基于双光源干涉的PDV数据补偿方法

张敏 杨军 史国凯 姜万春 王昭 惠海龙

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基于双光源干涉的PDV数据补偿方法

    作者简介: 张 敏(1981-),男,硕士,工程师,主要从事力学信号获取与信息处理研究. E-mail:zhangmin@nint.ac.cn;
  • 中图分类号: O384

A Compensation Method of Photonic Doppler Velocimeter Based on Two Laser Sources

  • CLC number: O384

图(7)
计量
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-15
  • 录用日期:  2018-11-08
  • 网络出版日期:  2019-07-12

基于双光源干涉的PDV数据补偿方法

    作者简介:张 敏(1981-),男,硕士,工程师,主要从事力学信号获取与信息处理研究. E-mail:zhangmin@nint.ac.cn
  • 西北核技术研究所强动载与效应重点实验室,陕西 西安 710024

摘要: 针对结构动态响应测试中的大量程负向速度测量问题,设计了基于双光源干涉的光纤速度干涉仪(PDV)测试系统,与单光源PDV系统相比,大幅拓宽了负向测速范围。但在爆炸实验中发现,由于光源波长波动产生了位移基线漂移和振荡问题。为此,引入一路参考反射镜,产生双光源干涉本底信号,用于补偿位移基线,并研究了数据补偿算法。经实验验证,补偿后的位移基线漂移量为微米级,双光源模式及补偿方法可行且有效。

English Abstract

  • 瞬态测速是冲击波和爆炸物理实验研究的一项重要内容。任意表面的速度干涉测量系统(VISAR)[1-3]是冲击动力学、爆炸力学等领域进行高精度瞬态实时测量的主要技术手段。近年来,随着光纤技术、光无源器件及相关光电子器件的发展,光纤速度干涉仪(Photonic Doppler Velocimetry, PDV)得到快速发展和应用[3]。朱振等[4]利用光子多普勒测速技术,对微型雷管爆炸驱动飞片的速度进行了测量;吴立志等[5]开发了一套光子多普勒测速系统,可对微小飞片或者微区爆轰进行速度测量;李旭等[6]利用PDV技术设计了一种可获得空中爆炸近场压力时程的飞片式压力传感器。为了获得物体的运动速度方向,杨军等[7-8]提出了旁轴式外差结构光纤位移干涉仪,但受声光移频器调制频率范围的影响,负向测速能力有限。为了提高负向测速能力,Mercier[9]、陶天炯[10]等提出了双光源模式,使用两台调频激光器分别作为信号光源和参考光源,两者相互混频可以极大地增加负向速度的测试范围。但是实验发现,由于激光器的波长波动,导致位移基线漂移,为此,引入一路参考反射镜,产生双光源干涉本底信号,用于补偿位移基线,并在此基础上研究数据补偿算法。

    • 激光照射到移动物体上,反射的激光会发生多普勒频移现象,通过一定方法检测该频移量即可得到物体运动速度。PDV系统中,将包含频移信息的信号激光和参考激光进行干涉,再由光电探测器转换为差拍电信号,对该信号进行时频变换分析,将电信号转换为时频谱后提取出频率随时间的变化历程,通过换算可得到速度曲线。

      图1所示为旁轴式外差结构光纤位移干涉仪系统的工作原理[11-12]。该PDV系统中,光纤激光器输出的激光经过光纤分束器后分成两路:一路作为参考光,由声光移频器调整频率后经衰减器到达合束器;另一路作为信号光,经光纤环形器输出至探头,照射到被测物上,探头同时接收从被测物上反射回的激光,并通过环形器后传输至光纤合束器。到达合束器的两路激光干涉混频后由光电探测器转换成电信号,再由高速示波器记录。

      图  1  旁轴式外差结构PDV(1.激光器,2.分束器,3.移频器,4.衰减器,5.环形器,6.合束器,7.探头,8.被测物,9.探测器,10.示波器)

      Figure 1.  PDV using heterodyne techniques (1. Laser; 2. Splitter; 3. Modulator; 4. Attenuator; 5. Circulator; 6. Combiner; 7. Probe; 8. Target; 9. Detector; 10. Oscilloscope)

