本發(fā)明屬于激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種測量光纖激光器調(diào)頻器件形變及頻響特性的裝置。

背景技術(shù)：

在合成孔徑激光雷達(dá)中，為了實(shí)現(xiàn)高分辨率，要求信號具有大的頻率帶寬，為了更加方便的探測目標(biāo)，要求信號具有大的時寬，從而確保探測信號的能量強(qiáng)度，綜合兩者，這就要求信號脈沖同時滿足時寬和帶寬的要求，即具有大的時寬帶寬積。對于這一問題，可以通過調(diào)頻來實(shí)現(xiàn)，線性調(diào)頻可使輻射信號源在發(fā)射端具有大的時寬，同時在接收端通過脈沖壓縮獲得大的帶寬，這就使得線性調(diào)頻可以滿足信號大的時寬帶寬積的要求。在當(dāng)前單頻可調(diào)諧激光技術(shù)研究領(lǐng)域，全光纖激光器調(diào)諧已成為合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)中光源的重要選擇而受到越來越多的國內(nèi)外研究人員的重視。全光纖激光器由于增益帶寬很大，可以通過可調(diào)諧元件實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧，光纖光柵作為調(diào)諧裝置被廣泛應(yīng)用于光纖激光器的頻率調(diào)制，其調(diào)諧原理是光柵光纖可感應(yīng)應(yīng)力和溫度的變化，這使得壓電陶瓷調(diào)制成為了主要的調(diào)制方法，但該方法調(diào)試的前提是對壓電陶瓷形變特性的測量與控制，這就使得對壓電陶瓷的形變特性的研究顯得尤為重要。壓電陶瓷是激光器調(diào)諧過程中廣泛使用的調(diào)諧原件，由于其在不同電壓驅(qū)動條件下形變和頻率響應(yīng)，連接于其上的激光器腔鏡，光纖光柵等可調(diào)諧濾波器件參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的改變，實(shí)現(xiàn)對激光器的調(diào)諧，可見壓電陶瓷的形變和頻率響應(yīng)在激光器調(diào)諧過程中起著決定性作用，所以應(yīng)對壓電陶瓷的形變和頻率響應(yīng)特性做出精準(zhǔn)測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種測量光纖激光器調(diào)頻器件形變及頻響特性的裝置，旨在解決現(xiàn)有的壓電陶瓷的形變和頻率響應(yīng)特性測量準(zhǔn)確度較低的問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種測量光纖激光器調(diào)頻器件形變及頻響特性的方法，所述測量光纖激光器調(diào)頻器件形變及頻響特性的方法包括：

光纖激光器將激光信號傳入光纖耦合器，第一傳輸光纖接入光纖耦合器，光纖耦合器將第一傳輸光纖內(nèi)的激光耦合進(jìn)兩臂等長的第二傳輸光纖和第三傳輸光纖，驅(qū)動電壓源以低頻升鋸齒波驅(qū)動壓電陶瓷環(huán)使半徑發(fā)生變化，改變第二傳輸光纖的長度，使等長的第二傳輸光纖與第三傳輸光纖內(nèi)的光路出現(xiàn)光程差，形成干涉條件；在低頻升鋸齒的驅(qū)動下，壓電陶瓷管由于逆壓電效應(yīng)直徑開始改變，也就是周長發(fā)生改變，由于光纖通過環(huán)氧樹脂粘合在壓電陶瓷表面，該路光纖的長度也就發(fā)生改變，使得兩路光信號之間所通過的光路的長度出現(xiàn)差異，在光電探測器的光敏面上將發(fā)生干涉。

在第三傳輸光纖上接入聲光調(diào)制器，聲光調(diào)制器驅(qū)動電源發(fā)出一個調(diào)制信號控制聲光調(diào)制器，使第三傳輸光纖上的信號頻率增加一個調(diào)制頻率；

將第二傳輸光纖和第三傳輸光纖經(jīng)第二光纖耦合器耦合進(jìn)第四傳輸光纖，第四傳輸光纖內(nèi)的信號在光電探測器光敏面上發(fā)生干涉，光電探測響應(yīng)出干涉信號的差頻分量，并將其轉(zhuǎn)化為電信號傳入第五傳輸光纖；

