[0001] 本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于频率分集的外差干涉测振装置及方法。

[0002] 对于LDV(激光多普勒测振仪)系统中的散斑噪声抑制，通常采用信号分集技术来测量，在LDV系统中，目前适用的分集方法为空间分集与偏振分集。

[0003] 对于空间分集的LDV系统，其通过接收不同角度的漫反射回光信号来实现多通道数据采集，然而，空间分集的LDV系统性能会受到散斑尺寸的影响，为了保证回光信号的强度，该LDV系统通常采用较小直径的聚焦光斑，其尺寸一般在几十微米到几百微米之间，这种小尺寸的聚焦光斑会导致平均散斑尺寸增大，会导致该LDV系统接收到的散斑数目较少且趋向单一化，在这种情况下，LDV每个信道的探测器靶面接收到同一个散斑，从而降低空间分集的效果。

[0004] 对于偏振分集的LDV系统，其通过同时接收回光分量中两个相互正交的偏振光来实现信号分集，相较于空间分集的LDV系统，正交偏振光是独立的，可以克服散斑数目少量化的限制。但是，偏振分集的LDV系统在运作时有且仅有两个接收通道，而空间分集的LDV系统的接收通道不受限制。

[0005] 然而，无论采用哪一种LDV系统，当使用多个激光设备照射被测物时，多个激光漫反射表面，会在观察面形成明暗相间的斑点，多个激光形成多个散斑效应并引起散斑噪声，散斑噪声的主要表现为微弱且不稳定的回光强度与混乱的回光波前相位，而且散斑噪声会导致干涉信号的信噪比降低。

[0030] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0031] 应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

[0032] 还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

[0033] 还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

[0034] 请参阅图1，本发明实施例提供一种基于频率分集的外差干涉测振装置，包括依次光路连接的激光器1、第一光纤分束器2、频率调制组件3、光纤合束器4以及变焦镜头5，第一光纤分束器2用于将激光器1发射的激光分成信号光和参考光，频率调制组件3用于将信号光调制为多个不同频率的激光，光纤合束器4用于将多个不同频率的激光进行合束，变焦镜头5用于将合束后的激光照射至被测物；

[0035] 测振装置还包括探测器6，探测器6用于探测参考光和被测物照射后的回光发生干涉后的信号。

[0036] 本实施例中，结合图1所示，图1中的Signal Beam为信号光，Reference Beam为参考光，Echo为回光，整个光路的传播路径为：激光器1发射激光，并将激光传输至第一光纤分束器2，第一光纤分束器2按预设比例将激光分成信号光和参考光后输出，信号光传输至频率调制组件3，信号光经频率调制组件3调制后变成多个不同频率的激光，通过光纤合束器4将多个不同频率的激光进行合束，合束后的激光透过变焦镜头5照射至被测物并产生回光，回光向探测器6的方向传输，此时，参考光也沿着探测器6的方向传输，参考光与回光在预定位置发生干涉，探测器6检测发射干涉后的信号，得到复合干涉信号，该干涉信号具有多个频率。

[0037] 其中，激光器1为光纤激光器，激光的波长可以为1550nm，使得激光信号可以在长距离传输时保持较好的信号质量和稳定性；第一光纤分束器2具有一个输入端和两个输出端，并设置信号光和参考光的预定比例，使得第一光纤分束器2不同的输出端输出不同含量的参考光和信号光，预定比例可设置为90：10或80：20，只要设置的预定比例保证参考光的含量小于信号光且信号光和参考光之间差值大于或等于30即可；频率调制组件3中可将1束信号光调制为4个不同频率的激光，光纤合束器4将4个不同频率的激光进行合束，合束后的激光为复合激光，具有4个移频(移频指的是多个激光的频率或频率间隔相对于其原始频率的变化或偏移，在激光合束后，复合激光包括多个频率，每个频率相对于激光的原始频率都有一个特定的移动量或偏移量)，再将复合激光通过变焦镜头5照射至被测物产生回光并发生与参考光干涉后，探测器6能够探测到具有多个频率的干涉信号。

[0038] 本实施例通过使用频率调制组件3将信号光调制成多个不同的频率，并将多个频率的激光进行合束，形成复合激光，该复合激光包括多个频率的激光，通过复合激光，多个频率的激光能够同时对被测物进行测量，提高了测量精度，并且，激光在照射被测物并漫反射表面时，由于只有一束复合激光照射，只形成一次散斑效应，降低了散斑噪声的出现，有效避免干涉信号的信噪比降低。

