1_550_nm全光纤激光多普勒测振系统研制-USB迷|专注于互联网分享

2024年5月21日发(作者：翠元芹)

计测技术

doi：10.11823/.1674-5795.2023.02.07

新技术新仪器

·57·

1 550 nm全光纤激光多普勒测振系统研制

丁宇洁，刘格格，刘科

（中国工程物理研究院计量测试中心，四川绵阳 621900）

摘要：针对目前国内激光测振系统价格昂贵、使用不便的问题，采用1 550 nm波段成熟的窄线宽光源和

光纤元器件研制了一套低成本的全光纤激光测振系统原理样机。此原理样机光路部分采用马赫⁃泽德干涉仪结

构，搭建了外差式激光干涉光路，参考光被40 MHz的声光调制器调制，与测量光在光电探测器表面发生干涉，

产生原始的激光多普勒信号；信号解调部分采用相位解调法对原始激光多普勒信号进行解调，得到振动目标的

运动特性，包括位移、速度和加速度信息。采用本单位的振动标准装置对其性能进行了测试，实验结果表明：

在10 ~ 2 000 Hz的中低频振动范围内，1 550 nm全光纤激光多普勒测振系统峰值位移、速度和加速度的测量误

差在-0.6% ~ 0.7%内。该系统在中低频段具有较高的测量准确度，且成本相对较低、操作便捷，具有技术借

鉴价值。

关键词：振动计量；全光纤激光测振；相位解调

中图分类号：TB936；TH825 文献标志码：A 文章编号：1674-5795（2023）02-0057-07

Development of 1 550 nm all⁃fiber laser Doppler vibration

measurement system

(Metrology and Testing Center, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

DING Yujie, LIU Gege, LIU Ke

Abstract: Research has been conducted on the issue of high price and inconvenience in use of laser vibration mea⁃

surement system. A low⁃cost prototype of all⁃fiber laser vibration measurement system is developed by using 1 550 nm

mature narrow linewidth light source and optical fiber components. In the optical path part, a heterodyne laser interferom⁃

eter is built using Mach⁃Zehnder interferometer struct ure, the reference light is modulated by a 40 MHz acousto⁃optic

modulator and interferes with the measurement light on the photodetector surface to produce the original laser Doppler

signal to obtain the motion characteristics of the vibration target, including the displacement, velocity and acceleration in⁃

formation. The performance of this prototype is tested with the vibration standard device in our center, and the experimen⁃

tal results show that, the measurement errors of peak displacement, velocity and acceleration of this 1 550 nm all⁃fiber la⁃

of 10 ~ 2 000 Hz. This system has both high measurement accuracy in medium to low vibration frequency range, and rela⁃

tively low cost, convenient operation, which has technical reference value.

Key words: vibration metrology; all⁃fiber laser vibration measurement; phase demodulation

ser vibration measurement system are within the range of -0.6% ~ 0.7%, in the medium to low vibration frequency range

signal. In the signal demodulation part, the phase demodulation method is used to demodulate the original laser Doppler

收稿日期：2023-03-16；修回日期：2023-04-10

基金论文：国家装备技术基础项目（211ZW22003）

引用格式：丁宇洁，刘格格，刘科. 1 550 nm全光纤激光多普勒测振系统研制［J］. 计测技术，2023，43

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Citation：DING Y J， LIU G G， LIU K. Development of 1 550 nm all⁃fiber laser Doppler vibration measurement

system［J］. Metrology & Measurement Technology， 2023， 43（2）：57-63.