第五傳輸光纖將電信號傳入解調(diào)器，在光電探測器的探測面上，兩路光信號經(jīng)光纖耦合器耦合后，在光電探測器的探測面上發(fā)生干涉，即發(fā)生混頻，而由于探測器頻率響應(yīng)的閾值，基頻和和頻分量光電探測器都無法響應(yīng)，只有差頻分量光電探測器可以響應(yīng)，光電探測器并將差頻干涉信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。解調(diào)器在聲光調(diào)制器驅(qū)動電源所發(fā)出的調(diào)制頻率處解調(diào)出目標(biāo)信號。解調(diào)即接入一個中心頻率為聲光調(diào)制器調(diào)制頻率的帶通濾波器，該頻率就為兩路干涉信號頻率的差頻，也就是光電探測器上所響應(yīng)得到的信號所在的頻率，通過帶通濾波器的檢波，將光電探測器的電信號檢出。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述測量光纖激光器調(diào)頻器件形變及頻響特性方法的裝置，所述裝置設(shè)置有光纖激光器；

所述光纖激光器通過第一傳輸光纖連接光纖耦合器，第一光纖耦合器通過第二傳輸光纖連接第二光纖耦合器，第二傳輸光纖纏繞在壓電陶瓷環(huán)上，壓電陶瓷環(huán)與驅(qū)動電壓源連接；

所述第一光纖耦合器通過第三傳輸光纖與聲光調(diào)制器連接，聲光調(diào)制器與聲光調(diào)制器驅(qū)動電源連接，聲光調(diào)制器通過第三傳輸光纖與第二光纖耦合器連接；

所述第二光纖耦合器通過第四傳輸光纖與光電探測器連接，光電探測器通過第五傳輸光纖與解調(diào)器連接。

進(jìn)一步，所述第二傳輸光纖通過環(huán)氧樹脂緊密纏繞在壓電陶瓷環(huán)上。

本發(fā)明提供的測量光纖激光器調(diào)頻器件形變及頻響特性的裝置，利用聲光調(diào)制器將目標(biāo)信號加載在了載波之上，實(shí)現(xiàn)了外差探測，避免了基頻的噪聲干擾，信噪比不發(fā)生改變。通過解調(diào)器的解調(diào)，只有差頻分量的信號可以被濾出，有效地去除雜光的干擾；在探測的靈明度和選擇性這兩個關(guān)鍵指標(biāo)上，該裝置性能都十分優(yōu)良，極大地減少了噪聲的干擾，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)測量。利用雙光纖外差干涉測量壓電陶瓷微位移和頻率響應(yīng)特性的裝置，與實(shí)際的相對誤差在0.5％以下，在100Hz左右的低頻電壓驅(qū)動下，壓電陶瓷線性響應(yīng)度良好，高頻電壓下驅(qū)動下，由于壓電陶瓷為容性負(fù)載，頻率響應(yīng)的線性度變差。相較于零差法的測量，極大地避免了零頻噪聲的干擾。靈敏度可達(dá)10⁷～10⁸，穩(wěn)定性和可靠性高。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)勢如下：

1.本發(fā)明將光纖特性應(yīng)用于微位移和頻響的測量，相較于各種電學(xué)測量器件，具有很高的測量精度和很強(qiáng)的可靠性。

2.本發(fā)明采用雙光纖外差干涉的測量方法，相較于零差探測有高靈敏度，低噪聲干擾，信號信噪比不損失，穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

3.本發(fā)明操作簡單，測量方便快捷，通過探測器上的干涉光強(qiáng)分布可以快速準(zhǔn)確的得到壓電陶瓷的位移和頻響特性，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性，應(yīng)用前景巨大。所述裝置將激光光路分為等長的參考光路和探測光路兩路，進(jìn)行外差干涉探測，提高了探測的靈敏度和精度。

4.本發(fā)明光纖通過聲光調(diào)制器使其頻率發(fā)生微小改變，使其信號加載在調(diào)頻光路上，避免了大量的零頻噪聲的干擾。

5.本發(fā)明干涉信號需經(jīng)解調(diào)器解調(diào)，在聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率處解調(diào)出兩路光纖激光的干涉信號。

6.本發(fā)明在低頻電壓驅(qū)動下，探測器所探測的干涉光強(qiáng)與壓電陶瓷的微位移是線性關(guān)系，高頻電壓驅(qū)動下，此線性響應(yīng)將變差，第二傳輸光纖所纏繞的環(huán)數(shù)即為對壓電陶瓷環(huán)6周長變化的放大倍數(shù)，根據(jù)壓電陶瓷環(huán)6的大小，應(yīng)盡可能多的纏繞以增大環(huán)數(shù)，從而提高放大倍數(shù)，提升測量精度。

