基于非機(jī)械調(diào)制光的激光測(cè)振儀校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)展

王聽言，張大治，梁志國

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

0 引言

激光多普勒測(cè)振儀（Laser-Doppler Vibrometer，LDV）是基于激光的多普勒效應(yīng)的，能夠?qū)ξ矬w位移、速度以及加速度等物理量進(jìn)行精確測(cè)量的激光干涉測(cè)量設(shè)備，具有測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量范圍大、非接觸性測(cè)量、抗電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)。通用型的測(cè)振儀在測(cè)量的振動(dòng)頻率上大多可以從Hz級(jí)覆蓋到MHz級(jí)，部分應(yīng)用于超聲領(lǐng)域的測(cè)振儀可以達(dá)到幾十MHz級(jí)，部分特種儀器最高可以達(dá)到GHz級(jí)；測(cè)量的速度可以從微米每秒到幾十米每秒。隨著現(xiàn)在如微電子機(jī)械系統(tǒng)和超聲醫(yī)療診斷等經(jīng)常需要在高頻高速工況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)振動(dòng)測(cè)試的領(lǐng)域越來越多，測(cè)振儀的測(cè)量范圍也隨之不斷增加，也就更需要在制造和測(cè)試時(shí)對(duì)測(cè)振儀在高頻高速工況進(jìn)行校準(zhǔn)。但與上述參數(shù)范圍對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)并沒有完全建立，國內(nèi)發(fā)布的JJF 1219-2009《激光測(cè)振儀校準(zhǔn)規(guī)范》［1］和2011年發(fā)布的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16063-41《Methods for the calibration of vibration and shock transducers —Part 41: Calibration of laser vibrometers》［2］中均只規(guī)定了振動(dòng)頻率范圍在0.4 Hz~50 kHz之間時(shí)使用機(jī)械振動(dòng)法校準(zhǔn)，高于50 kHz時(shí)，采用電信號(hào)校準(zhǔn)法作為補(bǔ)充，即不計(jì)入光學(xué)接收前端的影響，只考慮運(yùn)算電路部分的校準(zhǔn)。

理論上只要有振動(dòng)范圍足夠的激振器和經(jīng)驗(yàn)證的參考激光測(cè)振儀，測(cè)振儀的高頻校準(zhǔn)可以在任何頻率下進(jìn)行。但國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法都是機(jī)械振動(dòng)校準(zhǔn)法，經(jīng)典機(jī)械振動(dòng)法的測(cè)量頻率范圍一般在100 kHz以下，這是因?yàn)殡S著振動(dòng)頻率的增加和振幅的降低，這種機(jī)械振動(dòng)校準(zhǔn)裝置的非垂直方向振動(dòng)與表面形變等誤差急劇增加，振源對(duì)環(huán)境的要求也更加苛刻。雖然以激光干涉儀作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的初級(jí)對(duì)比校準(zhǔn)方法消除了這些影響，但也受限于電動(dòng)激振器的振幅和頻率范圍而無法進(jìn)一步提升［21-22］。故此類校準(zhǔn)方法的動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)量不確定度無法滿足評(píng)估激光測(cè)振儀高頻高速環(huán)境下的需求。校準(zhǔn)范圍與校準(zhǔn)精度兩大問題促使激光測(cè)振儀校準(zhǔn)方法的研究方向需要進(jìn)行根本性的轉(zhuǎn)變。

2020年前，激光測(cè)振儀校準(zhǔn)方法研究基本可以分為兩類：一類是對(duì)于現(xiàn)有國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)裝置的局部改動(dòng)，如探討裝置改進(jìn)與補(bǔ)償校準(zhǔn)誤差等［3-9］；另一類是針對(duì)電信號(hào)校準(zhǔn)方法中各種測(cè)試信號(hào)的計(jì)算分析方法與不確定度分析［10-20］。極少有針對(duì)擴(kuò)大校準(zhǔn)范圍的新型整體校準(zhǔn)方法的提出與具體實(shí)驗(yàn)。

