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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