7.可以精準(zhǔn)有效的測量出壓電陶瓷的微位移和頻率響應(yīng)特性，相較于直接探測和零差探測具有更高的測量精度，靈敏度，可靠性和穩(wěn)定性，大幅度的降低了噪聲干擾，提升了信噪比，實(shí)現(xiàn)了對壓電陶瓷微位移和頻響高效精準(zhǔn)的測量。與理論值的相對誤差在0.5％以下，靈敏度可達(dá)10⁷～10⁸。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的測量光纖激光器調(diào)頻器件形變及頻響特性的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1、光纖激光器；2、第一傳輸光纖；3、第一光纖耦合器；4、第二傳輸光纖；5、驅(qū)動電壓源；6、壓電陶瓷環(huán)；7、第三傳輸光纖；8、聲光調(diào)制器；9、聲光調(diào)制器驅(qū)動電源；10、第二光纖耦合器；11、第四傳輸光纖；12、光電探測器；13、第五傳輸光纖；14、解調(diào)器。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖伸長與探測器光強(qiáng)變換示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的測量光纖激光器調(diào)頻器件形變及頻響特性的裝置主要包括：光纖激光器1、第一傳輸光纖2、第一光纖耦合器3、第二傳輸光纖4、驅(qū)動電壓源5、壓電陶瓷環(huán)6、第三傳輸光纖7、聲光調(diào)制器8、聲光調(diào)制器驅(qū)動電源9、第二光纖耦合器10、第四傳輸光纖11、光電探測器12、第五傳輸光纖13、解調(diào)器14。

光纖激光器1將激光信號傳入第一光纖耦合器3，第一傳輸光纖2接入第一光纖耦合器3，第一光纖耦合器3將第一傳輸光纖2內(nèi)的激光耦合進(jìn)兩臂等長的第二傳輸光纖4和第三傳輸光纖7，第二傳輸光纖4通過環(huán)氧樹脂緊密纏繞在壓電陶瓷環(huán)6上，驅(qū)動電壓源5以低頻升鋸齒波驅(qū)動壓電陶瓷環(huán)使其半徑發(fā)生變化，從而改變第二傳輸光纖4的長度，使原本等長的第二傳輸光纖4與第三傳輸光纖7內(nèi)的光路出現(xiàn)光程差，形成干涉條件，在第三傳輸光纖7上接入一個聲光調(diào)制器8，聲光調(diào)制器驅(qū)動電源9發(fā)出一個調(diào)制信號控制聲光調(diào)制器8，使第三傳輸光纖7上的信號頻率增加一個調(diào)制頻率，再將第二傳輸光纖4和7經(jīng)第二光纖耦合器10耦合進(jìn)第四傳輸光纖11，第四傳輸光纖11內(nèi)的信號在光電探測器12的光敏面上發(fā)生干涉，光電探測器12響應(yīng)出干涉信號的差頻分量，并將差頻干涉信號轉(zhuǎn)換為電信號傳入第五傳輸光纖13，第五傳輸光纖13將電信號傳入解調(diào)器14，解調(diào)器14在聲光調(diào)制器驅(qū)動電源9的頻率處解調(diào)出目標(biāo)信號，光電探測器12光敏面上的干涉光強(qiáng)與第二傳輸光纖4長度變化的關(guān)系如圖2所示。

光纖激光器1的激光信號經(jīng)第一光纖耦合器3耦合進(jìn)等長的光纖臂第二傳輸光纖4與第三傳輸光纖7，其中第三傳輸光纖7的激光信號經(jīng)過聲光調(diào)制器驅(qū)動電源9對聲光調(diào)制器8進(jìn)行了調(diào)頻，使兩個等長的光纖臂中的信號產(chǎn)生差頻，實(shí)現(xiàn)了外差探測。

第二傳輸光纖4通過環(huán)氧樹脂緊密纏繞在壓電陶瓷環(huán)6，第二傳輸光纖4所纏繞的環(huán)數(shù)即為對壓電陶瓷環(huán)6周長變化的放大倍數(shù)，根據(jù)壓電陶瓷環(huán)6的大小，應(yīng)盡可能多的纏繞以增大環(huán)數(shù)，從而提高放大倍數(shù)，提升測量精度。

聲光調(diào)制器驅(qū)動電源9所產(chǎn)生的調(diào)制頻率一般為80MHz或110MHz，解調(diào)器12在該調(diào)制頻率處解調(diào)出兩個光纖臂的干涉信號。

光電探測器12上干涉光強(qiáng)在驅(qū)動電壓源5的一個升鋸齒波的周期內(nèi)的一個正弦曲線對應(yīng)于壓電陶瓷環(huán)6改變一個光纖激光器1一個波長的長度，通過測量一個周期內(nèi)正弦曲線的周期數(shù)(不一定為整數(shù))，就可得到壓電陶瓷環(huán)6的周長改變量。光電探測器12上的干涉光強(qiáng)的正弦曲線是壓電陶瓷環(huán)6驅(qū)動電壓的線性響應(yīng)。非正弦曲線部分是壓電陶瓷環(huán)6驅(qū)動電壓的非線性響應(yīng)。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步的描述。