近年來，研究人員嘗試使用非機(jī)械調(diào)制光模擬標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)方法，即盡可能用純光電調(diào)制方法模擬標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)。對(duì)于測(cè)振儀來說，其發(fā)出的是已知頻率和偏振狀態(tài)的測(cè)量光，在理想測(cè)量振動(dòng)物體的條件下，接收到的是攜帶振動(dòng)信息的回光，所以當(dāng)無法精確生成機(jī)械振動(dòng)時(shí)，直接通過光調(diào)制器件產(chǎn)生可精確產(chǎn)生與控制的和理想振動(dòng)回光相同的調(diào)制光信號(hào)來作為等效替代的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，是一種可行的校準(zhǔn)思路。又由于現(xiàn)在可用的非機(jī)械調(diào)制光方法比機(jī)械振動(dòng)的頻率精度高；同時(shí)光信號(hào)直接從測(cè)振儀的光學(xué)系統(tǒng)入射測(cè)振儀，完整經(jīng)歷了光學(xué)部分和電路處理部分，有效滿足了整機(jī)校準(zhǔn)的需求，整機(jī)校準(zhǔn)和大校準(zhǔn)范圍兩大主要問題都可以得到解決。這種方法可以將調(diào)制在光信號(hào)中的振動(dòng)參數(shù)溯源到更基本的物理量上，例如銣鐘上精確的時(shí)間和頻率。故此方法的關(guān)鍵是在覆蓋待校頻率與速度的范圍內(nèi)獲得足夠精確的調(diào)制光作為模擬振動(dòng)信號(hào)。但因?yàn)榫唧w實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果較少，其校準(zhǔn)范圍邊界與不確定度都有待進(jìn)一步研究。

本文對(duì)近年來激光多普勒測(cè)振儀測(cè)試校準(zhǔn)領(lǐng)域中使用非機(jī)械調(diào)制光的相關(guān)研究進(jìn)行原理介紹，并從方法分類和試驗(yàn)效果方面進(jìn)行分析與評(píng)述，探討了每種或每類方法的深入研究方向，最后對(duì)校準(zhǔn)測(cè)振儀的非機(jī)械調(diào)制光方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，預(yù)測(cè)了下一代國內(nèi)外測(cè)振儀校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的建立方向，為制造或校準(zhǔn)激光測(cè)振儀的相關(guān)單位提高對(duì)下一代校準(zhǔn)方法的認(rèn)知與實(shí)踐提供了有力的支撐。

1 非機(jī)械調(diào)制光校準(zhǔn)方法

國際上最早可追溯的研究是2012年德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（Physikalisch Technische Bunde?sanstalt，PTB）與Plotecy于 美 國 物 理 聯(lián) 合 會(huì)（American Institute of Physics，AIP）會(huì)議上的文獻(xiàn)［23］，國內(nèi)最早報(bào)道調(diào)制光法校準(zhǔn)是在2015年，由北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所的張合富、朱振宇等人［24］提出，但均停留于理論和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段。之后少有研究者進(jìn)一步跟進(jìn)，大部分工作仍然圍繞改進(jìn)原有的機(jī)械、對(duì)比校準(zhǔn)方法而展開。直到近兩年，國際上的眾多國家計(jì)量研究所才使用非機(jī)械調(diào)制光校準(zhǔn)方法，取得了一定的理論和實(shí)驗(yàn)成果，并在IMEKO會(huì)議上做了匯報(bào)。

調(diào)制光校準(zhǔn)方法可以按照對(duì)光的調(diào)制方式來分類。根據(jù)激光多普勒頻移原理，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)的回光信號(hào)為調(diào)頻信號(hào)，要調(diào)制出調(diào)頻光信號(hào)有許多種方法，按光調(diào)制源的位置可以分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制，按調(diào)制手段可以分為旋轉(zhuǎn)光柵、聲光、電光與磁光等。本文將詳述已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究成果，包括聲光、電光兩種外調(diào)制光校準(zhǔn)方法和飛秒激勵(lì)、電控激光二極管兩種內(nèi)調(diào)制光校準(zhǔn)方法。

1.1 外調(diào)制光校準(zhǔn)方法

外調(diào)制光法的原理是依照振動(dòng)返回光電場(chǎng)強(qiáng)度與返回光瞬時(shí)頻率對(duì)光進(jìn)行調(diào)制。

返回光電場(chǎng)強(qiáng)度為

式中：Ece為測(cè)量光電場(chǎng)強(qiáng)度，V；E0為強(qiáng)度幅值，V；fg為光頻，Hz；A（t）為振動(dòng)位移，m；λ為光波長(zhǎng)，m。

