一种基于光腔衰荡技术的振动探测方法

1.本发明涉及振动信号探测领域，具体涉及一种基于光腔衰荡技术的振动探测方法。


背景技术：

2.振动信号探测在地质灾害预防、工程结构监测及实验环境振动检测等领域愈来愈重要，但目前常用的振动传感器存在较多问题，如机械探测法探测精度较差且灵敏度不高，分布式传感器受光源影响较大及探测监控结构系统复杂等。光腔衰荡(cavity ring-down，crd)技术是一种高灵敏度、高精度的光学探测技术，目前已广泛应用于吸收光谱测量、高反射率测量及光纤传感等领域。(abhijit maity，sanchi maithani，manik pradhan，“cavity ring-down spectroscopy:recent technological advancements,techniques,and applications”，analytical chemistry，2021，93，388-416；李斌成，龚元，光腔衰荡高反射率测量技术综述，《激光与光电子学进展》，2010，47：021203)。光腔衰荡技术的高灵敏度、高精细度特性也可以在振动信号探测领域发挥一定价值。在基于前期实验观测及理论研究的基础上，本发明提供一种基于光腔衰荡技术的振动探测方法。该方法的理论基础为：在基于光腔衰荡技术的振动探测系统中，环境微振动可引起衰荡腔系统瞬态微失调，进而导致腔损耗发生微弱变化，最终振动信息被放大呈现在光腔谐振输出信号中。由于光腔衰荡信号对细微腔失调引起的腔损耗变化极为敏感，而环境振动极易引发衰荡腔腔失调量发生扰动，故而基于光腔衰荡技术可实现对环境振动信息的灵敏探测。
3.本方法基于衰荡腔结构的振动探测系统一旦搭建完成，整个衰荡腔结构都可以作为一个“传感器”对环境振动进行全面感知。此外，本方法通过对光腔衰荡输出信号的实时监测与分析处理，可快速定性判断振动类型及定量得到振动频谱等信息，实现对瞬态微小振动的高灵敏度探测，相比于传统探测方法具有结构简单，方法新颖，操作方便，高探测灵敏度等优点。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：目前振动信号探测领域常用的振动传感器存在探测精度较差且灵敏度不高，探测监控结构系统复杂等问题，需要一种结构简单新颖，探测精度和灵敏度较高的振动探测方法。
5.本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光腔衰荡技术的振动探测方法，建立一种基于光腔衰荡技术的振动探测系统。首先搭建衰荡腔，调节衰荡腔至其输出一定强度且稳定的光腔输出信号，监测光腔输出信号变化动态，采集光腔输出信号，利用信号振动解算方法分析提取环境振动信息，输出振动探测结果，实现对环境振动信息的高灵敏度高精度探测。
6.具体实现步骤如下：
7.步骤(1)、搭建衰荡腔结构，利用光电探测器(pd)监测衰荡腔透射信号。
8.衰荡腔结构为各种光腔衰荡系统结构，包括传统衰荡腔结构，片上或芯片微腔结构等，采用的光腔衰荡(crd)技术包括脉冲光腔衰荡技术(p-crd)、相移光腔衰荡技术(ps-crd)、窄谱连续光腔衰荡技术(nbcw-crd)和光反馈光腔衰荡技术(of-crd)等。
9.步骤(2)、调节衰荡腔至形成稳定的光腔谐振输出信号，采集光腔输出信号，获取信号频谱信息。
10.调腔阶段过程对腔失调状态不作特定要求，可以存在一定的腔镜倾斜或腔轴偏移等腔失调量，只要调节出的光腔谐振输出信号稳定即可。
11.光腔谐振输出信号为直接或间接反映腔损耗的相关表征参数，如光腔衰荡曲线、衰荡腔透射光强信号，衰荡腔透射光斑形态，衰荡腔透射光谱等。调腔结果要求光腔谐振输出信号平稳，减小因系统本身因素带来的振动误差影响。
12.步骤(3)、利用信号振动解算方法处理分析信号频谱信息，提取环境振动信息，输出振动探测结果，完成对环境振动信息的灵敏探测。
13.信号振动解算方法可以为任意一种频谱解算分析算法，包括周期图法，自相关函数法、最大熵估计法等。以及改进的周期图法包括bartlett法和welch法谱估计。
14.振动探测结果包括振动类型、振动频率、振动强度、振动时长等。
15.本发明的原理是：在基于光腔衰荡技术的振动探测系统中，环境微振动可引起衰荡腔系统瞬态微失调，进而导致腔损耗发生微弱变化，最终振动信息被放大呈现在光腔谐振输出信号中。由于光腔衰荡信号对细微腔失调引起的腔损耗变化极为敏感，而环境振动极易引发衰荡腔腔失调量发生扰动，故而基于光腔衰荡技术可实现对环境振动信息的灵敏探测。
16.本发明与现有技术相比具有如下优点：本方法通过对光腔输出信号的监测与分析，可快速定性判断振动类型及定量得到振动频谱等信息，可实现对瞬态微小振动的实时探测，相比于传统探测方法具有结构简单，方法新颖，操作方便，高灵敏度，高带宽等优点。
附图说明
17.图1为本发明的光腔衰荡系统结构示意图；
18.图2为本发明的无环境振动时的光腔输出信号图；
19.图3为本发明的存在环境瞬态微振动时的光腔输出信号图。
具体实施方式
20.下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
21.如图1所示，本发明的一种基于光腔衰荡技术的振动探测方法的具体实施方法如下：
22.步骤(1)、搭建传统两腔镜直型衰荡腔结构，在衰荡腔末端加入光电探测器(pd)，pd用于监测衰荡腔透射光强信号。
23.其中腔镜m1、腔镜m2为凹面高反镜，凹面曲率半径均为1m。腔长为0.6m，满足稳定腔条件。激光光束与衰荡腔同轴注入衰荡腔。光电探测器(pd)接收腔镜m2的透射光束衰荡信号。本实施例中，采用的激光光源为中心波长为635nm的连续半导体激光器，采用的光腔衰荡技术为光反馈光腔衰荡技术(of-crd)。
24.步骤(2)、调节衰荡腔至形成稳定的光腔衰荡输出信号，衰荡信号由数据采集卡(m2i.3010，80mhz，spectrum)采集传输到计算机(pc)进行分析处理，获取信号频谱信息。由于本光腔衰荡系统中光腔谐振的形成对腔失调状态不是特别敏感，故本实施例中调腔标准可适当放宽，调腔过程可以存在一定的腔镜倾斜等腔失调量。本实施例中的光腔谐振输出信号为衰荡腔透射光强信号，采集时间为20ms。
25.步骤(3)、利用信号振动解算方法包括周期图法，自相关函数法、最大熵估计法等任意一种频谱解算分析算法来处理分析信号频谱信息，提取环境振动信息，输出振动类型，振动频率、振动强度、振动时长等振动探测结果，完成对环境振动信息的灵敏探测。本实施例中，采用的信号振动解算方法为改进的周期图法welch法，首先对信号振动区域点数据xn(n)分为l段进行处理，每段长度为m，段与段间有数据重叠，记每段的功率谱为(n)分为l段进行处理，每段长度为m，段与段间有数据重叠，记每段的功率谱为式中是归一化因子，d(n)为窗函数。然后对l段信号振动区域由周期图法得到的功率谱估计进行求和平均，得到整个信号振动区域xn(n)的功率谱估计为本实施例中对每一段数据处理的窗函数为矩形窗函数。最后从得出的功率谱估计图中分析振动频率、振动强度及振动时长等环境振动信息。
26.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

