一种自适应全光纤激光超声测量仪

1.本发明涉及激光超声测量技术领域的一种光纤测量仪，特别是涉及了一种自适应全光纤激光超声测量仪及其测量方法。


背景技术：

2.激光超声是一种完全非接触的测量技术，分别使用激光在待测试样产生和检测超声波信号，无须任何耦合剂，非常适合高温、高压、强辐射、强腐蚀等极端环境下或高速运动、复杂结构等各种零部件的在线测量。相较于常规压电超声检测系统，激光超声系统具备其特有的优势，包括远距离非接触(最远可达10米以)、模态多、频带宽、分辨率高以及应用范围广等。因此，激光超声检测技术受到了国内外科研工作者的广泛关注。通常，一个激光脉冲照射到待测试样表面产生热膨胀应力，从而激发出超声波，再用光学方法去探测激光超声波。激光超声非常适合各种工业应用，如高温钢管、涂层厚度和复杂形状复合材料等的测量。但由于工业现场环境比较复杂，如高温、振动等，使得激光超声检测技术的稳定性受到严重影响。同时由于待测试样表面质量一致性较差，激光超声回波信号幅值波动很大。此外，激光超声检测装置光路复杂，体积庞大，难以结合扫描技术实现待测试样整体检测。
3.现有基于法布里-珀罗干涉仪的激光超声测量系统一个典型缺点是难以控制干涉仪长期稳定工作在最佳灵敏度。这是因为工业现场高温、振动等环境容易造成法布里-珀罗干涉仪腔长变化或者激光频率漂移。为了获得最佳检测性能，法布里-珀罗干涉仪腔长必须能够根据环境和本身变形自适应调整以补偿激光频率漂移和热膨胀引起的腔长变化。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有自适应能力的全光纤激光超声测量仪和测量方法，同时提出一种基于归一化的激光超声回波信号自动补偿方法。
5.本发明具有环境适应性强、测量灵敏度高、结构紧凑、便携性强、维护调整方便等特点。
6.本发明所采用的技术方案是：
7.一、一种自适应全光纤激光超声测量仪：
8.包括窄线宽半导体光纤激光器、第一光纤偏振控制器、第一光纤偏振分束器、第一光纤环形器、第二光纤偏振控制器、干涉仪、波分复用器、指示激光器、光纤准直器、双轴扫描振镜、光汇聚收集器、准直透镜、第二光纤环形器和第三光纤偏振控制器；
9.窄线宽半导体光纤激光器输出端经第一光纤偏振控制器和第一光纤偏振分束器的输入端连接，第一光纤偏振分束器的一个输出端和第一光纤环形器的第一端口连接，第一光纤环形器的第二端口经第二光纤偏振控制器后和干涉仪的一端连接；
10.第一光纤偏振分束器的另一个输出端和指示激光器共同连接到波分复用器的两个输入端，波分复用器的输出端和光纤准直器连接，光纤准直器输出准直光束经双轴扫描振镜照射到待测试样上，待测试样上方设有光汇聚收集器，光汇聚收集器接收来自待测试
样的散射光后入射到准直透镜，准直透镜连接到第二光纤环形器的第一端口，第二光纤环形器的第二端口经第三光纤偏振控制器和干涉仪的另一端连接。
11.窄线宽半导体光纤激光器发出连续激光，经第一光纤偏振控制器偏振处理后形成具有p偏振态和s偏振态的正交线偏振光，经第一光纤偏振分束器分束后形成p偏振态的线偏振光和s偏振态的线偏振光；
12.以s偏振态的线偏振光作为参考光，参考光经第一光纤环形器入射到第二光纤偏振控制器中，经第二光纤偏振控制器偏振处理后输入到干涉仪中；
13.以p偏振态的线偏振光作为探测光，探测光和指示激光器输出的可见光一起经波分复用器复用后输入到光纤准直器，光纤准直器输出空间自由光，空间自由光经双轴扫描振镜照射到的待测试样上产生超声振动，由待测试样表面散射产生超声振动调制的散射光，散射光经光汇聚收集器收集汇聚后入射到准直透镜，经准直透镜后变成信号光，信号光经第二光纤环形器入射到第三光纤偏振控制器中，经第三光纤偏振控制器偏振处理后输入到干涉仪中；