返回光瞬時(shí)頻率為

式中：f為瞬時(shí)頻率，Hz；V（t）為振動(dòng)速度，m/s。式（1）和式（2）中的A（t）與V（t）在一般標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)中為正弦函數(shù)。

使用外調(diào)制光的校準(zhǔn)方法中，光調(diào)制方法有光柵調(diào)制、聲光調(diào)制、電光調(diào)制和磁光調(diào)制?，F(xiàn)階段只有聲光和電光的方法有實(shí)驗(yàn)性成果，其它方法受限于速度與頻率，尚無研究。聲光調(diào)制是通過外加驅(qū)動(dòng)信號(hào)和晶體布拉格衍射直接改變光頻，屬于頻率調(diào)制光信號(hào)，校準(zhǔn)方法中依照式（2）調(diào)制；電光調(diào)制則是使用橫向調(diào)制模式改變光程附加相位，屬于相位調(diào)制光信號(hào)，校準(zhǔn)方法中依照式（1）調(diào)制。這兩種調(diào)制方法都屬于通過相位角度調(diào)制攜帶模擬振動(dòng)信息，在電信號(hào)生成時(shí)可以進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換。

1.1.1聲光校準(zhǔn)法

聲光調(diào)制器（Acousto Optic Modulation，AOM）一般被當(dāng)作光開關(guān)或進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，但同樣廣泛用于光學(xué)移頻。不同于干涉光路中常見的固定移頻，在聲光校準(zhǔn)法中使用的是可調(diào)制移頻。對(duì)AOM施加的調(diào)制信號(hào)是一個(gè)計(jì)算設(shè)計(jì)過的調(diào)頻信號(hào)時(shí)，調(diào)制器出射的衍射光就會(huì)與理想情況下的振動(dòng)回光相同，即衍射光瞬時(shí)頻率的調(diào)制信號(hào)部分就是振動(dòng)信號(hào)。即當(dāng)將理想正弦振動(dòng)速度信息以調(diào)頻形式調(diào)制進(jìn)AOM基頻的高頻信號(hào)中時(shí)，調(diào)制器可以將此信息調(diào)制入光頻信號(hào)中完成對(duì)振動(dòng)的模擬，之后模擬光返回測(cè)振儀，就完成了測(cè)振儀獲得標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的過程。

2015年，張合富、朱振宇等人［24］最先提出使用聲光調(diào)制的測(cè)振儀校準(zhǔn)方法時(shí)，只簡(jiǎn)要說明了頻率的模擬調(diào)制方法。到2020年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的Michael Gaitan等人進(jìn)行了使用聲光調(diào)制器測(cè)試LDV頻率特性的初步實(shí)驗(yàn)［25］。

NIST在文獻(xiàn)中記錄了使用聲光調(diào)制的LDV性能表征裝置及部分相關(guān)實(shí)驗(yàn)。圖1給出了NIST研制的基于聲光調(diào)制器的LDV測(cè)試裝置示意圖，圖中光路先用300 mm和30 mm的透鏡將激光束準(zhǔn)直，以產(chǎn)生符合AOM工作要求的光束直徑，再依次經(jīng)過兩個(gè)AOM后通過反射鏡將光返回鏡頭。

圖1 基于聲光調(diào)制器的測(cè)振儀測(cè)試裝置[25]Fig.1 Frequency characteristic characterization system diagram of vibrometer based on acousto-optic modulator[25]

光束經(jīng)過第1個(gè)AOM將光頻下移f（f為AOM中心頻率，Hz），接下來通過第2個(gè)AOM將光頻上移f+δ（δ為AOM調(diào)制附加頻率，Hz），然后光束通過反射鏡沿著它的入射路徑反射回來，將AOM的頻移效果加倍并回向射入LDV，這種回光的總頻移為2倍的調(diào)制附加頻率。此時(shí)LDV測(cè)得的速度V就是總頻移與LDV使用的激光波長(zhǎng)的乘積。研究中采用2個(gè)AOM產(chǎn)生頻移，因?yàn)榫哂姓{(diào)制帶寬的AOM均是在高頻基帶附近工作，不能直接產(chǎn)生例如1 MHz或更低頻率的直接頻移。此實(shí)驗(yàn)研究給出了三種情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（測(cè)試對(duì)象為OFV-500的VD-09解調(diào)卡的1 m/s檔位）：

