沈杨翊; 戴玉; 孔新新; 赵思泽鹏; 张文喜

doi:10.7498/aps.74.20240682

摘要

激光外差干涉测量是非接触振动探测的重要手段, 随着探测目标距离拓展, 人们对激光测振仪能量利用率和测量分辨力提出了更高的要求. 基于菲涅耳衍射积分、光纤耦合等相关理论, 建立了收发一体式光纤激光测振仪光场传递模型, 并基于散粒噪声受限假设, 提出粗糙目标回光情况仪器噪声基底评价方法. 结果表明, 收发望远镜焦距和口径共同决定系统能量利用率分布情况, 并进一步影响仪器测量分辨力. 针对激光波长为1550 nm, 光纤模场半径为5 μm, 对准距离为1 km的典型应用场景进行数值仿真实验, 收发透镜最优F数为3.3, 验证了模型的正确性, 仿真结果可作为光纤激光测振仪、激光测风雷达等收发镜头设计的依据.

关键词:

Abstract

In a laser Doppler vibrometer (LDV), the laser Doppler effect is used to real-time acquire target displacement, velocity, and acceleration. Fiber optic laser vibrometers have received widespread attention in recent years due to their strong environmental adaptability and high integration advantages. With the expansion of detection target distance, higher requirements have been put forward for the measurement resolution of laser vibrometers. The LDV system typically employs a transceiver integrated telescope structure for laser emission and target return light reception. The aperture and focal length of the transceiver telescope determine its basic structure, directly affecting the emission and reception efficiency of laser energy. Additionally, the speckle effect generated by the scattering of rough targets affects the coupling of light energy entering the fiber optic for interference, thereby influencing the LDV measurement resolution.Based on relevant theories such as Gaussian beam waist transmission, rough target generation, Fresnel diffraction integration, and fiber optic coupling, a transceiver integrated fiber optic laser vibrometer optical field transmission model is established. Numerical simulation and analysis of the emission transmission process of ideal Gaussian laser and the coupling process of surface target echo reception are conducted. Based on the assumption of laser vibrometer speckle noise limitation, an evaluation scheme for the instrument’s noise baseline under rough target return light conditions is proposed. Numerical simulation experiments are conducted for a typical fiber LDV application scenario with an alignment distance of 1 km, a single-mode fiber mode field radius of 5 μm, and a laser wavelength of 1550 nm. The results indicate that the focal length and aperture of the transceiver telescope determine the distribution of system energy utilization and further affect the instrument’s noise baseline. Simulation results show that when the F-number of the transceiver lens reaches 3.3, LDV achieves the highest system energy utilization at this focal length, verifying the correctness of the simulation model. The simulation results can serve as a basis for the design of transceiver lenses for fiber optic laser vibrometers, laser anemometers, and other devices.

Keywords:

作者及机构信息

1.

2.

通信作者: 张文喜, zhangwenxi@aoe.ac.cn

基金项目: 国家重点研究发展计划(批准号: 2022YFF0706300)资助的课题.

Authors and contacts

1.

2.

Corresponding author: ZHANG Wenxi, zhangwenxi@aoe.ac.cn

Funds: Project supported by the National Key Research and Development Program of China (Grant No. 2022YFF0706300).

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施引文献

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状态/过程	光场分布表示	理论基础	近似条件
A	$ {U_{{\text{A, TX}}}}(x, y) $	单模光纤光场分布理论	光纤高斯光场分布假设
A→B	$ {U_{{\text{B, TX}}}}(x, y) $	高斯光束自由空间传输理论	傍轴近似
B→C	$ {U_{{\text{C, TX}}}}(x, y) $	透镜相位调制理论	理想薄透镜假设理想圆孔硬边光阑假设
C→D	$ {U_{{\text{D, TX}}}}(\xi , \eta ) $	菲涅耳衍射积分理论	傍轴近似

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状态/过程	光场分布表示	理论基础	近似条件
D	$ {U_{{\text{D, RX}}}}(x, y) $	Johnson转化系统理论	粗糙表面平稳随机过程假设
D→C	$ {U_{{\text{C, RX}}}}(x, y) $	菲涅耳衍射积分理论	傍轴近似
C→B	$ {U_{{\text{B, RX}}}}(x, y) $	透镜相位调制理论	理想薄透镜假设理想圆孔硬边光阑假设
B→A	$ {U_{{\text{A, RX}}}}(x, y) $	菲涅耳衍射积分理论	傍轴近似
光纤耦合	—	光纤耦合理论	—

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收发透镜焦距	镜面目标		粗糙目标
收发透镜焦距	口径/mm	F数	口径/mm	F 数
400 mm	105	3.81	120	3.33
500 mm	130	3.84	155	3.22
600 mm	155	3.87	185	3.24
700 mm	180	3.89	210	3.33

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[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]