[0039] 具体的，频率调制组件3包括依次光路连接的第一调制组件31、第二调制器32、透镜33、第二分光棱镜34以及两个第二准直组件35，第一调制组件31与第一光纤分束器2的输出端连接，两个第二准直组件35的输入端对应第二分光棱镜34的反射端和透射端，两个第二准直组件35的输出端与光纤合束器4连接；第一调制组件31包括依次光路连接的第一调制器311、第一准直组件312和偏振片313；

[0040] 第一调制器311用于将信号光的频率调制为预定频率，第一准直组件312用于将调制频率后的信号光转化为空间光，偏振片313用于转变空间光的偏振态，第二调制器32用于将转变偏振态后的空间光调制为N个不同频率的激光，透镜33用于将N个不同频率的激光转化为N个平行光，第二分光棱镜34用于将N个平行光分成N个透射光和N个反射光，两个第二准直组件35分别用于将N个透射光和N个反射光转化为空间光后输入至光纤合束器4。

[0041] 本实施例中，第一准直组件312为光纤准直器，第一调制组件31中的第一调制器311和第二调制器32均为声光调制器，其中，第二调制器32由于声光晶体的衍射作用，会产生多级衍射，(进入第一调制器311后的信号光仅有一个频率，尽管其也为声光调制器，但不会产生多级衍射，而进入第二调制器32后的信号光，包括了信号光的原始频率和调制后的频率，存在多个频率，就会发生多级衍射)，不同级次的衍射光的调制后的频率为：级次*第二调制器32的原始调制频率，其中，级次可以为正也可以为负，第二调制器32的原始调制频率可预先设置，由此得到N个不同频率的激光。举例来说，假设信号光的原始频率为fMHz，第一调制组件31的调制频率为50MHz，第二调制器32的原始调制频率为20MHz，信号光经第一调制组件31调制后，其频率变为(f+50)MHz，然后信号光经第二调制器32后，产生多个级次的衍射光，级次包括：0级、±1级以及2级，其中，0级衍射光的频率经过第二调制器32不发生改变，±1级的调制频率为(±1*20MHz)，2级的调制频率为(2*20MHz)，即+1级在(f+50)MHz的基础上+20MHz，得到f+70MHz，－1级在(f+50)MHz的基础上－20MHz，得到f+30MHz，同理，2级在(f+50)MHz的基础上+40MHz，得到f+90MHz。

[0042] 多个级次的衍射光均入射至透镜33中，从而转变为多个平行光，多个平行光均入射至第二分光棱镜34中，由于第二分光棱镜34具有两个输出端，且其中一个输出端为透射端，另一个输出端为反射端，多个平行光均从两个输出端输出，从而得到双份同等数量的激光(即N个透射光和N个反射光)，然后经两个第二准直组件35将N个透射光和N个反射光转换为2N个空间光，再输入至光纤合束器4，光纤合束器4的输入端根据输入空间光的数量确定，此时，光纤合束器4的输入端的数量为4，在后续实施例中，在第一光纤分束器2的光路之后增加第二光纤分束器8后，信号光被分为第一信号光和第二信号光，两束信号光经第一调制组件31和第二调制器32处理后，将得到比单束信号光多一倍的激光束，即得到8条激光束，8条激光束经透镜33后转变为8束平行光，8束平行光均入射至第二分光棱镜34中，此时，第二分光棱镜34输出8束激光束，两个第二准直组件35具有同样数量的准直件，并分别将8束激光束转为空间光，此时，输入空间光至光纤合束器4的数量为8。

[0043] 本实施例通过第一调制器311将信号光的频率进行调制，使信号光在第二调制器32时能够衍射多种级次的光，最终得到多束不同频率的激光束，通过光纤合束器4将多束不同频率的激光束进行合束，能够有效抑制散斑噪声，从而优化回光的质量，确保最终的测量数据更加准确和可靠。

[0044] 具体的，测振装置还包括：光收发器7，光收发器7的输入端与光纤合束器4的输出端连接，光收发器7的输出端与变焦镜头5连接，光收发器7用于将合束后的激光传输至变焦镜头5，并将照射至被测物的光引导回探测器6中。