1）模擬勻速運(yùn)動(dòng)的測(cè)試結(jié)果，即對(duì)返回光附加固定頻移，數(shù)據(jù)顯示在所測(cè)試的速度范圍內(nèi)（31.6 mm/s ~ 1 m/s）最大的相對(duì)偏差絕對(duì)值為0.04%，比LDV生產(chǎn)商報(bào)告的相對(duì)不確定度1%小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

2）模擬標(biāo)準(zhǔn)正弦振動(dòng)的測(cè)試結(jié)果，即返回光附加調(diào)制正弦信號(hào)時(shí)，此測(cè)試中第2個(gè)AOM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦調(diào)頻信號(hào)，目標(biāo)是表征LDV系統(tǒng)各檔位的帶寬。測(cè)試中將110 MHz基頻下的正弦調(diào)制頻率從100 Hz掃頻至3 MHz，記錄LDV顯示的均方根速度值。測(cè)試結(jié)果顯示LDV解調(diào)控制器被測(cè)檔位的頻率響應(yīng)在低于1 MHz時(shí)均勻平坦，在高于1 MHz時(shí)迅速下降。

3）使用速度階躍函數(shù)激勵(lì)的測(cè)試結(jié)果，采用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生1 Hz方波，模擬速度階躍函數(shù)，方波中低電平0 mV，高電平300 mV。

以上三種情況的結(jié)果表明，聲光校準(zhǔn)法可以作為評(píng)價(jià)LDV系統(tǒng)整體的直流、正弦穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)以及其數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)性能的工具。

1.1.2電光校準(zhǔn)法

電光調(diào)制器（Electro-Optic Modulator，EOM），是利用某些晶體材料附加電場(chǎng)后折射率變化達(dá)到調(diào)制效果的調(diào)制器件，同樣常用于光強(qiáng)調(diào)制和光開關(guān)。但根據(jù)其入射光方向、外加電場(chǎng)方向和晶體光軸方向的不同，有不同的調(diào)制模式，用于電光校準(zhǔn)法的是相位調(diào)制。在調(diào)相模式中，可以依照理想情況下的振動(dòng)回光電場(chǎng)強(qiáng)度表達(dá)式（1），將振動(dòng)的位移信號(hào)調(diào)制入光的相位中，達(dá)到對(duì)高頻振動(dòng)的直接模擬的效果。

日本國家計(jì)量院（NMIJ）的Hideaki Nozato等人于2021年提出電光調(diào)制的校準(zhǔn)方法，并進(jìn)行了高頻環(huán)境下校準(zhǔn)激光多普勒測(cè)振儀和激光干涉儀［26-28］的實(shí)驗(yàn)，隨后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在IMEKO會(huì)議上做了報(bào)告。研究人員搭建并測(cè)試了一種利用電光調(diào)制器的光調(diào)制激勵(lì)對(duì)LDV進(jìn)行初步校準(zhǔn)的裝置，并通過兩種對(duì)比實(shí)驗(yàn)側(cè)面驗(yàn)證了該方法的測(cè)試校準(zhǔn)能力。一種對(duì)比實(shí)驗(yàn)是和傳統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)方法測(cè)試比較；另一種是同時(shí)使用外差和零差激光干涉儀進(jìn)行測(cè)試，具體系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 LDV的初步校準(zhǔn)評(píng)估裝置示意圖[26]Fig.2 Schematic diagram of preliminary calibration evaluation configuration of LDV[26]

實(shí)驗(yàn)中信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制信號(hào)輸入EOM對(duì)光進(jìn)行調(diào)制，LDV的光路部分接收反射回光，LDV控制器的測(cè)量信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制信號(hào)同時(shí)被數(shù)字采集卡記錄。實(shí)驗(yàn)裝置中使用EOM來調(diào)制光學(xué)相位，其輸入電壓的光學(xué)相位靈敏度在633 nm處約為25 mrad/V。

此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了EOM校準(zhǔn)系統(tǒng)的基本功能測(cè)試，在160 kHz的頻率下模擬振動(dòng)記錄了數(shù)據(jù)；在100 Hz~1 MHz的振動(dòng)頻率范圍內(nèi)做了機(jī)械法與電光調(diào)制法的對(duì)比，結(jié)果表明電光調(diào)制法相比機(jī)械調(diào)制激勵(lì)具有更好的速度靈敏度和頻率響應(yīng)平坦度；在相同的振動(dòng)頻率和速度下分別對(duì)外差和零差測(cè)振儀進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明兩種測(cè)振儀均可通過圖2中的系統(tǒng)來校準(zhǔn)，頻響校準(zhǔn)結(jié)果顯示偏差在可接受范圍之內(nèi)；分析并計(jì)算了EOM校準(zhǔn)系統(tǒng)的各部分不確定度，得出了綜合不確定度在2%以下的結(jié)論。

