一种低成本测振系统及方法

技术领域

本发明涉及光电通信技术领域，特别是一种低成本测振系统及方法。

背景技术

随着产业、技术的不断发展迭代，振动测量在现今的科学研究和工业生产中占据的地位愈发重要，其中，振动测量可分为接触式与非接触式检测两大类，与接触式检测相比，非接触式检测灵活度更高，操作更便捷，并且不会影响原振动状态，测量结果更准确，因此是振动测量传感器未来发展的一个重要方向。目前，较为成熟的非接触振动测量技术大多采用激光相干多普勒测量技术，根据是否存在稳定的频差，该测振技术可分为外差式结构和零差式结构。与外差式测振系统相比，零差式测振系统成本相对低廉，控制电路简单，并且利用硅光技术可集成到光子芯片上，具有大规模应用的潜力。

零差激光测振的本质是激光相干检测，根据相关研究表明，相干测量系统的信噪比与激光器线宽息息相关，激光器的线宽又直接影响激光器的相干性；线宽越窄，相干性越好；因此，为了保证系统的高信噪比与振动测量的准确性，零差激光测振系统都选用窄线宽，高相干性激光器。现有的激光多普勒振动检测设备在测量较远距离或者达到较高精度测量时，往往均需要使用窄线宽激光器，提高系统的相干距离，降低相位噪声。

然而窄线宽激光器相对普通线宽激光器的成本都比较昂贵，不仅大大增加了整个系统的成本，同时也限制了激光器的应用场景。

为解决上述问题，本发明提出一种低成本测振系统及方法，通过片上分束器对激光器输入的激光进行直接分束，集成度更高，无需光纤等其它额外器件更利于封装，成本较低，且有利于整个系统的体积小型化；通过算法优势，解决对窄线宽激光器光源需求的问题，采用普通低成本激光器即可达到精确测量振动的技术效果，进一步降低成本和体积。

发明内容

针对上述问题，提供一种低成本测振系统及方法，包括激光器、集成光学芯片、发射透镜和数据处理模块；所述集成光学芯片包括耦合器一、分束器、延时线、相移器、混频器、合束器和耦合器二。通过片上分束器对激光器输入的激光进行直接分束，集成度更高，无需光纤等其它额外器件更利于封装，成本较低，且有利于整个系统的体积小型化；通过算法优势，解决对高精度非接触式测振时窄线宽激光器的需求限制，达到进一步降低系统体积和成本的技术效果。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是。

一种低成本测振系统，包括激光器、集成光学芯片、发射透镜和数据处理模块；所述集成光学芯片包括耦合器一、分束器、延时线、相移器、混频器、合束器和耦合器二。

所述激光器发射激光通过耦合器一耦合至集成光学芯片内部，经分束器分束后形成参考光和信号光，所述参考光经延时线输入混频器的一个端口；所述信号光依次经过相移器、合束器、耦合器二输出至集成光学芯片外，并通过发射透镜发射至待测物体表面，经待测物体表面反射后形成含振动信号的光，并依次通过发射透镜、耦合器二、合束器后进入混频器的另一个端口，经处理后输出正交信号IQ两路信号，并经数据处理模块解调出振动物体表面的振动信息。

优选的，所述耦合器一和耦合器二优选为模斑转换器。

优选的，所述所述分束器和合束器可以使Y波导结构或多模干涉仪结构或定向耦合器。

优选的，所述所述混频器为90度光学混频器。

优选的，所述激光器与耦合器一采用光纤或自由空间耦合连接。

优选的，所述延时线采用片上延时波导结构或光纤。

优选的，所述信号光经系统出射到达振动物体表面并返回探测系统内经过的延时为：2d/c，其中d为振动物体表面距离测振系统的距离，c为光的传播速度。

优选的，所述延时线引起的参考光延时时间为：nl/c，其中，延时线的有效折射率为n，长度为l，c为光的传播速度。

优选的，所述激光器输出光场可以表示为：

优选的，所述混频器输出IQ路信号分别为

其中，

优选的，从

优选的，所述数据处理模块对所述混频器输出的正交信号IQ两路信号进行解调，从而获取振动物体表面的振动信息。

优选的，一种低成本测振系统的低成本测振方法，其特征在于步骤为。

S1：激光器生成测量激光光束，经耦合器一耦合至集成光学芯片内部。

S2：所述光束经分束器后分束为参考光和信号光，所述参考光经过延时线延时后输入混频器的一个端口。

S3：所述信号光经相移器调制后分别经过合束器、耦合器二输出至集成光学芯片外，经发射透镜后到达振动物体表面，被振动物体反射回发射透镜后，经耦合器二耦合至集成光学芯片内部，并经过合束器后到达混频器的另一个端口。

S4：进入混频器的所述参考光和所述信号光在混频器内部进行混频，并输出正交信号IQ两路信号。

S5：所述数据处理模块接收所述正交信号IQ两路信号并经过信号放大后，将电流 信号转化为电压信号，再经过ADC采样转化为数字信号进行处理，并通过对正交信号IQ两路 信号的解调得到振动物体表面的振动信息：