[0045] 本实施例中，光收发器7包括多个光学端口，光信号能够沿着指定的端口方向输出，光收发器7设置于光纤合束器4与变焦镜头5之间，具体设置于光纤合束器4的输出端与变焦镜头5的输入端之间，以控制光纤合束器4的输出的合束后的激光的传输方向，使合束后的激光能够沿着指定的第一端口方向顺利传输至变焦镜头5，从而确保激光以正确的角度和方向通过变焦镜头5照射至被测物，激光照射至被测物后会产生回光，回光通过变焦镜头5传输回光收发器7，回光沿着第二端口方向往探测器6的方向传输。其中，第一端口方向为透射方向，第二端口方向为反射方向。

[0046] 具体的，测振装置还包括：与第一光纤分束器2的输出端光路连接的第二光纤分束器8，第二光纤分束器8具有两个输出端，第二光纤分束器8用于将信号光分成第一信号光和第二信号光并分别经两个输出端输出。

[0047] 本实施例中，为了能够获取更多不同频率的复合激光，优选在信号光传输至频率调制组件3之前设置第二光纤分束器8，以将信号光分成多束信号光，其中，第二光纤分束器8的输出端数量可自由设置，最好设置为大于或等于2，本实施例中的输出端数量为2，因此，信号光经第二光纤分束器8后分成为第一信号光和第二信号光，每束信号光经频率调制组件3后的频率数量比之前单束信号光的频率数量多，从而能够对被测物进行更精确的检测。
在具体实施时，第二光纤分束器8可采用分光棱镜替代，但相应器件需改成空间光，如第一调制器311。

[0048] 具体的，测振装置还包括第一分光棱镜9，第一调制组件31设置有两个并分别对应第二光纤分束器8的两个输出端，第一分光棱镜9具有两个输入端和一个输出端，第一分光棱镜9的两个输入端分别对应于两个第一调制组件31的偏振片313，用于将两个偏振片313转变偏振态后的空间光进行合束，第一分光棱镜9的输出端用于将合束后的空间光输入至第二调制器32。

[0049] 本实施例中，两束信号光均由各自第一调制组件31的第一准直组件312转化为空间光，再由偏振片313改变出射激光的偏振态，转变偏振态后的空间光传输至第一分光棱镜9，并通过第一分光棱镜9合束，合束后的空间光经过第二调制器32后，发生衍射，此时，激光束分成4束，4束激光束经过透镜变成平行光，并输入至第二分光棱镜34，再经由第二分光棱镜34的透射端和反射端，输出对应输入数量的激光束，即输入的激光束为4束，经过第二分光棱镜34后，从透射端输出4束，从反射端也输出4束。其中，第一分光棱镜9和第二分光棱镜均为偏振分光棱镜。本实施例中，第一分光棱镜9将经过两个第一调制组件31调整的光束并将两者合束到一个光路中，提高了光信号的强度，而且合束后的光信号在输入至第二调制器32时，能够保证光信号的完整性和准确性。

[0050] 具体的，第一信号光经第一调制器311调制后的频率与第二信号光经第一调制器311调制后的频率不同。

[0051] 本实施例中，由于第一信号光和第二信号光的频率相同，为了避免两束信号光之间的干扰，通过设置不同频率的第一调制器311，使得第一信号光调制后的频率与第二信号光调制后的频率不同，也就是说，这种方式使得信号光能够传输两个不同频率的信号光，从而提高了光纤传输的效率和容量。在具体实施时，与第一信号光光路连接的第一调制器311的频率可设置为50MHz，与第二信号光光路连接的第一调制器311的频率可设置为150MHz，调制后的频率为对应信号光具有的原始频率+第一调制器311的频率，例如，若第一信号光的原始频率为50MHz，经第一调制器311调制后，频率为100MHz。在具体实施时，对应信号光的第一调制器311的频率根据实际场景设置。

[0052] 具体的，测振装置还包括：光纤耦合器10，光纤耦合器10具有两个输入端，其中一个输入端对应第一光纤分束器2的输出端，另一个输入端对应端，光纤耦合器10用于将参考光和被测物照射后的回光进行干涉。