·58·

新技术新仪器2023年第43卷第2期

0　引言

振动广泛存在于日常生活及工业生产过程中。

随着技术的发展，精密加工、微机电系统、生物

医疗、航空航天、装备制造等领域均对振动测量

提出了越来越多的需求

［1-6］

。传统的振动测量手段

将振动传感器贴于被测物体表面进行接触式测量，

可能会影响物体本身的振动状态，而且测量准确

度低、动态范围小、易受电磁干扰影响，不能满

足特定场合下的测量需求。而激光测振技术以光

的多普勒效应为基础，将一束激光打在被测物体

表面进行非接触式测量，具有准确度高、动态范

围大等优势，成为一种极具应用前景的技术。

自1962年有关激光多普勒测量技术的第1篇

论文发表以来，激光测振技术得到了各国科研人

员的重视

［7-9］

，并逐渐发展成一种标准方法

［10］

，用

于振动与冲击传感器的绝对校准。以德国Polytec

公司

［11-15］

为代表的国外厂商也发布了一系列的激

光测振仪产品，使激光测振技术真正应用于科研、

工业的各个相关领域。国内高校和科研院所也对

激光测振技术开展了大量研究。全光纤测振系

统

［16-18］

便于集成、调节简单，近些年获得了快速

发展。但目前国内研制的激光测振系统在噪声抑

制、测量准确性和使用便利性方面与国外有一定

差距，针对此问题，本文采用通信波段成熟的光

纤元器件，搭建了一套全光纤式激光多普勒测振

系统原理样机，并利用本单位的振动标准装置对

该原理样机的应用性能开展测试。

Fig.2　Prototype of all⁃fiber laser vibration measurement system

图2　全光纤激光测振系统原理样机实物图

Fig.1　Optical path structure of all⁃fiber laser vibration

measurement system

图1　全光纤激光测振系统光路结构

光源发出的激光经光纤衰减器和分束器后被

分为测量光和参考光。测量光经光纤隔离器后进

入光纤环形器端口1并从端口2出射，经光纤偏振

控制器后变为圆偏振光，再经变焦准直器后发射

出去照射到运动物体表面，后向反射的测量光再

次被变焦准直器收集，最终从光纤环形器的端口3

出射；参考光经声光调制器调制，其频率产生固

定的40 MHz频移；最终，测量光和参考光经光纤

合束器后同时进入光电探测器，在光电探测器表

面发生干涉，产生原始的激光多普勒信号。

的幅值为E

，频率为f

，根据光外差探测理论，

光电探测器输出的电信号U可表示为

U∝E

cos2π

-f

t+φ

（1）

假设测量光的幅值为E

，频率为f

，参考光

1　全光纤激光多普勒测振系统介绍

激光干涉测量系统所使用的光源应具有单色性

好、波长稳定的特点

［19］

，常用的光源包括633 nm

的氦氖激光和通信波段的窄线宽激光。由于氦氖

激光是气体激光，不利于用光纤进行集成，而随

着技术的发展，通信波段1 550 nm的窄线宽光纤

激光的线宽可达10 kHz以下，波长稳定性可达数

十pm，技术成熟且成本低廉，已被广泛应用于各

种相干探测系统中。因此，本系统采用通信波段

件搭建。系统光路采用马赫-泽德干涉仪结构，原

理如图1所示，实物如图2所示。

1 550 nm窄线宽激光光源和该波段的保偏光纤元器

(

)

[

()

]

式中：φ为信号的初相位；t为时间。从式（1）可

以看出：信号包含与光强成正比的直流分量和频

率等于两束光频率差的交流分量。对于激光多普

勒测振系统来说，有用的是交流分量，直流分量

可以通过电容隔去。

计测技术

根据光的多普勒效应，测量光被运动物体表

面反射后，频率会发生变化，频移量为f

；参考光

被调制后频率也会发生变化，频移量为f

。光电探

测器输出的交流分量的频率f

为

-f

新技术新仪器

·59·

器的频率有关，一部分与物体运动引起的光频移

量有关。

利用声光调制器的驱动频率作为载波生成两

路正交信号，即sin（2πf

t）和cos（2πf

t），分别

与原始的激光多普勒信号相乘，得到的两路信号u

和u

分别为

（2）

式（2）中，f

已知，因此只要得到信号的频

率，就可以计算出测量光的多普勒频移量f

。根据

光的多普勒效应理论，当测量光垂直照射运动物

体表面时，其多普勒频移量与物体运动速度v成正

比，即

（3）

式中：λ为光的波长。根据式（3）即可计算得到

⋅cos

⋅sin

⋅cos

物体的运动速度信息。

综上，对目标运动参数解调的关键在于求解

光电探测器输出交流信号的瞬时频率。又因为瞬

时频率等于相位的微分，通过求解信号相位的方

法也可以得到目标的运动参数，包括位移、速度

和加速度信息。

在测振系统中，总是有f

> f

，因此从式（5）

(

2πf

t-2πft

)

⋅sin

(

2πf

)

(

2π

(

2f-f

)

⋅sin

(

2πf

)

（5）

(

2πf

t-2πft

)

⋅cos

(

2πf

)

(

2π

(

2f-f

)

⋅cos

(

2πf

)

