[实用新型]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

说明书

技术领域

本实用新型涉及激光测速领域，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。