1.2 內(nèi)調(diào)制光校準(zhǔn)法

科研人員同樣嘗試使用內(nèi)調(diào)制光方法進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試，試圖直接通過可調(diào)制的專用激光器產(chǎn)生用于測(cè)試的模擬回光。

1.2.1飛秒脈沖光校準(zhǔn)法

2012年由Poltecy與PTB合作的高頻激光測(cè)振儀校準(zhǔn)問題展望［31-32］一文中最早提出飛秒脈沖光校準(zhǔn)法，此方法的原理是利用飛秒脈沖中各個(gè)頻率間隔成分在時(shí)間上已經(jīng)對(duì)齊并壓縮入同一脈沖的特點(diǎn)，將飛秒激光入射LDV的光電探測(cè)器后，記錄LDV顯示的不同頻率成分測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中以Polytec的高頻LDV系統(tǒng)UHF-120為例，其載波頻率約為618 MHz［33］，首先用飛秒激光輸入測(cè)振儀的光學(xué)前端，獲得并分析由示波器記錄的LDV光學(xué)前端的傳輸特性，再記錄實(shí)驗(yàn)中飛秒激光器的參數(shù)作為對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中飛秒激光器的光脈沖寬度為80 fs，中心波長(zhǎng)為810 nm，重復(fù)頻率為76 MHz，對(duì)應(yīng)于約13.16 ns的脈沖間隔，脈沖能量為6.6 pJ，其常用于表征采樣率高達(dá)數(shù)十GHz的示波器的時(shí)間響應(yīng)。為了準(zhǔn)確計(jì)算脈沖響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)以40 GHz的采樣率測(cè)量了大約38000個(gè)連續(xù)脈沖，并將其平均值作為前端的脈沖響應(yīng)，最后計(jì)算示波器信號(hào)得出測(cè)振儀的頻響曲線。

總體來說，此實(shí)驗(yàn)的信號(hào)輸入不是通常的正弦信號(hào)激勵(lì)，而是利用飛秒激光脈寬極短的特性，將不同頻率的信號(hào)譜線壓縮入同一個(gè)脈沖來用作脈沖光信號(hào)。相比于產(chǎn)生GHz量級(jí)的精確調(diào)頻光信號(hào)，脈沖激勵(lì)光信號(hào)確實(shí)是更容易實(shí)現(xiàn)的方法。但帶來的問題是，不能對(duì)各種不同的振動(dòng)方式做充分模擬，只能表征其頻響曲線。根據(jù)飛秒光頻梳時(shí)頻傳遞技術(shù)，可以考慮將電信號(hào)頻率不確定度極小的光學(xué)頻率梳作為頻率信號(hào)源，從而使振動(dòng)頻率與幅度量值傳遞的不確定度進(jìn)一步減小。但是這種結(jié)合需要深入的理論分析工作，實(shí)際的激勵(lì)光光源與輸入方式也需要重新設(shè)計(jì)。

1.2.2電控激光二極管校準(zhǔn)法

電控激光二極管（laser diode，LD）校準(zhǔn)法最早于2020年在PTB發(fā)布的文章［33］中提出。試驗(yàn)裝置利用電信號(hào)激勵(lì)高速激光二極管產(chǎn)生調(diào)制輸入光，輸入的模擬光光強(qiáng)為

式中：I與I0為光強(qiáng)信號(hào)幅值，V；F為載波（專指外差測(cè)量時(shí)的載波）頻率，Hz；x（t）為隨時(shí)間變化的位移，m；λ為激光波長(zhǎng)，m。

