Laser doppler vibrometer with a variable carrier generated by optical phase locked loops
Geschwindigkeits- und Schwingungsmessungen sind in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobiltechnik, der Elektronik und der Biomedizin weit verbreitet. Die derzeit verfügbaren Sensorsysteme, wie z. B. Beschleunigungsmesser, unterliegen jedoch bestimmten Einschränkungen für die gewünschten Anwendungsszenarien. Diese Sensoren sind nur für bestimmte Schwingungsfrequenzen oder Beschleunigungen (und entsprechende Geschwindigkeiten) geeignet, was ihre Anwendbarkeit einschränkt. Außerdem erfordern einige Sensoren einen Kontakt mit dem zu messenden Objekt. Bei schwer zugänglichen Objekten sind die Anwendungsmöglichkeiten ebenfalls begrenzt. Außerdem ist die begrenzte Messgenauigkeit bei diesen Sensoren oft ein drängendes Problem. Unter den bestehenden Geschwindigkeits- und Schwingungssensoren besitzt die Laser-Doppler-Vibrometrie (LDVy) unersetzliche Vorteile und findet in der Industrie breite Anwendung. LDV ist eine berührungslose Messtechnik, die den Betriebszustand eines Objekts durch Messung der vom Objekt verursachten Laserphasenänderungen erfasst. LDVy ermöglicht die berührungslose Messung der Geschwindigkeit oder Vibration von Objekten und ist daher in verschiedenen Szenarien einsetzbar. Darüber hinaus bietet LDV hochpräzise Messungen, die in der Lage sind, Vibrationen im Pikometerbereich zu erfassen. Aufgrund dieser Vorteile wird LDVy in vielen verschiedenen Branchen eingesetzt. Die LDVy-Implementierung umfasst in der Regel ein Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) mit einer Interferometerstruktur. In handelsüblichen LDVs wird der Träger durch einen akusto-optischen Modulator, die Bragg-Zelle, erzeugt.Allerdings kann der feste Träger in praktischen Anwendungen die Leistung des LDV einschränken oder in einigen Fällen zu einer geringeren Auflösung führen, so dass die modernen kommerziellen LDVs nicht ausreichen, um die Messanforderungen zu erfüllen. Zum Beispiel, wenn unerwartetes Rauschen oder andere oder anderen Störsignalen in der Nähe der Trägerfrequenz konfrontiert werden, nimmt die Erkennungsleistung des LDV erheblich ab. Außerdem sind die vorhandenen Trägerfrequenzen für hochfrequente Schwingungen möglicherweise nicht ausreichend, wie z. B. Schwingungsmessungen für mikroelektromechanische Systeme (MEMS). Daher ist es eine neue Technik zur Erzeugung variabler Trägerfrequenzen für LDV vorzuschlagen, um diese um diese Einschränkungen zu überwinden und die Leistung und die Anwendungsbereiche von LDV weiter zu verbessern. Es wurden drei wissenschaftliche Hypothesen zur Erzeugung variabler Träger im LDV vorgeschlagen. Die erste Hypothese besteht darin, die Technologie der optischen Phasenregelschleife (OPLL) zu nutzen, um die herkömmliche Bragg-Zelle im LDV zu ersetzen und ein LDV mit einem variablen Träger zu erreichen (nämlich Laser-Doppler-Vibrometer mit optischer Phasenregelschleife, OPLL-LDV). Um diese Hypothese zu überprüfen, wurden zunächst die grundlegenden Prinzipien und Eigenschaften der OPLL analysiert, um eine kompakte und kostengünstige OPLL zu realisieren. Darauf aufbauend wurden weitere Schritte wie die Auswahl der Ausrüstung und die Messung der Schlüsselparameter für die erforderliche Methode vorgeschlagen, und die Entwicklung der OPLL-LDV wurde abgeschlossen. Anschließend wurde ein komplettes OPLL-LDV-System mit allen erforderlichen Komponenten entwickelt und die durch die Änderung der LO-Signalfrequenz erzielte Trägerbewegung getestet, wodurch die erste wissenschaftliche Hypothese bestätigt wurde.Um die Rauschleistung der OPLL-LDV zu verbessern und die Prinzipien der Rauschübertragung im System zu klären, wurde die zweite wissenschaftliche Hypothese vorgeschlagen, die die Kompensation der Latenz in der OPLL durch Änderung der Auswahl des Messarms in der OPLL-LDV beinhaltet. Zu diesem Zweck wurde das mathematische Modell von OPLL-LDV auf der Grundlage der Mason'schen Verstärkungsformel abgeleitet, und es wurde mathematisch nachgewiesen, dass die Verwendung des Master-Lasers als Messarm die Latenz in OPLL kompensieren kann. Auch die zweite wissenschaftliche Hypothese wurde experimentell validiert und damit bestätigt. Die dritte wissenschaftliche Hypothese betrifft das Erreichen einer niedrigen Trägerfrequenz und einer hohen OPLL-Bandbreite in der OPLL-LDV durch harmonische Verriegelungstechnologie.Bei OPLL-LDV gibt es eine gewisse Einschränkung für die variable Trägerfrequenz, die größer sein muss als die OPLL-Bandbreite. Andernfalls verschlechtert sich die Erkennungsleistung der OPLL-LDV, da das Steuersignal die OPLL nicht vollständig durchlaufen kann. Während des Parameterabstimmungsprozesses der OPLL haben wir festgestellt, dass die überlagerte OPLL-Verriegelung nicht nur auf das Grundtonsignal des LO-Signals, sondern auch auf das Obertonsignal verriegelt werden kann. Aufgrund von Reflexionen und der Nichtlinearität der Geräte kann das verriegelte Schwebungssignal immer noch bei der Frequenz des Grundsignals beobachtet werden. Durch die Anwendung dieser Verriegelungsmethode auf die OPLL-LDV wurde die Einschränkung, dass die Trägerfrequenz größer sein muss als die OPLL-Bandbreite, erfolgreich überwunden. Die dritte wissenschaftliche Hypothese wurde somit bestätigt, und mit Hilfe der harmonischen Verriegelungstechnologie wurden zum ersten Mal Schwingungsinformationen unter der Bedingung gemessen, dass die OPLL-Bandbreite größer als die Trägerfrequenz ist, was zu einer Verzerrung des Trägersignals führt, die mit der herkömmlichen OPLL-LDV nicht erkannt werden kann.