14.参考光和信号光在干涉仪中均发生了反射和透射；
15.经干涉仪透射后的信号光和经干涉仪反射后的参考光合束后经第二光纤偏振控制器入射到第一光纤环形器中，从第一光纤环形器的第三端口输出；
16.经干涉仪透射后的参考光和经干涉仪反射后的信号光合束后经第三光纤偏振控制器入射到第二光纤环形器中，从第二光纤环形器的第三端口输出。
17.所述光纤偏振控制器为三环机械型光纤偏振控制器，第二光纤偏振控制器和第三光纤偏振控制器的偏振为四分之一波长，第一光纤偏振控制器将线偏振光的偏振状态变成椭圆偏振态，p偏振态光和s偏振态光比例为90：10。
18.第一光纤偏振控制器用于进行偏振处理，利用光纤在外力作用下产生双折射，将线偏振光的偏振态变成包括p态和s态偏振正交分量的任意椭圆偏振态。其具体原理为：其中三个环分别等效为λ/4、λ/2、λ/4三种波片，光波进过λ/4波片转换为线偏振光，再由λ/2波片调整偏振方向，最后经由λ/4波片将线偏振光的偏振状态变成任意的偏振态。使用偏振控制器通过180
°
旋转1/4波片和1/2波片，可以获得偏振态的旋转变化。
19.还包括第二光纤偏振分束器和第三光纤偏振分束器；第二光纤偏振分束器的输入端连接到第一光纤环形器的第三端口，第二光纤偏振分束器的两个输出端分别连接一个光电探测器；第三光纤偏振分束器的输入端连接到第二光纤环形器的第三端口，第三光纤偏振分束器的两个输出端也分别连接一个光电探测器。
20.还包括反馈控制系统，反馈控制系统分别连接到第二光纤偏振分束器和第三光纤偏振分束器的输出经干涉仪反射和透射处理后的参考的光输出端口；由反馈控制系统接收经干涉仪反射/透射处理后的参考光后进行处理并反馈到干涉仪，实时调整干涉仪的检测灵敏度。
21.还包括数据采集卡，数据采集卡分别连接到第二光纤偏振分束器和第三光纤偏振分束器的输出经干涉仪反射和透射处理后的信号光的输出端口，由数据采集卡采集接收经干涉仪反射和透射处理后的信号光作为激光超声信号，后进行针对待测试样表面质量的检测识别处理。
22.所述的待测试样安置在平台上，在受到双轴扫描振镜的激光照射后，产生超声振
动。所述超声由脉冲激光产生，亦即一个激光脉冲照射到待测试样表面产生热膨胀应力，从而激发出超声波。
23.所述的待测试样具体为高温钢管、涂层和复杂形状复合材料等。
24.所述的干涉仪为法布里-珀罗干涉仪。
25.通过调整干涉仪的腔长，进而调整干涉仪的透射/反射曲线，进而调整干涉仪工作固定频率对应的幅值和斜率，进而调整灵敏度。
26.本发明采用的光纤均为保偏光纤。
27.在本发明实现中，待测试样受到脉冲激光束照射并激发产生超声波。同时，基于热膨胀效应产生的超声波会引起检测光的相位变化。然后，经超声振动信号调制的散射光输入至干涉仪。干涉仪则通过解调将输入光的相位调制转换成幅值调制。
28.二、一种自适应全光纤激光超声测量仪的测量方法：
29.分光产生参考光和检测光，将探测光入射到的待测试样的目标对象上调制超声振动，汇聚收集待测试样散射出的散射光，经光电转换后耦合至光纤获得超声振动调制的信号光，通过光纤环形器和偏振控制器将信号光和参考光输入干涉仪，在干涉仪内腔内经干涉输出，干涉输出的参考光经光电探测器生成反馈控制信号进而用于调整干涉仪的腔长，进而反馈调节优化干涉仪的检测灵敏度性能，干涉输出的信号光输出经光电探测器生成超声信号实现待测试样的超声测量。
30.所述参考光和探测光由光源偏振分束产生，所述探测光经双轴振镜引导入射至待测试样，所述信号光由待测对象散射经光学透镜组汇聚收集形成，所述信号光被待测目标中的超声波相位调制。