技术特征：
1.一种基于光腔衰荡技术的振动探测方法，其特征在于，实现步骤如下：步骤(1)、搭建衰荡腔结构，利用光电探测器(pd)监测衰荡腔透射信号；步骤(2)、调节衰荡腔至形成稳定的光腔谐振输出信号，采集光腔输出信号，获取信号频谱信息；步骤(3)、利用信号振动解算方法处理分析信号频谱信息，提取环境振动信息，输出振动探测结果，完成对环境振动信息的灵敏探测。2.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡技术的振动探测方法，其特征在于：步骤(1)所述的衰荡腔结构为各种光腔衰荡系统结构，包括传统衰荡腔结构，片上或芯片微腔结构，采用的光腔衰荡(crd)技术包括脉冲光腔衰荡技术(p-crd)、相移光腔衰荡技术(ps-crd)、窄谱连续光腔衰荡技术(nbcw-crd)和光反馈光腔衰荡技术(of-crd)。3.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡技术的振动探测方法，其特征在于：步骤(2)所述的调腔阶段过程对腔失调状态不作特定要求，可以存在一定的腔失调量，包括腔镜倾斜、腔轴偏移，只要调节出的光腔谐振输出信号稳定即可。4.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡技术的振动探测方法，其特征在于：步骤(2)所述的光腔谐振输出信号为直接或间接反映腔损耗的相关表征参数，包括光腔衰荡曲线、衰荡腔透射光强信号，衰荡腔透射光斑形态，衰荡腔透射光谱，调腔结果要求光腔谐振输出信号平稳，减小因系统本身因素带来的振动误差影响。5.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡技术的振动探测方法，其特征在于：步骤(3)所述的信号振动解算方法可以为任意一种频谱解算分析算法，包括周期图法，自相关函数法、最大熵估计法，以及改进的周期图法包括bartlett法和welch法谱估计。6.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡技术的振动探测方法，其特征在于：步骤(3)所述的振动探测结果包括振动类型、振动频率、振动强度、振动时长。

技术总结
本发明提供一种基于光腔衰荡技术的振动探测方法，该方法包括：搭建衰荡腔结构，调节衰荡腔至其输出一定强度且稳定的光腔输出信号，监测光腔输出信号变化动态，采集光腔输出信号，利用信号振动解算方法分析提取环境振动信息，输出振动探测结果，实现对环境振动信息的高灵敏度探测。本方法基于光腔衰荡系统进行环境振动探测，通过对光腔输出信号的监测与分析，可快速定性判断振动类型及定量得到振动频谱等信息，可实现对瞬态微小振动的实时探测，相比于传统探测方法具有结构简单，方法新颖，操作方便，高灵敏度，高带宽等优点。高带宽等优点。高带宽等优点。


技术研发人员：田中州 何星 王帅 杨平 许冰 林海奇 杨康健
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：2021.12.13
技术公布日：2022/3/8