Velocity and vibration measurements are widely used in industries such as aerospace, automotive engineering, electronics, and biomedicine. However, currently, available sensor systems, such as accelerometers, are subject to certain limitations for the desired application scenarios. These sensors are only suitable for specific vibration frequencies or accelerations (and corresponding velocities), which restricts their applicability. Additionally, some sensors require contact with the object being measured. For objects that are difficult to access, the application scenarios are also limited. Furthermore, limited measurement accuracy is often a pressing issue with these sensors. Among the existing velocity and vibration sensors, Laser Doppler Vibrometry (LDVy) possesses irreplaceable advantages and has been widely applied in industries. LDV is a non contact measurement technique that detects the operational state of an object by measuring the laser phase changes caused by the object. LDVy enables the measurement of object velocity or vibration without direct contact, making it applicable in various scenarios. Moreover, LDV offers high-precision measurements, capable of detecting vibrations at the picometer level. Due to these advantages, LDVy finds extensive use across diverse industries. LDVy implementation typically involves a laser Doppler vibrometer (LDV) with an interferometer structure. In common commercial LDVs, the carrier is generated by an acousto-optic modulator called the Bragg cell. However, the fixed carrier in practical applications may limit LDV performance or lead to decreased resolution in some cases, rendering the state-of-the-art commercial LDVs inadequate to meet measurement demands. For instance, when facing unexpected noise or other interfering signals near the carrier frequency, LDV detection capability significantly decreases. Additionally, existing carrier frequencies may not be sufficient for high-frequency vibrations, such as vibration measurements for microelectromechanical systems (MEMS). Therefore, it is necessary to propose a novel variable carrier generation technique for LDV to overcome these limitations and further enhance LDV performance and application domains. Three scientific hypotheses were proposed regarding the variable carrier generation in LDV. The first hypothesis is to utilize the optical phase locked loop (OPLL) technology to replace the traditional Bragg cell in LDV and achieve LDV with a variable carrier (namely optical phase locked loop based laser Doppler vibrometer, OPLL-LDV). To verify this hypothesis, the basic principles and properties of OPLL were analyzed first, aiming to realize a compact and cost effective OPLL. Based on this, further steps such as equipment selection and key-parameter measurement for the required method were proposed, and the establishment of OPLL-LDV was completed. Subsequently, by developing a complete OPLL-LDV system with all necessary components, testing was conducted on the carrier movement achieved by changing the LO signal frequency, thereby confirming the first scientific hypothesis. In order to improve the noise performance of OPLL-LDV and clarify the noise-transmission principles in the system, the second scientific hypothesis was proposed, which involves compensating for latency in OPLL by changing the selection of the measurement arm in OPLL-LDV. To this end, the mathematical model of OPLL-LDV was derived based on Mason’s gain formula, and it was mathematically proven that using the master laser as the measurement arm can compensate for the latency in OPLL. Experimental validation was also provided, thus proving the second scientific hypothesis. The third scientific hypothesis involves achieving both low carrier frequency and high OPLL bandwidth in OPLL-LDV through harmonic locking technology. In OPLL-LDV, there is a certain limitation on the variable carrier frequency that the carrier frequency needs to be larger than the OPLL bandwidth. Otherwise, the detection performance of OPLL-LDV will deteriorate as the control signal cannot fully pass through OPLL. During the parameter tuning process of OPLL, we found that the heterodyne OPLL locking not only can be locked onto the fundamental signal of the LO signal but can also be locked onto the harmonic signal. Meanwhile, due to reflections and the nonlinearity of devices, the locked beat signal can still be observed at the fundamental signal frequency. By applying this locking method to OPLL-LDV, the limitation that the carrier frequency must be greater than the OPLL bandwidth was successfully overcome. Therefore, the third scientific hypothesis was validated, and using harmonic locking technology, vibration information was measured for the first time under the condition that the OPLL bandwidth is greater than the carrier frequency, causing distortion in the carrier signal, which cannot be detected by traditional OPLL-LDV.
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