31.测量过程中，采用以下方式进行信号补偿：将双轴扫描振镜不同位置扫描采集的激光超声信号合成为一个合路信号，将合路信号经希尔伯特变换后，再做包络处理得到表面波包络信号，取表面波包络信号中具有最大幅值的信号作为基准信号，根据基准信号分别对各个表面波包络信号进行归一化处理。归一化后试样表面质量不佳处的信号强度和信噪比得到提高，再将处理后的合路信号进行成像，在同一幅图上质量不佳处也能够清楚显现，实现对试样表面的高灵敏度测量。
32.所述表面波包络信号幅值最大的激光超声信号为基准信号。
33.所述激光超声信号根据基准信号和表面波包络信号进行归一化处理。
34.本发明通过上述信号补偿处理，能够提高试样表面质量不佳处的信号强度和信噪比，实现了对表面一致性差的待测试样的完整检测，大大提高后续缺陷的判定或涂层厚度测量的准确性。
35.本发明中，窄线宽半导体光纤激光器输出光经偏振控制器和偏振分束器分光产生探测光和参考光，探测光经波分复用器和双轴扫描振镜照射至待测试样，超声振动调制的散射光汇聚收集作为信号光输入，信号光和参考光分别从干涉仪两端以相反传播方向输入到干涉仪，经干涉仪解调的参考光生成反馈控制信号，用于调整干涉仪的腔长稳定工作在最佳检测灵敏度性能，经干涉仪解调的信号光生成超声波信号，实现待测试样超声测量，包括厚度、缺陷、材料特性等。
36.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
37.1)本发明环境适应性强，可以实时自适应补偿工业现场环境变化造成的激光频率
漂移和干涉仪热膨胀、变形等引起的腔长变化；
38.2)本发明测量灵敏度高，可以自适应放大待测试样表面弱散射导致的低信噪比信号；
39.3)本发明结构紧凑，便携性强；
40.4)本发明维护调整方便。
附图说明
41.图1为本发明激光超声测量系统的实现框图；
42.图2为本发明激光超声测量系统的工作流程图；
43.图3为干涉仪最佳检测灵敏度控制流程图；
44.图4为基于归一化的激光超声信号自动补偿方法示意图。
45.图中：窄线宽半导体光纤激光器(1)、第一光纤偏振控制器(2)、第一光纤偏振分束器(3)、第一光纤环形器(4)、第二光纤偏振控制器(5)、干涉仪(6)、波分复用器(7)、指示激光器(8)、光纤准直器(9)、双轴扫描振镜(10)、待测试样(11)、光汇聚收集器(12)、准直透镜(13)、第二光纤环形器(14)、第三光纤偏振控制器(15)、第二光纤偏振分束器(16)、第一光电探测器(17)、第二光电探测器(18)、第三光纤偏振分束器(19)、第三光电探测器(20)、第四光电探测器(21)、反馈控制系统(22)、数据采集卡(23)。
具体实施方式
46.下面结合附图对本发明进一步说明。
47.如图1所示，具体实施的仪器包括窄线宽半导体光纤激光器1、第一光纤偏振控制器2、第一光纤偏振分束器3、第一光纤环形器4、第二光纤偏振控制器5、干涉仪6、波分复用器7、指示激光器8、光纤准直器9、双轴扫描振镜10、光汇聚收集器12、准直透镜13、第二光纤环形器14和第三光纤偏振控制器15；窄线宽半导体光纤激光器1输出端经第一光纤偏振控制器2和第一光纤偏振分束器3的输入端连接，第一光纤偏振分束器3的一个输出端和第一光纤环形器4的第一端口连接，第一光纤环形器4的第二端口经第二光纤偏振控制器5后和干涉仪6的一端连接；第一光纤偏振分束器3的另一个输出端和指示激光器8共同连接到波分复用器7的两个输入端，波分复用器7的输出端和光纤准直器9连接，光纤准直器9输出准直光束经双轴扫描振镜10照射到待测试样11上，待测试样11上方设有光汇聚收集器12，光汇聚收集器12接收来自待测试样11的散射光后入射到准直透镜13，准直透镜13连接到第二光纤环形器14的第一端口，第二光纤环形器14的第二端口经第三光纤偏振控制器15和干涉仪6的另一端连接。