這種方法的基本思想是從公式（3）演變而來的。作為L(zhǎng)DV的中心傳感部分，光電探測(cè)器無法分辨光強(qiáng)變化是由光干涉引起還是由調(diào)制外光源引起。當(dāng)輸入光的光強(qiáng)為式（3）時(shí)，LDV的響應(yīng)將與真實(shí)運(yùn)動(dòng)引起的速度相同。在圖3所示校準(zhǔn)裝置中，光源是波長(zhǎng)與LDV發(fā)出激光波長(zhǎng)一致的普通10 mW激光二極管。調(diào)整偏置電流使進(jìn)入LDV的平均光束功率小于1 mW，與LDV激光器的典型輸出功率大致匹配。

圖3 電調(diào)制激光二極管激勵(lì)法校準(zhǔn)裝置[33]Fig.3 Calibration device of electrically tunable laser diode excitation method[33]

光信號(hào)由激光二極管產(chǎn)生，具有相位調(diào)制能力的射頻發(fā)生器為激光二極管提供調(diào)制電流，調(diào)制深度設(shè)置在30%~50%范圍內(nèi)，然后用一個(gè)非偏振分束器將約50%的LD光分離出來經(jīng)過一個(gè)帶寬為400 MHz、已知時(shí)延的參考光電探測(cè)器作為監(jiān)測(cè)信號(hào)，另外50%經(jīng)過LD和LDV之間設(shè)置的偏振片和四分之一波片，保證其以圓偏光形式進(jìn)入干涉儀。已使用電控激光二極管校準(zhǔn)法驗(yàn)證了速度小于1 m/s（即對(duì)應(yīng)頻偏小于3.16 MHz），頻率小于50 kHz的振動(dòng)信號(hào)。對(duì)于高達(dá)100 kHz的振動(dòng)頻率，相對(duì)不確定度小于0.01%，即電控激光二極管校準(zhǔn)法在高頻范圍同樣適用。

2 校準(zhǔn)方法對(duì)比

從五個(gè)角度對(duì)本文所述的激光測(cè)振儀的校準(zhǔn)方法——聲光、電光兩種外調(diào)制光校準(zhǔn)方法和飛秒激勵(lì)、電控LD兩種內(nèi)調(diào)制光校準(zhǔn)方法進(jìn)行對(duì)比分析說明。

2.1 光源

前文所述的方法雖然均采用非機(jī)械調(diào)制光來進(jìn)行測(cè)試，但內(nèi)外調(diào)制校準(zhǔn)的兩類方法使用的光源不同，二者有本質(zhì)區(qū)別：外調(diào)制校準(zhǔn)方法是對(duì)測(cè)振儀發(fā)出的光進(jìn)行調(diào)制再使其返回，調(diào)制結(jié)構(gòu)不需要產(chǎn)生光；內(nèi)調(diào)制校準(zhǔn)方法則不使用測(cè)振儀發(fā)出的光，由調(diào)制結(jié)構(gòu)控制并產(chǎn)生測(cè)試光輸入測(cè)振儀。

因此，外調(diào)制校準(zhǔn)方法對(duì)測(cè)振儀使用的激光頻率不敏感，被校儀器使用激光的頻率在校準(zhǔn)裝置給定的測(cè)試頻段內(nèi)即可。而內(nèi)調(diào)制校準(zhǔn)方法需要選擇與被校儀器使用激光的頻率等性能參數(shù)盡可能接近的半導(dǎo)體激光器，以保證模擬測(cè)試時(shí)的激光頻率響應(yīng)結(jié)果與實(shí)際使用情況一致。所以外調(diào)制方法更符合計(jì)量溯源標(biāo)準(zhǔn)的要求，可作為之后LDV校準(zhǔn)方法的主要發(fā)展方向。

2.2 校準(zhǔn)裝置的光路

從各方法所用校準(zhǔn)裝置的光路分析，外調(diào)制光方法和內(nèi)調(diào)制光方法有著較大區(qū)別：外調(diào)制光的光路需要根據(jù)調(diào)制光器件需要的光束輸入輸出參數(shù)來設(shè)置，例如聲光調(diào)制光校準(zhǔn)方法中，根據(jù)AOM的調(diào)制特性和第一級(jí)衍射光角度的變化，不僅需要聚焦調(diào)整輸入AOM的光斑大小，還需要調(diào)整光軸的旋轉(zhuǎn)角度，整體裝置調(diào)整使用較為復(fù)雜。當(dāng)AOM被調(diào)制時(shí)，隨著瞬時(shí)頻移的改變，射向反射鏡的光線會(huì)有位置和角度上的偏移，這會(huì)導(dǎo)致回光無法有效的再、進(jìn)行兩次聲光調(diào)制。這個(gè)問題在速度頻移較低時(shí)影響較小，但會(huì)隨著信號(hào)頻率與帶寬提升而放大，從而制約此方法充分發(fā)揮其調(diào)制頻帶較寬的優(yōu)勢(shì)。又例如電光調(diào)制法中，只需要準(zhǔn)直光以確定的偏振方向入射EOM即可，光路不需要專門設(shè)計(jì)，比較簡(jiǎn)單。在內(nèi)調(diào)制光方法中，光路保證從外部光源產(chǎn)生的調(diào)制光直接正射入LDV的前端光學(xué)頭即可，需要考慮的是激光功率不要超出LDV中探測(cè)器的測(cè)量范圍，盡可能和實(shí)際使用場(chǎng)景保持一致。