BDB

中可以看出，u

和u

包含一个高频分量和一个低频

分量，可以通过低通滤波器将高频分量滤掉，保

留低频分量，得到低频分量u

和u

分别为

2　目标运动参数数字解调方法

常用的激光多普勒信号数字解调方法有两种：

条纹计数法和相位解调法

［20-21］

。传统条纹计数法

的位移分辨力为λ/2，精度在微米量级，而相位解

调法的精度可以突破波长的限制，达到纳米量级。

因此，相位解调法得到了越来越多的应用。本文

采用的相位解调算法如图3所示。

由式（6）可以看出，两个低频分量正交且频

率等于物体运动引起的多普勒频移量。因此可以

通过反正切并相位展开

［22］

的方法得到信号的瞬时

相位

，即

ϕ=arctan

+kπ,

k=0,±1⋯

⋅sin2πf

⋅cos2πf

(

)

（6）

又因为信号瞬时相位等于信号角频率对时间

的积分，结合式（3），则有

4πv4π

ϕ=

2πf

⋅dt=⋅dt=

v⋅dt

（8）

000

速度对时间的积分等于物体的位移s，因此有

⋅ϕ

（9）

4π

进而通过一次微分和二次微分，即可得到物

(

)

（7）

∫∫∫

体的速度v和加速度a。另外，对于做正弦运动的

Fig.3　Block diagram of phase demodulation algorithm

图3　相位解调算法框图

振动台振动参数的测量，可以通过正弦逼近法对

相位进行正弦拟合实现。

根据式（1）和式（2），光电探测器输出的原

始激光多普勒信号u可表示为

u=u

⋅cos2πf

t-2πf

3　全光纤激光测振系统性能测试

为了考核全光纤激光测振系统的中低频振动

测量性能，采用本单位的振动标准装置对其进行

测试。振动标准装置主要由振动台及其控制系统、

标准振动传感器、标准激光测振仪和配套设备组

式中：u

为信号的幅值。可以看出原始激光多普

勒信号的相位由两部分组成，一部分与声光调制

(

)

（4）

·60·

新技术新仪器2023年第43卷第2期

成，如图4所示。振动台可产生频率1 ~ 10 000 Hz

的正弦振动，标准振动传感器和标准激光测振仪对

振动参数进行测量。振动标准装置由两部分组成：

1套低频振动装置和1套高频振动装置。低频振动

装置由低频振动台产生正弦振动，并由配套的标准

振动传感器测量得到振动过程中的位移、速度和加

速度参数；高频振动装置由高频振动台产生正弦

振动，并由配套的商用Polytec激光测振仪测量得

到振动过程中的位移、速度和加速度参数。将原

理样机的测量结果与标准振动传感器和标准激光

测振仪的测量结果进行比较，计算其测量误差。

Fig.5　Original laser Doppler signal collected by the prototype

(Vibration frequency 10 Hz)

图5　采集的原始激光多普勒信号（振动频率10 Hz）

Fig.4　Performance test system for prototype of all⁃fiber laser vi⁃

bration measurement system

图4　全光纤激光测振系统原理样机性能测试系统

按照图4所示框图搭建原理样机性能测试系

统，将原理样机的光收发探头固定于振动标准装

置振动台的正上方，调整其倾角使其发出的测量

光垂直照射振动台面，反射后原路返回的测量光

被光收发探头接收。开启振动台，使其依次产生

频率为10 ~ 2 kHz的正弦振动，同时全光纤激光测

振系统对振动台的振动特性进行测量，得到振动

位移、速度和加速度信息。与振动标准装置提供

的振动位移、速度和加速度标准值比较，即可得

到原理样机的测量误差。对于200 Hz及以下频率

的振动，标准值由配套的标准振动传感器提供，

对于200 Hz以上频率的振动，标准值由配套的激

光测振仪提供。

以振动台产生10 Hz和2 kHz的标准振动为例，

全光纤激光测振系统采集得到的原始激光多普勒

信号如图5和图6所示。原始激光多普勒信号的频

率以40 MHz为中心不断变化，在时域上表现为疏

密呈周期变化。经过中心频率为40 MHz的带通滤

波器后，曲线变得光滑，减小了噪声干扰。根据

Fig.6　Original laser Doppler signal collected by the prototype

(Vibration frequency 2 kHz)