48.窄线宽半导体光纤激光器1发出连续激光，经第一光纤偏振控制器2骗子处理后形成具有p偏振态和s偏振态的正交线偏振光，经第一光纤偏振分束器3分束后形成p偏振态的线偏振光和s偏振态的线偏振光；以s偏振态的线偏振光作为参考光，参考光经第一光纤环形器4入射到第二光纤偏振控制器5中，经第二光纤偏振控制器5偏振处理后输入到干涉仪6中；以p偏振态的线偏振光作为探测光，探测光和指示激光器8输出的可见光一起经波分复用器7复用后输入到光纤准直器9，光纤准直器9开始输出空间自由光，空间自由光经双轴扫描振镜10照射到待测试样11上，待测试样11照射到的区域会把超声振动信息调制到检测激
光中，由待测试样11表面散射产生超声振动调制的散射光，散射光经光汇聚收集器12收集汇聚后入射到准直透镜13，经准直透镜13后变成信号光，信号光经第二光纤环形器14入射到第三光纤偏振控制器15中，经第三光纤偏振控制器15偏振处理后输入到干涉仪6中；参考光和信号光在干涉仪6中均发生了反射和透射，产生了经干涉仪6透射后的信号光和参考光、经干涉仪6反射后的信号光和参考光；经干涉仪6透射后的信号光和经干涉仪6反射后的参考光合束后经第二光纤偏振控制器5偏振处理后入射到第一光纤环形器4中，从第一光纤环形器4的第三端口输出；经干涉仪6透射后的参考光和经干涉仪6反射后的信号光合束后经第三光纤偏振控制器15偏振处理后入射到第二光纤环形器14中，从第二光纤环形器14的第三端口输出。
49.光纤偏振控制器优选为三环机械型光纤偏振控制器，第二光纤偏振控制器5和第三光纤偏振控制器15的偏振为四分之一波长，第一光纤偏振控制器2将线偏振光的偏振状态变成椭圆偏振态，p偏振态光和s偏振态光比例为90：10。
50.具体地，原始的参考光经过两次第二光纤偏振控制器5的四分之一波片偏振处理形成干涉仪透射和反射的参考光，由s态偏振变成p态偏振。
51.具体地，原始的信号光经过两次第三光纤偏振控制器15的四分之一波片偏振处理形成干涉仪透射和反射的信号光，由p态偏振变成s态偏振。
52.还包括第二光纤偏振分束器16和第三光纤偏振分束器19；第二光纤偏振分束器16的输入端连接到第一光纤环形器4的第三端口，第二光纤偏振分束器16的两个输出端分别连接一个光电探测器；第三光纤偏振分束器19的输入端连接到第二光纤环形器14的第三端口，第三光纤偏振分束器19的两个输出端也分别连接一个光电探测器。
53.第二光纤偏振分束器16两个输出端连接的光电探测器分别为第一光电探测器17和第二光电探测器18，第三光纤偏振分束器19两个输出端连接的光电探测器分别为第三光电探测器20和第四光电探测器21；第一光电探测器17和第三光电探测器20连接到反馈控制系统22，第二光电探测器18和第四光电探测器21连接到数据采集卡23。
54.第一光电探测器17从第二光纤偏振分束器16接收经干涉仪6透射后的信号光，第二光电探测器18从第二光纤偏振分束器16接收经干涉仪6反射后的参考光，第三光电探测器20从第三光纤偏振分束器19接收经干涉仪6反射后的信号光，第四光电探测器21从第三光纤偏振分束器19接收经干涉仪6透射后的参考光。
55.还包括反馈控制系统22，反馈控制系统22分别连接到第二光纤偏振分束器16和第三光纤偏振分束器19的输出经干涉仪6反射和透射处理后的参考的光输出端口；由反馈控制系统22接收经干涉仪6反射/透射处理后的参考光后进行处理并反馈到干涉仪6，实时调整干涉仪6的检测灵敏度，达到最优灵敏度。
56.还包括数据采集卡23，数据采集卡23分别连接到第二光纤偏振分束器16和第三光纤偏振分束器19的输出经干涉仪6反射和透射处理后的信号光的输出端口，由数据采集卡23采集接收经干涉仪6反射和透射处理后的信号光作为激光超声信号，后进行针对待测试样11表面质量的检测识别处理。
