[發明專利]一種直接探測型全光纖旋轉多普勒測速儀

有效

• 申請號: 202010740432.1
• 申請日: 2020-07-28
• 公開（公告）號: CN111948421B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 王健;萬鎮宇;張文冠;鄭世杰
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01P3/36
• 分類號: G01P3/36;G02B6/255;G02B6/27
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種直接探測型全光纖旋轉多普勒測速儀，包括：激光器，第一光纖，光纖模式轉換器，第二光纖，探頭，第三光纖和檢測裝置。激光器輸出基模高斯光通過第一光纖輸送到光纖模式轉換器，光纖模式轉換器將基模高斯光轉換為光纖線偏振模式，第二光纖將光纖線偏振模式輸送到探頭，探頭對光纖線偏振模式準直并將其作為探測光垂直照射旋轉待測物體，探頭收集旋轉待測物體散射的信號光并將信號光耦合至第三光纖，第三光纖將信號光輸送到檢測裝置，檢測裝置對信號光進行檢測與信號處理，獲取旋轉待測物體的旋轉速度。本發明突破了自由空間架構的旋轉多普勒測速儀在實用中的諸多限制，在工程測量中具有廣泛的應用前景，填補了相關技術領域的空白。

技術領域

本發明屬于光學測量領域，更具體地，涉及一種直接探測型全光纖旋轉多普勒測速儀。

背景技術

1842年，物理學家多普勒發現波源與觀察者發生相對運動時，波的頻率會發生改變，后人將其總結為多普勒效應。多普勒效應經過百余年的發展已廣泛應用于各個領域，諸如天體物理，醫學檢查，速度測量等。特別地，基于多普勒效應發展起來的激光多普勒測速儀由于其獨特的優勢，成為了工程測量領域不可或缺的設備。其中，直接探測式的激光多普勒測速儀采用的是一種多普勒頻移差分的方法，利用兩高斯光束傾斜干涉產生的光場對平移運動測速。這里，在傾斜干涉光場中，物體運動方向與兩高斯光束的夾角不同，因此產生的多普勒頻移存在差異，從而直接產生拍頻信號用于探測。為了提升測速儀的抗干擾能力與集成度，人們利用光纖器件代替分立的自由空間器件，發展出全光纖多普勒測速儀。目前，全光纖多普勒測速儀的制造與產品已經較為成熟，具有低成本、便攜等優勢，成為許多測量場合的首要選擇。然而，由于原理上的局限，傳統的多普勒測速儀只能通過測量旋轉物體局部的線速度來間接推測物體旋轉速度的大小，這使得傳統技術的適用場景受到了限制。

隨著研究者們對多普勒效應理論的進一步深入，人們基于光的軌道角動量發現并驗證了光的頻率變化可以和旋轉運動聯系起來，即旋轉多普勒效應。軌道角動量是光的一種內稟屬性，表現為光場的坡印廷矢量與光傳播方向存在一定的夾角，且光場的相位波前為螺旋結構。軌道角動量光束與光纖本征模式之間存在緊密的聯系，比如，光纖線偏振模式相當于拓撲荷數相反的軌道角動量光束的相干疊加。對于旋轉多普勒效應而言，多普勒頻移與旋轉運動速度和光與物體相互作用過程中的軌道角動量拓撲荷數改變量有關。因此，當物體在兩個相反拓撲荷數相反的軌道角動量光束的干涉光場，即光纖線偏振模式中旋轉運動時，將產生大小相同符號相反的頻移，從而將直接產生拍頻信號用于檢測。基于此，發展出了直接探測型的旋轉多普勒測速儀，其能夠對旋轉運動物體的角速度進行直接檢測，大大提高了測量效率與精準度。然而，目前已建立的直接探測型旋轉多普勒測速儀均采用自由空間光路結構，由離散的光學元件構成，存在造價高、體積龐大、調試復雜、易受環境影響等問題，在實際工程化測量中存在一定的挑戰。

目前，光纖模式器件的技術與制造已逐漸發展成熟，且造價低廉。一般而言，相比于分立器件的系統，全光纖系統具有更好的抗干擾能力與穩定性，且系統集成度能夠顯著提升。因此，全光纖式的架構為直接探測型旋轉多普勒測速儀所存在的問題提供了很好的解決思路。鑒于此，設計出一種直接探測型全光纖旋轉多普勒測速儀來作為現有架構測速儀的補充與拓展是極其有必要的，且具有廣泛應用前景的。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種直接探測型全光纖旋轉多普勒測速儀，目的在于降低旋轉多普勒測速系統的復雜度，實現結構更加緊湊且適用場景更廣的旋轉測量系統，突破自由空間架構的旋轉多普勒測速儀在實用中的諸多限制，填補相關技術的空白。