2.3 光調(diào)制方式

從光被調(diào)制的方式分析，外調(diào)制光方法是對(duì)測(cè)量光的電場(chǎng)相位或頻率進(jìn)行調(diào)制，光強(qiáng)和偏振不隨調(diào)制變化：在聲光調(diào)制光校準(zhǔn)方法中，AOM對(duì)光進(jìn)行頻率調(diào)制，頻率調(diào)制的頻偏與調(diào)頻均在MHz量級(jí)，與實(shí)際振動(dòng)物體的多普勒回光信號(hào)頻偏最接近；在電光調(diào)制光校準(zhǔn)方法中，EOM對(duì)光進(jìn)行相位調(diào)制，由于可以通過調(diào)相間接實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，故部分調(diào)制光信號(hào)情況與AOM相同；飛秒脈沖光校準(zhǔn)方法中的調(diào)制光從原理上直接由飛秒激光器完成；電控LD校準(zhǔn)方法中是對(duì)光強(qiáng)度的直接調(diào)制，從原理上并不涉及光學(xué)干涉部分，與測(cè)振儀實(shí)際工作時(shí)接收光信號(hào)有一定的差異，不及其它三種校準(zhǔn)方法方法符合實(shí)際工況。

2.4 電控驅(qū)動(dòng)信號(hào)

除了飛秒脈沖光校準(zhǔn)方法只考慮測(cè)試激光測(cè)振儀的頻響而不考慮對(duì)振動(dòng)進(jìn)行模擬之外；另三種方法的光驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器或標(biāo)準(zhǔn)任意波形合成器生成的調(diào)制電信號(hào)，即在信號(hào)中包含了模擬振動(dòng)的參數(shù)，但具體形式又各有不同：

在聲光校準(zhǔn)方法中，根據(jù)AOM的工作要求，電信號(hào)要首先經(jīng)過射頻信號(hào)放大器后再輸入AOM中，此信號(hào)是將測(cè)試振動(dòng)的多普勒頻移信號(hào)調(diào)制到AOM的工作基頻上，每3.16 MHz調(diào)頻信號(hào)頻偏對(duì)應(yīng)1 m/s的振動(dòng)速度，調(diào)制頻率與振動(dòng)頻率相同，即振動(dòng)的兩個(gè)參數(shù)均能溯源到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)的頻率上。

在電控LD校準(zhǔn)方法中，直接控制光強(qiáng)的電信號(hào)應(yīng)與測(cè)振儀正常工作時(shí)內(nèi)部光電探測(cè)器的輸出信號(hào)相同，即振動(dòng)的頻率與速度溯源到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)的頻率上。

在電光校準(zhǔn)法中，根據(jù)EOM原理可知，一定范圍內(nèi)加在EOM晶體上的電壓值與通過EOM附加的光學(xué)相位成正比。故依照激光測(cè)振儀回光信號(hào)的電場(chǎng)表達(dá)式（1），所需電壓信號(hào)幅值與振動(dòng)位移值成正比，即振動(dòng)的頻率和位移溯源到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)的頻率和電壓幅值上。在振動(dòng)速度超過EOM半波電壓能直接調(diào)節(jié)的范圍時(shí)，需要通過載入計(jì)算后等效的合成數(shù)字信號(hào)波形來完成對(duì)光的調(diào)制。但由于信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)的頻率比幅值的不確定度更低，故電光校準(zhǔn)法信號(hào)不確定度較聲光、電控LD兩種校準(zhǔn)方法處于劣勢(shì)。

