光纤多普勒差拍干涉测速技术研究

作     者：王德田 

作者单位：中国工程物理研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：李泽仁

授予年度：2008年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：光学多普勒效应 外差方法 光纤位移干涉仪 可判向光纤位移干涉仪 三端口环形器 3×3光纤耦合器 

摘      要：光纤多普勒差拍干涉测速技术是利用光学多普勒效应和外差方法,由光纤和光纤集成器件组成,测量物体运动速度的技术。与传统的激光多普勒干涉测速技术相比,采用光纤代替自由空间的传播,使装置的结构紧凑、小巧、调试非常简单;采用光通信行业已经发展成熟的器件,使装置的价格非常便宜。光纤多普勒差拍干涉测速技术是2000年随着各种光纤器件的成熟才发展起来的技术,美国、法国和中国都进行了一些研究,并且已经应用于各种爆轰与冲击波实验。 本文结合相关文献报道,从理论和实验上深入研究了光纤多普勒差拍干涉测速的关键技术。搭建并改进了两种不同结构的光纤多普勒测速仪,利用自聚焦棒探头代替了传统的透镜探头,使探头和光纤的耦合更加容易;增加了光纤放大器和滤波器,大大提高了干涉信号的调制深度。针对两种不同结构的光纤多普勒测速仪的信号特点,研究了信号处理方法,分析了这些信号处理方法的优缺点,给出了处理误差。在实验方面,不仅进行爆轰速度的测量,还进行了转速,压电陶瓷振动的测量,扩展了光纤多普勒测速仪的应用。主要研究工作及成果有: 1、介绍了激光多普勒干涉测速的发展过程、现状以及将来的发展方向,分析表明光纤多普勒测速仪有着广阔的应用前景。 2、介绍了光纤多普勒差拍干涉测速技术的原理,利用波动光学理论分析了单模光纤用于光纤多普勒差拍干涉测速的可行性。 3、研究了光纤多普勒测速仪的设计技术,如激光器的选择、干涉条纹的对比度和记录系统带宽的要求等;介绍了各种光纤集成器件的工作原理,利用光通信发展成熟的光纤集成器件搭建并改进了两种不同结构光纤多普勒测速仪:光纤位移干涉仪和可判向光纤位移干涉仪,并分析了光纤多普勒测速仪的性能参数。 4、研究了光纤多普勒测速仪的信号处理方法,针对光纤位移干涉仪的信号特点,研究了各种时频分析方法,如短时傅里叶变换、Wigner-ville分布和小波变换等;针对可判向光纤位移干涉仪的信号特点,研究了利用反正切函数求解相位的方法。 5、分别利用两种不同结构的光纤多普勒测速仪进行了实验研究:利用光纤位移干涉仪进行了转速和爆轰速度的测量,其中测量的爆轰速度达到1300m/s;利用可判向光纤位移干涉仪进行了压电陶瓷振动的测量,获得了较好的实验结果,显示了光纤多普勒测速仪的优越性。另外,也指出了它们各自存在的不足。