[0053] 本实施例中，光纤耦合器10设置于探测器6的输入端之前，并且具有两个输入端，以将第一光纤分束器2输出的参考光和被测物照射后经变焦镜头5输出的回光传输至光纤耦合器10中进行干涉，并输出干涉信号，探测器6检测干涉信号，能够获取被测物的信息，如形状、表面特性或其他光学参数。在干涉过程中，光纤耦合器能够调节参考光和回光之间的比例，以改变参考光和回光的相对强度，并且能够减少光信号的损失和干扰，有助于保持高质量的干涉信号，从而提高测量精度。

[0054] 如图2所示，本发明实施例还提供了一种基于频率分集的外差干涉测振方法，包括步骤S10‑S30：

[0055] S10、获取所述探测器的探测信号，并将所述探测信号转化为数字信号；

[0056] S20、利用带通滤波器分解所述数字信号，并通过数字解调板解调，得到多个解调信号；

[0057] S30、将多个所述解调信号进行融合，得到最终的解调信号。

[0058] 本步骤中，探测信号为干涉信号，干涉信号是复合信号，具有多个不同的频率，将干涉信号转化为数字信号后，利用带通滤波器和数字解调板，对数字信号进行分解和解调，得到多个解调信号，再将多个解调信号进行融合，得到最终的解调信号，该解调信号能够考虑不同频率的信息，得到更为全面和准确的测量结果。在具体实施时，带通滤波器能够选择特定频率范围内的信号成分，并去除不需要的频率部分，从而增强所需信号的清晰度和准确性，有助于提高信噪比，使得后续的解调过程更加可靠。在解调过程中，通过数字解调板可以同时获取多个不同中心的频率的解调信号，这些信号均包括相同的测量特征，例如位移、速度和加速度，当测量振动特征时，由于散斑噪声的存在，使得部分解调通道的解调信号存在误差，通过将多个解调信号进行融合的方法，可抑制单个解调信号产生的误差。其中，数字解调板为FPGA数字解调板。在具体实施时，复合信号的多个不同的频率可以为30MHz、50MHz、70MHz、90MHz、130MHz、150MHz、170MHz、190MHz。需要注意的是，在实施过程中，测振装置中的第一调制器311和第二调制器32的调制频率是可变的，复合激光束的数量也是可变的，从而导致复合激光束的中心频率也是可变的。

[0059] 在一实施例中，所述数字信号包括多个不同频率的数字信号，所述利用带通滤波器分解所述数字信号，包括：

[0060] 利用对应频率的多个带通滤波器分解多个不同频率的数字信号。

[0061] 本实施例中，由于干涉信号中包含多个不同的频率，转化为数字信号后，仍包含多个不同的频率，为了分解出每个不同的频率，通过对应频率种类数量的带通滤波器处理预定频率范围内的数字信号，每个带通滤波器的处理的频率范围不同，从而有效地抑制非目标频率的干扰信号，进而提高信号的频率分辨率。通过利用多个带通滤波器处理多个不同频率的数字信号，有效提高了处理效率。

[0062] 在一实施例中，所述将多个所述解调信号进行融合，得到最终的解调信号，包括：

[0063] 将多个所述解调信号进行加权平均，得到最终的解调信号。

[0064] 本实施例中，若测振装置受到外部干扰或内部波动时，单个解调信号可能会发生变化，此时，无法保证解调信号的测量结果，因此，通过对多个解调信号分配不同的权重系数，根据权重系数和对应的解调信号进行加权平均，得到最终的解调信号，使得解调信号更稳定，能够减少因随机波动而引起的误差，而且，最终的解调信号能够抑制噪声的成分，提高光信号的清晰度和可靠性，进而提高测量的精度。本实施例通过将多个独立的解调信号进行融合，解决了由散斑噪声引起的伪振动问题，多束激光同轴输出(即多束激光看成一束复合激光)，避免了实际应用中多个LDV设备测量时，激光射出时，存在不同夹角，容易产生误差。

[0065] 在具体实施时，可根据信号特性和实时条件动态调整对应解调信号的权重系数，例如，对于信号强度较弱的情况可以降低该解调信号的权重，而对于信号强度较强的情况可以增加该解调信号权重，以保持整个检测过程的灵活性和适应性。或者，根据不同解调信号的频率的重要性设置对应解调信号的权重系数，从而优化加权平均的效果。

[0066] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。