[1]	杨春林. 散斑场的随机波数及其参量非线性效应. 必威体育下载 , 2024, 73(2): 024204. doi: 10.7498/aps.73.20231235
[2]	段磊, 徐润亲, 宋云波, 谭姝丹, 梁成斌, 徐帆江, 刘朝晖. 基于目标反射回光对高功率光纤激光器影响的理论模型和数值研究. 必威体育下载 , 2023, 72(10): 104203. doi: 10.7498/aps.72.20222464
[3]	孙雪莹, 刘飞, 段景博, 牛耕田, 邵晓鹏. 基于散斑光场偏振共模抑制性的宽谱散射成像技术. 必威体育下载 , 2021, 70(22): 224203. doi: 10.7498/aps.70.20210703
[4]	尚向军, 李叔伦, 马奔, 陈瑶, 何小武, 倪海桥, 牛智川. 量子点单光子源的光纤耦合. 必威体育下载 , 2021, 70(8): 087801. doi: 10.7498/aps.70.20201605
[5]	尹君, 王少飞, 张俊杰, 谢佳谌, 陈宏宇, 贾源, 胡徐锦, 于凌尧. 基于动态散斑照明的宽场荧光显微技术理论研究. 必威体育下载 , 2021, 70(23): 238701. doi: 10.7498/aps.70.20211022
[6]	胡耀华, 刘艳, 穆鸽, 秦齐, 谭中伟, 王目光, 延凤平. 基于多模光纤散斑的压缩感知在光学图像加密中的应用. 必威体育下载 , 2020, 69(3): 034203. doi: 10.7498/aps.69.20191143
[7]	孔新新, 张文喜, 才啟胜, 伍洲, 戴玉, 相里斌. 基于多光束混合外差干涉的相位增强技术研究. 必威体育下载 , 2020, 69(19): 190601. doi: 10.7498/aps.69.20200281
[8]	程志远, 李治国, 折文集, 夏爱利. 激光相干场成像散斑噪声复合去噪方法. 必威体育下载 , 2019, 68(5): 054206. doi: 10.7498/aps.68.20181578
[9]	杨春林. 等离子体中散斑光场的传输特性. 必威体育下载 , 2018, 67(8): 085201. doi: 10.7498/aps.67.20171795
[10]	陈明徕, 罗秀娟, 张羽, 兰富洋, 刘辉, 曹蓓, 夏爱利. 基于全相位谱分析的剪切光束成像目标重构. 必威体育下载 , 2017, 66(2): 024203. doi: 10.7498/aps.66.024203
[11]	宋洪胜, 刘桂媛, 张宁玉, 庄桥, 程传福. 大散射角散斑场中有关相位奇异新特性的研究. 必威体育下载 , 2015, 64(8): 084210. doi: 10.7498/aps.64.084210
[12]	宋洪胜, 庄桥, 刘桂媛, 秦希峰, 程传福. 菲涅耳深区散斑强度统计特性及演化. 必威体育下载 , 2014, 63(9): 094201. doi: 10.7498/aps.63.094201
[13]	王峰, 彭晓世, 梅鲁生, 刘慎业, 蒋小华, 丁永坤. 基于速度干涉仪的冲击波精密调速实验技术研究. 必威体育下载 , 2012, 61(13): 135201. doi: 10.7498/aps.61.135201
[14]	常宏, 杨福桂, 董磊, 王安廷, 谢建平, 明海. 激光光斑形状和尺寸对扫描显示中散斑对比度的影响. 必威体育下载 , 2010, 59(7): 4634-4639. doi: 10.7498/aps.59.4634
[15]	宋洪胜, 程传福, 滕树云, 刘曼, 刘桂媛, 张宁玉. 参考光干涉提取复振幅的散斑统计函数的实验研究. 必威体育下载 , 2009, 58(11): 7654-7661. doi: 10.7498/aps.58.7654
[16]	宋洪胜, 程传福, 刘曼, 滕树云, 张宁玉. 散斑场相位涡旋及其传播特性的实验研究. 必威体育下载 , 2009, 58(6): 3887-3896. doi: 10.7498/aps.58.3887
[17]	于海鹰, 崔碧峰, 陈依新, 邹德恕, 刘莹, 沈光地. 一种与光纤高效耦合的新型大光腔大功率半导体激光器. 必威体育下载 , 2007, 56(7): 3945-3949. doi: 10.7498/aps.56.3945
[18]	郭冠军, 邵芸. 激光散斑效应对激光雷达探测性能的影响. 必威体育下载 , 2004, 53(7): 2089-2093. doi: 10.7498/aps.53.2089
[19]	程传福, 亓东平, 刘德丽, 滕树云. 高斯相关随机表面及其光散射散斑场的模拟产生和光强概率分析. 必威体育下载 , 1999, 48(9): 1635-1643. doi: 10.7498/aps.48.1635
[20]	王迺权, 张洪钧, 鄂云. 偏振激光散斑的积分光强的统计特性. 必威体育下载 , 1983, 32(1): 124-132. doi: 10.7498/aps.32.124

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