      参考光与信号光干涉混频后可得到光电信号$ {ν} $

      $v = k\frac{{{I_{\rm{1}}} + {I_2}}}{2}{\rm{ + }}k\sqrt {{I_{\rm{1}}}{I_2}} \cos \left[ {2{\text{π}}\left( {{\text{Δ}} v + {v_{\rm{m}}}} \right)t + {\varphi _1} - {\varphi _2}} \right]$

      式中:${I_1}$为信号光功率,${I_2}$为参考光功率,$k$为光电转换系数,${\varphi _1} - {\varphi _2}$为初相位差,${v_{\rm{m}}}$表示调制频率,参考光频率为${v_2} = {v_0} - {v_{\rm{m}}}$,信号光频率为${v_1} = {v_0} + {\text{Δ}} v$

      物体静止时,${\text{Δ}} v = 0$,则

      $v = k\frac{{{I_{\rm{1}}} + {I_2}}}{2}{\rm{ + }}k\sqrt {{I_{\rm{1}}}{I_2}} \cos \left[ {2{\text{π}}{v_{\rm{m}}}t + {\varphi _1} - {\varphi _2}} \right]$

      物体靠近探头运动时,${\text{Δ}} v > 0$,电信号频率在调制频率${v_{\rm{m}}}$之上。因此,正向速度范围由电探测记录系统的总带宽${f_{\rm{B}}}$与调制频率的差值决定,即:$\left[ {0,\left( {{f_{\rm{B}}} - {v_{\rm{m}}}} \right){\lambda _0}/2} \right]$。物体远离探头运动时,${\text{Δ}} v < 0$,电信号频率在直流到调制频率之间,所以负向速度范围为$\left[ { - {v_{\rm{m}}}{\lambda _0}/2,0} \right]$。由此可见,系统的负向测速能力取决于调制频率的大小,声光移频器的调制频率通常在150 MHz左右,仅能测量最高约–116 m/s的负向速度。

      为了提高外差结构系统的负向测速能力,设计了双光源模式:采用一台调频激光器作为信号光源照射目标,另一台同波段的调频激光器作为参考光源,两者相互混频可以极大地增加负向速度的测试范围。其原理如图2所示。

      图  2  双光源模式PDV(1.信号激光器,2.参考激光器,3.环形器,4.合束器,5.探头,6.被测物,7.探测器,8.示波器)

      Figure 2.  PDV with two laser sources (1. Signal laser; 2. Reference laser; 3. Circulator; 4. Combiner; 5. Probe; 6. Target; 7. Detector; 8. Oscilloscope)

      相比图1,双光源模式中使用两台相干激光器分别作为信号光源和参考光源,两台激光器均可以调整输出频率,以便大幅提高调制频率${v_{\rm m}}$,进而增大负向速度的测试范围。但是相比于单光源旁轴式外差结构PDV,双光源PDV也存在不足。最主要的问题是两个光源都不是理想光源,其频率特性都随时间变化,且具有独立的随机性,导致二者干涉后的频率基线波动,实验也验证了这一点,因此需要研究补偿方法。

    • 实验中使用的信号和参考激光器分别为RIO公司的RIO1174和RIO0174,中心波长λ0均为1554.13 nm,波长(频率)可微调,波长调节范围为±45 pm。将主激光器的波长调整为${\lambda _0} + 45\;{\rm{pm}}$,辅助激光器中心波长调整为${\lambda _0} - 45\;{\rm{pm}}$,两束光混频后可产生11.178 GHz的差频光信号。光电模块和示波器的总带宽为10 GHz,将调频激光器的频率调整为–5 GHz,则信号光多普勒频移范围为[–5 GHz, 5 GHz],速度测试范围为[–3.88 km/s, 3.88 km/s],负向速度测试能力得到了极大的提高。

      但是将该系统应用在钢筒爆炸实验中发现,信号到达前,位移基线也在波动,而实际上物体处于静止状态,位移基线应该固定为零。分析可能是由于光源波长不稳定导致的双光源干涉信号的频率波动,为此,单独加入一路参考反射镜,它直接将信号光返回与参考光进行干涉,光电转换后由示波器的一个通道单独记录。由于光源波动特性随时间变化,为了达到更好的补偿效果,反射镜安装位置和被测物探头之间的距离应尽量小,根据计算,两者距离差应控制在1 m以内。补偿通道的原理如图3所示。

      图  3  补偿通道示意图(1.信号激光器,2.参考激光器,3.环形器,4.合束器,5.反射镜,6.探测器,7.示波器)

