001用于发射测量振动所需的激光。

光学干涉单元1002包括干涉结构和光束位移分光元件，本实施方式中，光束位移分光元件以梯形棱镜为例进行说明，所述干涉结构用于将激光投射到待测物体上，并接收待测物体反射的光，构造相干光路，实现光的干涉，生成待测光束；所述梯形棱镜具有第一表面和第二表面，所述待测光束经所述梯形棱镜的第一表面产生第一反射光束，经第二表面产生第二反射光束，并产生透射第二表面的透射光束，第一反射光束和第二反射光束的相位差为π/2的奇数倍。

光电探测单元1003用于探测相干光信号，包括第一光电探测器2007、第二光电探测器2008和第三光电探测器2009，分别用于探测所述透射第二表面的透射光束、第一反射光束和第二反射光束，将探测到的不同光束的光信号分别转换为第一电流信号、第二电流信号和第三电流信号，所述电流信号再分别经I-V放大转换单元被转换为第一电压信号、第二电压信号和第三电压信号。其中，I-V放大转换单元既可以作为光电探测单元的一部分，内置于各光电探测器内，也可以不作为光电探测单元的一部分，与光电探测单元分别设置，其设置方式是本领域技术人员根据实际情况能够灵活选择的，不必赘述。

信号处理单元1004用于采集电压信号，并解调待测物体的振动信号；所述信号处理单元，包括模拟信号采集模块和数字解调模块，模拟信号采集模块用于采集所述电压信号，并将电压信号转化为数字信号，传输到数字解调模块，数字解调模块利用第一电压信号对第二电压信号和第三电压信号分别进行预处理，去除直流分量，生成等振幅正交信号I和Q，消除光强度噪声对信号的影响，再利用反正切算法进行振动的解调，获得待测物体的振幅、速度等振动信息。

可选的，驱动控制单元1005用于信号处理单元1004的运算结果控制激光光源的功率，和/或控制干涉结构中的集光元件的焦距调节；所述集光元件用于将激光光束投射到待测物体上，并接收待测物体反射的光；所述集光元件例如是透镜或透镜组。

所述干涉结构可以为迈克尔逊干涉结构或者马赫曾德干涉结构。

<第一种光学干涉单元>

参照图2，本发明实施例提出一种光学干涉单元，可用于零差激光测振装置，其包括迈克尔逊干涉结构和梯形棱镜2006，具体的，所述迈克尔干涉结构包括光隔离器2002、光耦合器2003、反射镜2004、集光元件2005。

所述激光光源2001用于发射测量振动所需的激光；所述光隔离器2002用于阻止反射光返回激光器；所述光耦合器2003用于对激光进行分束，将激光分为空间上相互分离的第一光束L1和第二光束L2，所述第一光束L1投射到待测物体上，生成信号光束；所述反射镜2004用于反射第二光束L2，生成参考光束；所述信号光束和所述参考光束经所述耦合器2003合束，生成待测光束。

所述梯形棱镜2006具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述待测光束经所述梯形棱镜2006的第一表面产生第一反射光束，经第二表面产生第二反射光束，并产生透射第二表面的透射光束，第一反射光束和第二反射光束的相位差为π/2的奇数倍。通过改变梯形棱镜与入射待测光束之间的夹角或者待测光束的入射位置即可实现。

具体的，激光光源2001发射一束激光，经光隔离器2002照射至光耦合器2003，光耦合器2003将激光分为第一光束L1和第二光束L2，透射所述光耦合器2003的第一光束L1经集光元件2005投射待测物体2010上，被待测物体2010反射后再由集光元件2005接收，生成信号光束LS，信号光束LS入射至光耦合器2003；所述光耦合器2003反射的第二光束L2照射至所述反射镜2004，再被反射镜2004反射，生成参考光束LR，参考光束LR被反射至光耦合器2003；所述信号光束和所述参考光束经所述耦合器2003合束，生成待测光束LM，待测光束LM照射至所述梯形棱镜2006的第一表面；所述待测光束LM经所述梯形棱镜2006的第一表面被分为第一反射光束PA1和第一透射光束PB1，所述第一透射光束PB1照射至所述梯形棱镜2006的第二表面，所述第一透射光束PB1经所述梯形棱镜2006的第二表面被分为第二反射光束PA2和第二透射光束PB2，所述第二反射光束PA2自所述第一表面出射；第一光电探测器2007用于探测第二透射光PB2，获得第一电流信号，第二光电探测器2008用于探测第一反射光束PA1，获得第二电流信号，第三光电探测器2009用于探测第二反射光束PA2，获得第三电流信号。