57.待测试样11中的超声由脉冲激光器产生，亦即一个激光脉冲照射到待测试样表面产生热膨胀应力，从而激发出超声波。
58.由于环境温度和超声振动会影响光束中的参数，使得光束和干涉仪6中的透射/反
射曲线之间的匹配关系存在误差，干涉仪6对光束的干涉作用效果变差。通过调整干涉仪6的腔长，进而调整干涉仪6的透射/反射曲线，进而调整干涉仪6工作固定频率对应的幅值和斜率，进而调整灵敏度。
59.透射/反射曲线的横坐标是频率，纵坐标是光强透射系数，表明光强变化响应，响应幅值越大则解调效果越好。
60.在环境温度局部降低或者超声振动频率局部减小的情况下，干涉仪6的透射/反射曲线向左移动，干涉仪6的工作固定频率对应的幅值增大，斜率增加，使得灵敏度升高。优先地通过调整干涉仪6的腔长，使得工作固定频率对应的幅值位于最大幅值的一半，即使得斜率最大，使得灵敏度最高。
61.根据经干涉仪6反射/透射处理后的参考光其中之一的参考光进行反馈即可。
62.具体实施中，干涉仪6包括一对反射镜，其中至少一个反射镜是可移动的，两个反射镜之间的距离确定干涉仪腔长。
63.窄线宽半导体光纤激光器1用于生成并提供激光超声检测光源，输出波长为1550nm，功率为100mw的连续激光。
64.第一光纤偏振控制器2，用于改变连续激光的偏振态；
65.第一光纤偏振分束器3，用于将光纤中含有的正交线偏振光分为参考光和探测光；具体实施的第一光纤偏振分束器3为1
×
2分束比，工作波长为1550nm，探测光和参考光分光比为90。
66.指示激光器8用于输出650nm可见光，标识探测光位置。
67.波分复用器7，用于将探测光和指示激光器8的输出光汇合在一起，并耦合到同一根光纤中进行传输；工作波长为650/1550nm。
68.光纤准直器9，用于将光纤内的传输光变成准直光；
69.双轴扫描振镜10，用于将探测光束引导至待测试样11表面不同位置检测激光超声信号；
70.光汇聚收集器12将从待测试样11散射出的光汇聚收集后经准直透镜13耦合至光纤形成信号光，并经第二光纤环形器14和第三光纤偏振控制器15后从另一端输入到干涉仪6；
71.信号光在干涉仪6内的传播方向与参考光相反。
72.第二光纤偏振分束器16接收从第一环形器输出的光束，分别由干涉仪透射的信号光和干涉仪反射的参考光而来，其第一输出口为干涉仪透射的信号光，经第一光电探测器17转换为第一超声信号，第二输出口为干涉仪反射的参考光，经第二光电探测器18转换为第一反馈控制信号。
73.第三光纤偏振分束器19接收从第二环形器输出的光束，分别由干涉仪反射的信号光和干涉仪透射的参考光而来，其第一输出口为干涉仪反射的信号光，经第三光电探测器20转换为第二超声信号，第二输出口为干涉仪透射的参考光，经第四光电探测器21转换为第二反馈控制信号。
74.准直器实现激光在光纤与自由空间的耦合，光纤准直器9将探测光和指示光从光纤耦合至自由空间，准直透镜13则将散射信号光耦合至光纤。
75.光电探测器17、20将信号光转换后输出超声信号，光电探测器18、21将参考光转换
后输出反馈控制信号。
76.反馈控制系统22接收第一和第二反馈控制信号，并根据其中一个实现干涉仪腔长实时调节，基于反馈控制信号实时调制干涉仪腔长使其稳定在最佳检测性能。
77.数据采集卡23存储第一和第二超声信号并进行后处理用于待测试样的超声波测量，实施存储和处理超声信号，实现待测试样的超声测量。数据采集卡23用于实现待测试样厚度测量、缺陷成像与材料定征等功能。
78.双轴扫描振镜10输出探测光，在x和y方向上可偏转扫描，引导探测光以斜入射至待测试样11的任意检测位置。
