利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法技术

本发明专利技术公开了利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法，该方法采用的光学器件面温度分布检测系统包括激光器调制模块，激光器温控模块，半导体激光器，光学器件，温度检测模块，信号处理模块，微控制器(MCU)，反射镜，激光功率计。激光器调制模块为随机电流调制的激光驱动器，使用激光调制模块实现半导体激光器随机的电流调制，激光器的驱动电流的改变会导致激光器波长和功率的改变，从而实现对待测对象的随机功率激励，然后利用一对温度传感器代替传统的阵列或扫描式传感器完成对光学器件表面温度信号的采样和重构过程。本发明专利技术利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法，结构简单，适用于温度检测领域。域。域。

【技术实现步骤摘要】
利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法


[0001]本专利技术涉及利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法，涉及温度检测领域。

技术介绍

[0002]温度是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目。它在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。温度是表征物体冷热程度的物理量，与长度、质量、压力等参数的测量有所不同,温度测量是利用某些物质的物理性能，如：热膨胀率、电导率、热电势、磁性能、频率、光学特性、热噪声、热光辐射强度等与温度的关系,做成各种各样的感温元件—温度传感器的,并通过使用温度传感器将温度转化为可用输出信号来间接测量温度，温度传感器可应用于各个行业均有广泛应用。温度传感器的种类很多，按测温方式分，可分为接触式测温和非接触式测温两种。接触式测温法的特点是测温元件直接与被测对象接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。非接触测温法能在接触式测温法使用不便的场合下进行温度检测，非接触式测温法的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换。本文所用的为接触式电桥测温。
[0003]可调谐激光技术检测光学器件面温度分布是应用了压缩感知原理，压缩感知(CS)是一种寻找欠定线性系统的稀疏解的技术，用于获取和重构稀疏或可压缩的信号，其在信息论、信号处理、图像处理等领域受到高度关注，它打破了奈奎斯特采样定律，在信号采样的过程中用很少的采样点实现了和全采样一样的效果。考虑到压缩感知理论的特性，将其应用于光学器件面温度检测的提取上，将采样和压缩结合到单个非自适应线性测量过程中，可以在仅使用一对负温度系数温度传感元件的情况下达到可检测整个面的效果，实现全覆盖检测。但压缩感知采样方式较为复杂，需要寻找合适方法、器件完成压缩感知的采样、重构过程。将压缩感知应用于光学器件面温度检测的重点在于实现激光对光学器件的随机激励，为此，采用随机电流调制的激光驱动器来改变激光功率，以实现随机激励。相较于其它面温度检测技术，利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法不需要机械辅助偏转，结构简单且精度更高。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是：提供利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法，激光器调制模块为随机电流调制的激光驱动器，使用激光调制模块实现半导体激光器随机的电流调制，激光器的驱动电流的改变会导致激光器波长和功率的改变，从而实现对待测对象的随机功率激励，然后利用一对温度传感器代替传统的阵列或扫描式传感器完成对光学器件表面温度信号的采样和重构过程。
[0005]本专利技术解决上述的技术问题所用的技术方案为：利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法，该方法采用的光学器件面温度分布检测系统包括激光器调制模
块，激光器温控模块，半导体激光器，光学器件，温度检测模块，信号处理模块，微控制器(MCU)，反射镜，激光功率计。
[0006]其中，激光器调制模块为随机电流调制的激光驱动器，激光器驱动电流的改变会导致激光器功率的改变，从而使照射在被测对象上的激光功率发生变化，同时，由于驱动电流的变化，激光器的波长也会相应改变，电流细调激光器波长。
[0007]其中，由于半导体激光器在工作时会产生较大的热量，故激光器温控模块可对半导体激光器进行散热，同时，激光器温控模块也可对激光器波长产生一定的调谐作用，温度粗调激光器波长。
[0008]其中，半导体激光器照射光学器件，光学器件会吸收照射激光束能量而产生温升。
[0009]其中，温度检测模块采用非平衡电桥测温，应用电桥测温原理，在桥臂中引入参考臂，以满足在环境温度改变的情况下也能达到高精度测温的需要，电桥测量由激光器照射引起的光学器件温升并将温度信号转换为电信号。