光电探测单元1003利用第一光电探测器2007、第二光电探测器2008和第三光电探测器2009将待测光信号转化为三路电流信号，三路电流信号分别经过I-V放大转换单元转化为三路电压信号；信号处理单元1004采集三路电压信号，根据第一电压信号，对第二电压信号和第三电压信号进行预处理，生成等振幅正交信号I和Q，然后利用反正切算法对IQ信号进行解调处理，还原待测物体的振动信息，如物体振幅、速度等信息；还可以利用信号处理单元1004的运算结果为驱动控制单元1005提供反馈控制信号，用来调节激光光源2001的功率和/或调节集光元件2005的焦距。

<第二种光学干涉单元>

参照图3，本发明实施例还提出另一种光学干涉单元，可用于零差激光测振装置，其与第一种光学干涉单元不同之处在于，其干涉结构为马赫曾德干涉结构，其余技术特征相同。具体的，该光学干涉单元包括马赫曾德干涉结构和梯形棱镜3008，所述马赫曾德干涉结构包括光隔离器3002、第一光耦合器3003、第二光耦合器3004、第三光耦合器3006、集光元件3005和反射镜3007。所述集光元件例如为透镜或透镜组。

所述梯形棱镜3008具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述待测光束经所述梯形棱镜3008的第一表面产生第一反射光束，经第二表面产生第二反射光束，并产生透射第二表面的透射光束，第一反射光束和第二反射光束的相位差为π/2的奇数倍。通过改变梯形棱镜与入射待测光束之间的夹角或者待测光束的入射位置即可实现。

具体的，激光光源3001发射一束激光，经光隔离器3002照射至第一光耦合器3003，被第一光耦合器3003分为空间上相互分离的第一光束L1和第二光束L2；透射所述第一光耦合器3003的第一光束L1入射至第二光耦合器3004，再透射第二光耦合器3004后经集光元件3005投射至待测物体3012上，被待测物体3012反射后再由集光元件3005接收，生成信号光束LS，信号光束LS被第二光耦合器3004反射至第三光耦合器3006；所述第一光耦合器3003反射的第二光束L2经反射镜3007反射生成参考光束LR，参考光束LR被反射至第三光耦合器3006；信号光束LS和参考光束LR经第三光耦合器3006合束，生成待测光束LM；待测光束LM照射至所述梯形棱镜3008的第一表面；所述待测光束LM经所述梯形棱镜3008的第一表面被分为第一反射光束PA1和第一透射光束PB1，所述第一透射光束PB1照射至所述梯形棱镜3008的第二表面，所述第一透射光束PB1经所述梯形棱镜3008的第二表面被分为第二反射光束PA2和第二透射光束PB2，所述第二反射光束PA2自所述第一表面出射；第一光电探测器3009用于探测第二透射光PB2，获得第一电流信号，第二光电探测器3010用于探测第一反射光束PA1，获得第二电流信号，第三光电探测器3011用于探测第二反射光束PA2，获得第三电流信号。

光电探测单元1003利用第一光电探测器3009、第二光电探测器3010和第三光电探测器3011将待测光信号转化为三路电流信号，三路电流信号分别经过I-V放大转换单元转化为第一电压信号、第二电压信号和第三电压信号；信号处理单元1004采集三路电压信号，根据第一电压信号，对第二电压信号和第三电压信号进行预处理，生成等振幅正交信号I和Q，然后利用反正切算法对IQ信号进行解调处理，还原待测物体的振动信息，如物体振幅、速度等信息；还可以利用信号处理单元1004的运算结果为驱动控制单元1005提供反馈控制信号，用来调节激光光源3001的功率和/或调节集光元件3005的焦距。

本发明实施例的光束位移分光元件的本质在于其能够将待测光束分为一束透射光和两束反射光，使两束反射光之间的相位差为π/2的奇数倍。所述光束位移分光元件，例如，还可以为平行结构透镜，即，透镜的光入射面和光出射面相互平行，通过调整入射角能够使平行结构透镜的第一表面和第二表面上形成的反射光的相位差为π/2的奇数倍。所述光束位移分光元件采用梯形棱镜，由于第一表面和第二表面不平行，则既可以通过调整入射角，也可以调整入射位置来调节两束反射光的光程差。本领域技术人员能够理解，凡能够将待测光束分为一束透射光和两束反射光，使两束反射光之间的相位差为π/2的奇数倍的光学元件均在本发明的保护范围内。