79.具体实施中，光路分光产生参考光和检测光，将探测光入射到待测试样11的目标对象上调制超声振动，汇聚收集待测试样11散射出的散射光，经光电转换后耦合至光纤获得超声振动调制的信号光，通过不同光纤环形器和偏振控制器将信号光和参考光输入干涉仪11，在干涉仪11内腔内经干涉输出，干涉输出的参考光经光电探测器生成反馈控制信号进而用于调整干涉仪的腔长，进而反馈调节优化干涉仪的检测灵敏度性能，干涉输出的信号光输出经光电探测器生成超声信号实现待测试样11的超声测量。待测试样11的超声波测量，如测厚、缺陷成像与材料特性参数定征等。
80.测量过程中，采用以下方式进行信号补偿：将双轴扫描振镜10不同位置扫描采集的激光超声信号合成为一个合路信号，将合路信号经希尔伯特变换后，再做包络处理得到表面波包络信号，取表面波包络信号中具有最大幅值的信号作为基准信号，根据基准信号分别对各个表面波包络信号进行归一化处理。归一化后试样表面质量不佳处的信号强度和信噪比得到提高，再将处理后的合路信号进行成像，在同一幅图上质量不佳处也能够清楚显现，实现对试样表面的高灵敏度测量。
81.本发明结构紧凑，便携性强，维护调整方便。
82.图2为本发明激光超声测量系统的工作流程图。
83.在步骤1中，窄线宽半导体光纤激光器输出光经偏振控制器和偏振分束器分光产生探测光和参考光。
84.在步骤2中，探测光经波分复用器和双轴扫描振镜照射至待测试样，同时指示激光用于标识探测光照射位置。
85.在步骤3中，超声振动调制的散射光汇聚收集作为信号光输入。
86.在步骤4中，信号光和参考光分别从干涉仪两端以相反传播方向输入到干涉仪。
87.在步骤5中，经干涉仪解调的透射/反射的参考光生成反馈控制信号，用于调整干涉仪的腔长稳定工作在最佳检测灵敏度性能。
88.在步骤6中，经干涉仪解调的透射/反射的信号光生成超声波信号。
89.在步骤7中，利用接收到超声波信号实现待测试样测量。
90.在步骤8中，输出待测试样超声波测量结果，譬如厚度、缺陷、材料特性等。
91.图3为本发明干涉仪最佳检测灵敏度控制流程图，其工作过程主要是：
92.扫描干涉仪腔长得到干涉仪透射/反射曲线。
93.根据透射/反射曲线选取斜率最大点对应的干涉仪腔长为稳定工作点。
94.调整干涉仪腔长至最佳工作点。
95.基于干涉仪透射/反射参考光生成的反馈控制信号调整腔长，如果幅值大于设定
值，则减少pzt驱动电压，反之则增大pzt驱动电压，直至稳定在最佳工作点。
96.通过调整pzt驱动电压用于调节干涉仪的腔长，若减少pzt驱动电压则减小干涉仪的腔长。
97.同时在调整过程中判断干涉仪腔长是否超出了调节范围，如果是的话则需初始化重新开始。
98.本发明环境适应性强，基于参考光可以实时自适应补偿工业现场环境变化和干涉仪本身变形等引起的激光频率漂移和干涉仪腔长变化，使干涉仪持续稳定维持在最佳工作状态，满足高温、振动等工业现场应用需求。
99.如图4所示，本发明针对信号的测量还进行基于归一化的激光超声信号自动补偿，处理过程如下：
100.第一步，通过双轴扫描振镜逐点扫描获取不同位置的激光超声信号并保存在数据采集系统中；
101.第二步，将激光超声信号经希尔伯特变换后分别做包络处理；
102.第三步，取具有最大幅值表面波的激光超声信号为基准信号，并分别通过表面波实现归一化处理。
103.本发明检测灵敏度高，可以自适应补偿待测试样表面质量不佳导致的激光超声信号微弱和信噪比低问题。
104.对于熟悉本领域的研究人员而言，本发明中的一个或多个器件可以用更加分立或者集成的方式，甚至可以在某些具体应用场景下适当移除或者增添光学器件。
105.以上所述仅为本发明的一个较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的近似修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。