如圖1所示，激光器發(fā)出的激光由耦合器耦合進(jìn)兩束等長的光纖臂中，其中一臂光纖緊密的纏繞在壓電陶瓷環(huán)上，在無應(yīng)力狀態(tài)，無初始形變的前提下，當(dāng)壓電陶瓷上的電壓緩慢增加，即驅(qū)動鋸齒波電壓頻率較低時，壓電陶瓷管的形變，即壓電陶瓷環(huán)的周長的變化為：

l₀＝2π×d₃₃×V (1)

式中d₃₃為壓電陶瓷的逆壓電系數(shù)，V為驅(qū)動電壓，此時緊密纏繞在壓電陶瓷環(huán)上的光纖長度的變化與壓電陶瓷環(huán)周長的變化的關(guān)系為：

△L_(ν)＝n×l₀ (2)式中n為壓電陶瓷上所纏繞光纖的匝數(shù)，因此有：

△L_(ν)＝n×2π×d₃₃×V (3)

在激光頻率方面，激光器輸出的光場表示為：

式中E為激光電場分量的幅值，ν₀為激光光源的頻率，為激光的初始相位，纏繞壓電陶瓷的這一臂光纖的光場表示為：

式中E₁為激光電場分量的幅值，表示該臂激光的固有相位，在另一臂光纖中接入一個聲光調(diào)制器，在聲光調(diào)制器上加載一個頻率為f的調(diào)制信號，則這一臂光纖的光場表示為：

式中E₂為激光電場分量的幅值，表示該臂激光的固有相位，將兩束光耦合后傳入光電探測器，光電探測器由于頻率響應(yīng)的閾值只能響應(yīng)干涉信號的差頻分量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)解調(diào)器在聲光調(diào)制器驅(qū)動電壓的頻率處解調(diào)得到干涉光強(qiáng)為：

式中I₀為一常數(shù)，為兩干涉臂的相位差，而：

式中k為激光波矢大小，綜合(7)式和(8)式有：

由該式可知，壓電陶瓷在電壓V的驅(qū)動下使光纖臂長度改變一個波長時，余弦函數(shù)的相位改變量為2π，探測器上的光強(qiáng)變化為一個正弦曲線，如圖2所示，其中λ為激光的波長。其干涉光強(qiáng)與第二傳輸光纖4長度變化的關(guān)系如圖2所示。

計算出圖2中周期數(shù)，其與光纖激光器1的波長的乘積就為第二傳輸光纖4長度的改變量，其與第二傳輸光纖4纏繞在壓電陶瓷環(huán)6上匝數(shù)的比值就是壓電陶瓷環(huán)6周長的改變量，隨著驅(qū)動電壓源所發(fā)出驅(qū)動電壓頻率的升高，圖2中正弦區(qū)域?qū)s小，對比圖2的正弦區(qū)域的變化，就可以得到壓電陶瓷環(huán)6的頻率響應(yīng)特性。

由此可見，本發(fā)明裝置測量壓電陶瓷微位移和頻響特性的靈敏度可達(dá)10⁷～10⁸，整個過程信噪比不增加，有效的抑制了背景噪聲，穩(wěn)定性和可靠性高，相比現(xiàn)有市場產(chǎn)品有很高的實(shí)用價值。

由圖2可知，通過精確測量確定電壓驅(qū)動下該段曲線中正弦函數(shù)的周期數(shù)(不一定是整數(shù))，與波長相乘，可以計算出n匝光纖臂被拉伸的長度△L_(ν)，將△L_(ν)與光纖匝數(shù)n帶入(2)式，即可精確測量此電壓下壓電陶瓷管的形變l₀。

同時，如果探測器上的光強(qiáng)不是正弦變化，則可以說明此時壓電陶瓷的形變和驅(qū)動電壓不是線性關(guān)系，在高頻電壓驅(qū)動下，由于壓電陶瓷是容性負(fù)載，對電壓信號的高頻響應(yīng)變差，因此對驅(qū)動電壓的響應(yīng)波形產(chǎn)生畸變，線性響應(yīng)的正弦周期的區(qū)域?qū)p少，由此可以通過對探測器光強(qiáng)曲線的分析，可以得到壓電陶瓷在驅(qū)動電壓下的頻率響應(yīng)特性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。