<零差激光测振方法>

本发明实施例还提出一种零差激光测振的方法，其可以利用本发明实施例的零差激光测振装置实施，包括如下步骤：

S1、激光光源发出的光经干涉结构产生待测光束，所述待测光束入射光束位移分光元件，待测光束被分为透射光束、第一反射光束和第二反射光束，第一反射光束和第二反射光束的相位差为π/2的奇数倍；

S2、光电探测单元探测所述透射梯形棱镜第二表面的透射光束、第一反射光束和第二反射光束，分别获得第一电流信号、第二电流信号和第三电流信号，所述第一电流信号、第二电流信号和第三电流信号经I-V放大转换单元分别转换为第一电压信号、第二电压信号和第三电压信号；

S3、信号处理单元根据第一电压信号对第二电压信号和第三电压信号进行预处理，生成等振幅正交信号I和Q，然后利用反正切算法对I、Q信号进行解调处理，获得待测物体的振动信息。

可选的，还包括步骤S4、信号处理单元还生成控制信息，驱动控制单元根据所述控制信息，控制激光光源的功率，和/或控制干涉结构中的集光元件的焦距调节，所述集光元件用于将激光光束投射到待测物体上，并接收待测物体反射的光。

具体的，在一个实施方式中，所述步骤S1为：

S1：激光光源发射的一束激光被分为空间上相互分离的第一光束L1、第二光束L2，第一光束L1经过集光元件投射待测物体上，并经待测物体反射后再由集光元件接收，生成信号光束LS；第二光束L2经反射镜反射生成参考光束LR，信号光束LS和参考光束LS合束，生成待测光束LM，待测光束LM入射梯形棱镜，梯形棱镜的第一表面产生第一反射光束，经第二表面产生第二反射光束，并产生透射第二表面的透射光束，第一反射光束和第二反射光束的相位差为π/2的奇数倍。

本发明实施例步骤S3中的信号处理原理和过程如下：

根据光的干涉原理，假定待测物体的受到正弦振荡信号的影响，探测器响应相干光信号，产生的电压信号满足：

其中，VDC和VAC分别是电压信号直流和交流分量的幅度，为零相位角，其由信号光束和参考光束之间光程差决定，ωs为振动信号的角频率，为振动的零相位角，为调制相位的振幅，sm为反射平面的位错。

理想情况下，VDC和VAC不随时间变化，利用交流耦合，提取两路正交电压信号的交流分量，通过反正切运算，可测得相位振幅和相位角即可得到其他振动参数，如速度和加速度等。但是，在实际测量过程中，由于激光功率、反射界面散斑、探测器热噪声等因素引起的待测光功率抖动，都会使VDC和VAC与时间相关，此时，上述解调算法不再准确，并且随着光强度噪声的增加，解调效果明显变差。

本发明实施例根据第一电压信号对第二电压信号和第三电压信号进行预处理，得到等振幅正交信号进行处理。设光电探测单元中第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器接收光信号后获得的电压信号分别为V1(t),V2(t)和V3(t)，对应的振幅分别为V1、V2和V3，则根据菲涅尔公式

V1＝V0T1T2

V2＝V0R1

V3＝V0T1T2R2

其中V0为入射到梯形棱镜表面待测光信号的振幅，R1和R2分别为梯形棱镜第一表面、第二表面的反射率，T1和T2分别为梯形棱镜第一表面、第二表面的透过率。考虑到半波损失，V2(t)和V3(t)之间的光程差为通过调节梯形棱镜与入射待测光束I0之间的夹角θ，或者调节待测光束在梯形棱镜的入射点位置，改变梯形棱镜第一表面、第二表面反射光的光程差δ，使V2(t)和V3(t)之间的相位差为的奇数倍，则可获得正交信号：

梯形棱镜的透射信号满足：

其中ψ为透射光的附加相位。通过预先测量梯形棱镜的透过率和反射率，利用V1(t)可以对V2(t)和V3(t)进行预处理，得到等振幅的正交信号I(t)和Q(t):

其中为对V1(t)取时间平均，得到V1(t)的直流分量。利用反正切算法，可以还原出振动信号为：

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。