全光纤单静态线性频率调制激光多普勒振动测量技术的研究

《Optics & Laser Technology》：Research on All-Fiber monostatic linear frequency modulation laser doppler vibrometry

全光纤激光多普勒振动仪技术基于线性调频解决光学串扰和射频干扰问题，通过理论建模与仿真实验验证其有效性，实验对比显示该技术可成功解调200Hz、0.48μm振幅的振动信号。

　　

蒋月涵|袁浩楠|王明|郭杰|王廷峰

中国长春市东北师范大学物理学院，邮编130024

摘要

为了解决全光纤激光振动测量系统中解调失败的问题——由于光纤环形器泄漏导致的同频道干扰产生的光学串扰，以及来自光频移器驱动器的射频干扰，本文提出了一种基于线性频率调制的全光纤激光多普勒振动测量技术。本文首先介绍了基于光学外差法的激光多普勒振动测量原理。文中提出了固定频率偏移和线性频率调制激光多普勒振动测量的光学混合理论模型，阐明了利用线性频率调制消除光纤环形器引起的光学串扰和驱动器射频干扰的理论依据。基于这一测量原理，使用具有不同特性的典型振动源进行了数值模拟。模拟结果表明，线性频率调制有效解决了由同频道干扰和驱动器射频干扰引起的解调失败问题。为了验证这一原理，我们构建了两个激光多普勒测量系统，一个采用线性频率调制，另一个采用固定频率偏移，并对具有相同幅度和频率的正弦振动源进行了对比测量。实验结果表明，与固定频率偏移系统相比，线性频率调制系统成功解调出了频率为200 Hz、幅度约为0.48 μm、峰值速度约为0.6 mm/s的信号。观察到载噪比显著提高，证实了所提出技术的可行性和有效性。

引言

激光多普勒振动测量仪（LDV）[1],[2],[3],[4],[5],[6]是一种利用激光多普勒效应和光学外差检测[7],[8]的精密振动测量系统，已广泛应用于MEMS检测[9]、军事目标识别[10]、结构健康诊断[11]和生物特征分析[12]等领域。根据激光传输方式，LDV系统可分为自由空间型和全光纤型；根据收发器配置，可分为单站型和双站型。对于光学外差检测，通常采用固定频率偏移的内部或外部调制。

在采用固定频率偏移的外部调制的全光纤单站型LDV系统中，同频道干扰[13]和驱动器射频（RF）干扰是限制系统性能的两个关键问题。同频道干扰（也称为三波干扰[14]）发生在光传输路径中两个或多个表面散射的光强度与振动表面的光强度相匹配时。同频道干扰通常表现为光纤设备中的严重光学串扰，例如光纤环形器从端口1到端口3的泄漏。由此产生的第三相干光束的光功率可能与返回信号相当甚至超过返回信号，从而导致显著的干扰竞争或解调失败。此外，在采用固定频率偏移的外部调制的LDV系统中，通常使用光调制器对激光束进行频率偏移，其驱动器可能产生射频干扰，从而降低测量系统的信噪比（SNR）。

为了解决光纤环形器泄漏引起的光学串扰和光频移器驱动器产生的射频干扰问题，本文提出了一种基于线性频率调制（LFM或啁啾）的新型全光纤LDV技术。本文首先建立了固定频率偏移和线性频率调制LDV的理论框架。在解释了LFM原理之后，详细阐述了其在消除光纤环形器光学串扰和驱动器射频干扰方面的理论依据。随后进行了数值模拟，验证了LFM技术有效解决了由同频道干扰和驱动器射频干扰引起的解调失败问题。最后，构建了基于固定频率和啁啾的LDV概念验证实验装置，验证了LFM技术在全光纤LDV应用中的可行性和有效性。为了实验验证啁啾技术在全光纤LDV中的可行性和有效性，使用了两种实验装置进行了对比研究：一种基于固定频率偏移，另一种基于LFM。

原理

假设目标进行简谐运动，其幅度为$D\_0$，频率为$f\_0$，初始相位为$\phi \_0$，则其时间依赖的位移可以表示为：

$s(t)\; =\; D\_0cos(f\_0t)$

目标运动引起的多普勒频移为：

$f\_d\; =\; \backslash frac\{2v\backslash lambda\}\{dt\}$

其中，$\backslash lambda$是激光的波长，$v$是目标的速度。

仿真

在日常生活中，机械振动、乐器和声音振动的典型幅度范围为微米（μm）量级，频率范围为赫兹（Hz）量级，产生的多普勒频移范围为赫兹（Hz）到兆赫兹（MHz）量级。由于能量输入有限，物体的振动幅度和频率之间存在反比关系。因此，根据上述典型的幅度和频率范围，可以得出以下结论：

实验

为了验证基于LFM技术的全光纤LDV系统的可行性和有效性，我们建立了两种实验装置：一种采用固定频率偏移的LDV，另一种采用啁啾技术的LDV。在这些装置中，使用输出功率为20 mW、线宽为2.4 kHz的窄线宽单模光纤激光器进行了目标振动的对比测量。

结论与未来工作

为了解决光纤环形器泄漏引起的光学串扰和光频移器驱动器产生的射频干扰问题，本文提出了一种基于线性频率调制的全光纤激光多普勒振动测量方法。本文阐述了利用光学外差法的激光多普勒振动测量原理，提供了固定频率偏移和啁啾配置下的光学混合理论模型，并详细说明了其理论依据。

伦理审批声明

本研究通过数值模拟和实验验证，证明了LFM技术在解决全光纤单站型LDV系统中的同频道干扰和射频干扰问题方面的有效性。本研究未涉及人类或动物实验，因此无需伦理审批。

数据可用性声明

本研究生成的原始数据可在合理请求下向通讯作者获取。

作者贡献声明

蒋月涵：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、数据分析、概念构思。袁浩楠：验证、方法论、数据分析。王明：可视化、软件开发、数据分析。郭杰：可视化、软件开发、数据管理。王廷峰：撰写——初稿、指导、资源获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了吉林省科学技术研究院的科学技术协同创新项目（项目编号：20240207005CX）的支持。该项目提供了必要的资金和合作资源，使得实验设备的采购、数据分析和学术交流成为可能。资助方不对本文表达的观点负责。