2.5 預(yù)估校準(zhǔn)范圍

從理論上的校準(zhǔn)范圍角度分析，現(xiàn)有的AOM的調(diào)制帶寬約為數(shù)十MHz，聲光校準(zhǔn)法的上限可以覆蓋大部分需要測(cè)試校準(zhǔn)的振動(dòng)速度與頻率范圍，從低頻低速到高頻高速均可。現(xiàn)有的EOM的調(diào)制帶寬根據(jù)波長(zhǎng)不同而有所差異，從數(shù)十MHz到GHz均有，但受限于信號(hào)電壓幅值的噪聲下限和半波電壓上限，部分位移極小的振動(dòng)參數(shù)并不能模擬，部分位移較大的振動(dòng)需要專門計(jì)算對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。AOM和EOM受限于原理，調(diào)制的理論計(jì)算值和實(shí)際調(diào)制值并不嚴(yán)格精確相等，需要引入監(jiān)測(cè)信號(hào)和計(jì)算不確定度后，再計(jì)算校準(zhǔn)的偏差?，F(xiàn)有LD主要問題是其激光的方向性和單色性比LDV中使用的激光器差且受溫度的影響較大，可能會(huì)引入額外的誤差。

以上所述激光測(cè)振儀校準(zhǔn)方法的對(duì)比見表1。

表1 校準(zhǔn)方法對(duì)比Table.1 Comparison of calibration methods

3 總結(jié)與展望

綜上所述，在對(duì)國內(nèi)國際振動(dòng)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的延伸與新的校準(zhǔn)方法探索中，機(jī)械振動(dòng)法的頻率限制在500 kHz以下，高頻水聽器校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)[34-35]僅可作為參考；模擬電信號(hào)激勵(lì)法由于沒有校準(zhǔn)LDV前端的光學(xué)部分，現(xiàn)僅在對(duì)電路處理部分進(jìn)行誤差分析時(shí)使用。而應(yīng)用非機(jī)械調(diào)制光校準(zhǔn)激光多普勒測(cè)振儀的幾種方法在校準(zhǔn)范圍上相比于現(xiàn)有校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)均有很大提升。其中，聲光調(diào)制校準(zhǔn)方法適合頻率在數(shù)十MHz以下的全參數(shù)范圍振動(dòng)的校準(zhǔn)，電光調(diào)制校準(zhǔn)法適合頻率在MHz到GHz的微小位移的振動(dòng)校準(zhǔn)，飛秒脈沖光校準(zhǔn)法只適合頻率高達(dá)GHz及以上的測(cè)振系統(tǒng)的頻響測(cè)試。

根據(jù)這些校準(zhǔn)方法的研究現(xiàn)狀，可以預(yù)測(cè)今后研究工作的方向：①使用AOM或EOM的校準(zhǔn)方法的校準(zhǔn)范圍有較大提升空間，在不高于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)不確定度的前提下，有希望做到覆蓋全部待校準(zhǔn)范圍；②隨著近十年飛秒光頻梳的發(fā)展，使用飛秒激光器的測(cè)試方法應(yīng)有更周密精確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；③本文所述校準(zhǔn)方法使用的裝置理論上均可以采用光纖光路，這樣不僅可以提高集成度，還能達(dá)到在避免光軸對(duì)準(zhǔn)工作的同時(shí)增加系統(tǒng)穩(wěn)定性的效果，但具體效果有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測(cè)試；④按照半導(dǎo)體激光器調(diào)制光校準(zhǔn)方法的原理，AOM和EOM同樣可以做到對(duì)光強(qiáng)度的調(diào)制，此方向尚無人研究，有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試。

因此，今后此類校準(zhǔn)方法的重點(diǎn)將會(huì)集中于以下三點(diǎn)：①對(duì)光進(jìn)行穩(wěn)定的高精度調(diào)制；②準(zhǔn)確評(píng)估大速度與頻率范圍內(nèi)的光電信號(hào)質(zhì)量與不確定度；③分析高頻電光信號(hào)互相影響的程度。同時(shí)，以上校準(zhǔn)方法在經(jīng)過更深入分析和優(yōu)化對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證后，再結(jié)合各自的優(yōu)勢(shì)區(qū)間綜合校準(zhǔn)測(cè)振儀的全部參數(shù)范圍，有望為未來國際LDV校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)提供新的選擇方案。