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果。

1.本发明通过通过片上分束器对激光器输入的激光进行直接分束，集成度更高，无需光纤等其它额外器件更利于封装，成本较低，且达到有利于整个系统的体积小型化的技术效果。

2.本发明具有显著的算法优势，解决对高精度非接触式测振时窄线宽激光器的需求限制，在拥有同等或更高测量精度的同时，达到进一步降低系统体积和成本的技术效果。

附图说明

以下对本发明优选实施例的制作和应用进行详细讨论。但应理解的是，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以体现在各种特定的环境中。所讨论的具体实施例仅是为了说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本测振系统的结构示意图。

图2是集成光学芯片的结构示意图。

附图中，1-激光器、2-集成光学芯片、21-耦合器一、22-分束器、23-延时线、24-相移器、25-混频器、26-合束器、27-耦合器二、3-发射透镜、4-数据处理模块

具体实施方式

以下对本发明优选实施例的制作和应用进行详细讨论。但应理解的是，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以体现在各种特定的环境中。所讨论的具体实施例仅是为了说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。

实施例1：

如图1所述的一种低成本测振系统，包括激光器1、集成光学芯片2、发射透镜3和数据处理模块4。如图2所示，所述集成光学芯片包括耦合器一21、分束器22、延时线23、相移器24、混频器25、合束器26和耦合器二27，所述激光器发射激光通过耦合器一21耦合至集成光学芯片2内部，经分束器22分束后形成参考光和信号光，所述参考光经延时线23输入混频器25的一个端口；所述信号光依次经过相移器24、合束器26、耦合器二27输出至集成光学芯片2外，并通过发射透镜发射3至待测物体表面，经待测物体表面反射后形成含振动信号的光，并依次通过发射透镜3、耦合器二27、合束器26后进入混频器25的另一个端口，经处理后输出正交信号IQ两路信号，并经数据处理模块4解调出振动物体表面的振动信息。

所述耦合器一21和耦合器二27优选为模斑转换器；所述分束器22和合束器26可以使Y波导结构或多模干涉仪结构或定向耦合器；所述混频器25为90度光学混频器；所述延时线23采用片上延时波导结构或光纤；所述其他各器件之间的连接均通过波导依次连接。

所述激光器1与耦合器一21相连，可以通过光纤连接也可以通过自由空间耦合连接；所述发射透镜3是用来收集外界振动面反射的光并通过耦合器二27耦合至芯片内，所述光束经过合束器26后分束，其中一路输入至混频器25内；激光器1输出的光经过耦合器一21耦合至芯片内，并经过分束器22分束后形成信号光和第参考光，其中参考光经过延时线23输入至混频器25；所述信号光经过相移器24、合束器26和耦合器二27后，在经过发射透镜3输出系统外部达到振动物体表面。

假设振动物体表面距离探测系统为d，则信号光经系统出射到达振动物体表面并返回探测系统内经过的延时为：2d/c；同样的，延时线23的有效折射率为n，长度为l，则延时线23引起的参考光延时时间为：nl/c。

激光器1输出光场可以表示为：

可以得到混频器25输出IQ路信号分别为：

其中，

需要说明的是，

从

此外，所述数据处理模块4接收所述正交信号IQ两路信号并经过信号放大后，将电流信号转化为电压信号，再经过ADC采样转化为数字信号进行处理，并通过对正交信号IQ两路信号的解调，最终获取振动物体表面的振动信息。

实施例2：

一种低成本测振系统的低成本测振方法，其特征在于步骤为。

S1：激光器1生成测量激光光束，经耦合器一21耦合至集成光学芯片2内部。

S2：所述光束经分束器22后分束为参考光和信号光，所述参考光经过延时线23延时后输入混频器25的一个端口。

S3：所述信号光经相移器24调制后分别经过合束器26、耦合器二27输出至集成光学芯片2外，经发射透镜3后到达振动物体表面，被振动物体反射回发射透镜3后，经耦合器二27耦合至集成光学芯片2内部，并经过合束器26后到达混频器25的另一个端口。

S4：进入混频器25的所述参考光和所述信号光在混频器25内部进行混频，并输出正交信号IQ两路信号。

S5：所述数据处理模块4接收所述正交信号IQ两路信号并经过信号放大后，将电流 信号转化为电压信号，再经过ADC采样转化为数字信号进行处理，并通过对正交信号IQ两路 信号的解调得到振动物体表面的振动信息：

尽管说明书已经作了详细描述，但是应该理解的是，在不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出多种改变、替换和变更。此外，所描述的具体实施例并不用于限定本发明的范围，本领域普通技术人员基于本发明能够容易理解，当前存在的或以后待开发的处理、机器、制造、物质组成、手段、方法、或者步骤可执行与本发明实施例实质相同的功能或获得实质相同的结果。因此，所附权利要求旨在将此类过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在其范围内。