图6　采集的原始激光多普勒信号（振动频率2 kHz）

图5和图6可知，原理样机在10 ~ 2 kHz振动频率

范围内可以顺利收集到返回的测量光，并产生高

信噪比的原始激光多普勒信号。

采用图3所示算法对信号进行解调，得到的振

动位移、速度和加速度曲线如图7和图8所示，可

以看出采用相位解调算法能够顺利地从原始激光

多普勒信号中计算得到目标的振动特性。

以振动标准装置提供的振动参数（包括峰值

位移s

peak

、峰值速度v

peak

、峰值加速度a

peak

）为标

准值，计算原理样机的测量误差。表1列出了10

~ 2 kHz振动频率范围内振动参数的标准值和原

计测技术

新技术新仪器

·61·

Fig.7　Demodulated displacement, velocity and acceleration

curve (Vibration frequency 10 Hz)

图7　解调位移、速度和加速度曲线（振动频率10 Hz）

Fig.8　Demodulated displacement, velocity and acceleration

curve (vibration frequency 2 kHz)

图8　解调位移、速度和加速度曲线（振动频率2 kHz）

理样机的测量值，以及原理样机测量结果的相对

误差。根据表1中的数据可以看出，同样加速度下

振动频率越高，振动台的峰值位移和速度越小。

在这一系列振动中，振动台的峰值位移低至0.94

μm，峰值速度低至7.798 mm/s，而原理样机对于

微振动均可实现准确测量。

以振动的峰值加速度为例，原理样机在不同

频率处的测量误差曲线如图9所示。从图9中可以

看出，原理样机在10 Hz ~ 2 kHz的振动频率范围

内，加速度的测量误差在-0.6% ~ 0.7%范围内，

从而验证了全光纤激光测振系统原理样机在中低

频振动测量中的准确性。

Tab.1　Vibration parameter measurement results of prototype

振动频率/Hz

100

125

160

200

1 000

2 000

500

peak

/ μm

peak

/ (mm·s

-1

)

159.0

79.28

39.69

19.97

15.89

12.76

9.894

7.824

标准值

2 533.0

633.5

157.4

39.58

25.33

16.21

9.895

10.115 8

2.529 4

0.943 7

6.205

测量值

2 530.0

630.9

157.9

39.72

25.29

16.25

9.841

10.181 3

2.527 6

0.946 9

6.226

相对误差/%

-0.12

-0.41

0.32

0.35

0.25

0.34

0.65

0.34

标准值测量值

159.2

79.58

39.55

19.89

15.92

12.73

9.947

7.798

相对误差/%

-0.13

-0.38

0.35

0.40

0.24

0.33

0.66

0.34

标准值

9.999 9

9.939 8

9.999 9

9.999 1

9.799 1

99.839

99.857

表1　原理样机振动参数测量结果

peak

/ (m·s

-2

)

测量值

9.988 8

9.962 8

10.036 3

10.022 1

9.832 1

99.785

9.946

9.983 3

9.974 9

相对误差/%

-0.11

-0.41

0.35

0.36

0.23

0.34

0.65

0.32

10.003 8

10.000 4

-0.16

-0.55

-0.19

-0.53

-0.17

-0.5410.000 4

-0.07

31.78

15.89

11.86

31.99

15.88

11.90

-0.06

100.486

149.51149.03

-0.07

·62·

新技术新仪器2023年第43卷第2期

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图9　原理样机测量误差曲线

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Fig.9　Measurement error curve of prototype

（in Chinese）

& Measurement Technology， 2015， 35（5）： 28-30， 51.

4　结论

采用1 550 nm通信波段成熟的光纤元器件搭

建了一套结构简单、成本低、使用方便的全光纤

激光测振系统，该系统的光路部分采用外差式马

赫-泽德干涉仪结构，解调部分采用相位解调算法

对运动目标的振动参数进行解调，得到振动位移、

速度和加速度信息。利用振动标准装置对1 550 nm

全光纤激光多普勒测振系统的实际性能进行了测

试，实验结果表明在10 Hz ~ 2 kHz的中低频低g值

振动范围内，该系统的测量误差在-0.6% ~ 0.7%

范围内，具有较高的测量准确性。另外，对于大

于2 kHz的高频亚微米微振动，该套测振系统也具

备测试能力。通过对算法进行针对性修改优化，

该套系统还可应用于高冲击加速度测量。

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sation scheme for fiber⁃optic interferometric vibration de⁃

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modulation［J］. IEEE Sensors Journal， 2017， 17（22）：

（本文编辑：刘圣晨）

第一作者：丁宇洁（1990-），男，工

程师，主要研究方向为光学计量与测

试技术。近5年负责装备技术基础项

目2项，作为主要参加人参加的技术

基础项目2项，参与军民融合项

目1项。