      Figure 3.  Schematic diagram of compensation channel (1. Signal laser; 2. Reference laser; 3. Circulator; 4. Combiner; 5. Reflector; 6. Detector; 7. Oscilloscope)

      测试设备中共包含两台激光器,分别用于产生信号激光和参考激光。这两路激光各自经由一个一分八的光纤分束器,得到的8对激光信号分别为8个测试通道提供信号光和参考光。选取其中1个通道作为补偿通道,其他7个通道作为数据通道。数据补偿的基本原理是以补偿通道记录的信号为基准,其他通道的数据与补偿通道数据作差,用于消除因两个激光器之间波长波动而产生的调制频率波动。由于补偿通道和数据通道的信号光和参考光均由同一组激光器分束后得到,而且实验中补偿通道和数据通道的光程差较小,通道间的干涉频率基线随时间的变化基本一致,因此补偿算法可以消除调制频率的波动。

      共设计了两个实验,分别验证位移基线漂移现象的存在和消除效果。第一个实验中共使用5个通道:通道1~通道4接PDV探头,但是探头所指向的目标静止不动,即记录无位移时的信号,通道5接参考反射镜;通道1、通道2由1号示波器记录,通道3~通道5由2号示波器记录,两台示波器使用精密时间同步机同步触发。第二个实验用播放6 kHz固定频率的喇叭振动产生信号,并采用双光源PDV记录该信号,共记录两个通道:一个接PDV探头,用于探测喇叭振动;另一个通道为补偿数据。

    • 信号处理采用短时傅里叶变换(STFT)算法,基于VC编写数据处理程序。首先对触发信号到达之前(即零时前)的数据作快速傅里叶变换(FFT),求得修正后的能量峰值点频率;再计算该段位移历程,并修正调制频率,使位移基线归零,得到该频率值作为后续计算用的调制频率。

      第一个实验中,首先计算每个通道(包括补偿通道)的位移值,观察位移情况,然后用补偿通道分别修正数据通道的位移,结果如图4所示。

      图  4  位移漂移现象及补偿结果

      Figure 4.  Displacement baseline drift and compensation result

      图4(a)所示为各个通道的原始位移,可见记录时间段内位移漂移量约为0.35 mm。使用补偿通道修正后的通道1、通道2数据见图4(b),修正后的通道3、通道4数据见图4(c)。可见补偿后的位移漂移量明显减小,略大于 $1\;{\text{μ}} {\rm{m}}$。但通道1、通道2的漂移量明显大于通道3、通道4的漂移量,这是由于:后两者的数据与补偿通道数据均由2号示波器记录,时间同步性更好;而前两者数据则由1号示波器记录,与补偿通道的时间同步误差更大(同步误差约60 ns),使用补偿通道计算得到的调制频率进行位移计算时引入了误差。因此进行双光源PDV实验时,应尽量提高多台记录仪器的同步触发精度。

      第二个实验中,计算的位移结果如图5所示。图5(a)为补偿前的位移,由于记录时间较长(0.2 s),位移漂移量更大,达到了约8 mm,导致本应出现的正弦振动淹没。但是,放大至图5(b)后可以观察到高频振动叠加在基线低频波动上。按照前述原理得到补偿后的结果如图6所示。

      图  5  补偿前的位移值

      Figure 5.  Displacement before compensation

      图  6  补偿后的位移值

      Figure 6.  Displacement after compensation

      图6(a)为经过补偿后的位移,图6(b)为其局部放大图,从中可明显观察到喇叭振动的位移曲线。但是位移曲线中除了6 kHz简谐振动外还存在85 Hz等低频成分,分析是由于实验中使用的小喇叭在6 kHz信号激励下产生了分隔振动。

      对计算得到的位移数据做差分,可得到速度结果,如图7所示。速度数据呈正弦曲线,与喇叭的实际振动情况吻合。

      图  7  速度结果

      Figure 7.  Velocity result

    • 双光源模式大幅拓宽了PDV系统的负向测速范围,但是由于光源波长波动导致系统调制频率波动,从而产生了位移基线漂移。通过引入补偿通道,大幅减小了基线漂移量,补偿后的位移基线漂移量为微米级。双光源模式PDV系统可以准确测量位移和速度历程。

参考文献 (12)

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