[0010]其中，信号处理模块构成信号的后处理模块，先对电桥测温模块输出的电信号进行放大滤波处理、再将放大滤波后的电信号转化为数字信号并送入微控制器或FPGA进行处理。
[0011]其中，反射镜可以反射透过光学器件的激光，从而改变激光方向，使激光照射在激光功率计上，以测得半导体激光器的功率。
[0012]其中，该系统适用于温度检测领域。
[0013]本专利技术运用的基本原理涉及如下两个方面：
[0014]①
可调谐激光技术
[0015]可调谐激光技术从实现技术上主要分为：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。其中电控技术是通过改变注入电流实现波长调谐，具有ns级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较小，基于电控技术的主要有SG
‑
DBR(采样光栅DBR)和GCRS(辅助光栅定向耦合背向取样反射)激光器。温控技术是通过改变激光器有源区折射率，从而改变激光器输出波长，该技术简单，但速度慢，可调带宽窄，只有几个nm。基于温控技术的主要有DFB(分布反馈)、DBR(分布布拉格反射)激光器；基于机械控制技术的主要有DFB(分布反馈)、ECL(外腔激光器)和VCSEL(垂直腔表面发射激光器)等结构。机械控制主要是基于MEMS(微机电系统)技术完成波长选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。本专利技术采用的是电流控制技术，基于电流控制技术的一般原理是通过改变可调谐激光器内不同位置的光纤光栅和相位控制部分的电流，从而使光纤光栅的相对折射率会发生变化，产生不同的光谱，通过不同区域光纤光栅产生的不同光谱的叠加进行特定波长的选择，从而产生需要的特定波长的激光，不同波长的激光具有不同功率。
[0016]②
压缩感知原理：
[0017]压缩感知原理指出，只要信号在某一个变换域近似满足稀疏性，即为可压缩信号，那么在观测矩阵和稀疏表示基不相关的情况下，可用观测矩阵将变换所得的高维信号投影到低维空间，然后通过求解一个优化问题就可以从这些少量的投影中以高概率重构出原信号。
[0018]其数学表达式为：
[0019]y＝Φx
ꢀꢀ⑴
[0020]x＝Ψs
ꢀꢀ⑵
[0021]其中x为长度为N的一维信号，也就是原信号，稀疏度为K，本专利技术中原信号为待测器件表面的温度信号，可在某种稀疏域上进行稀疏表示，y为长度为M的一维测量值，也就是亚采样的结果，式
⑴
表示观测矩阵Φ将高维信号x投影到低维空间y，式
⑵
表示对x在Ψ稀疏基上进行稀疏表示,Ψ为稀疏基矩阵，s为稀疏系数。因此，压缩感知问题就是在已知测量值y和测量矩阵Ψ的基础上，求解欠定方程组y＝Φx得到原信号x。然而，一般的自然信号本身并不是稀疏的，需要在某种稀疏域上进行稀疏表示，即上式
⑵
，于是最终方程就变成了：y＝ΦΨs。已知y、Φ、Ψ，求解s。常见的稀疏化方法有离散傅里叶变换(DFT)、小波变换(DWT)、离散余弦变换(DCT)。
[0022]令Θ＝ΦΨ，则y＝Θs，Θ称为传感矩阵，是一个M*N的矩阵，当M＝N时，可轻松由y求本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法，该方法采用的光学器件面温度分布检测系统包括激光器调制模块，激光器温控模块，半导体激光器，光学器件，温度检测模块，信号处理模块，微控制器(MCU)，反射镜，激光功率计；其中，激光器调制模块为随机电流调制的激光驱动器，激光器驱动电流的改变会导致激光器功率的改变，从而使照射在被测对象上的激光功率发生变化，同时，由于驱动电流的变化，激光器的波长也会相应改变，激光器调制模块可由微处理器提供信号，通过微处理器提供的信号，改变半导体激光器的调制电流，从而改变半导体激光器的功率，以实现随机功率激励，由于驱动电流的变化，激光器的波长也会相应改变，电流可起到细调激光器波长的作用；由于半导体激光器在工作时会产生较大的热量，故可用激光器温控模块来对半导体激光器进行散热，同时，激光器温控模块也可对激光器波长产生一定的调谐作用，温度起到粗调激光器波长的作用；半导体激光器照射光学器件，光学器件会吸收照射激光束能量而产生温升；温度检测模块用一对NTC(负温度系数传感器)与光学器件相接触，测量由随机激光激励引起的光学器件温升并将温度信号转换为电信号；其中，信号处理模块构成信号后处理模块，信号处理模块先对测温系统产生的电信号进行放大滤波处理，再将放大滤波后的电信号转化为数字信号并送入微处理器或FPGA进行处理，实现对基于压缩感知的温度信号采样的信号重构；其中，反射镜可以反射透过光学器件的激光，从而改变激光方向，使激光照射在激光功率计上，以测得激光器的功率；该利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法使用激光器调制模块改变激光器的驱动电流，从而使激光器的功率和波长发生改变，随机改变功率和波长的激光入射在光学器件上，以实现随机激励；该利用可调谐激光技术检测光学器件面温度分布的一种方法应用了压缩感知原理，对待测对象采取较少次...

【专利技术属性】
技术研发人员：周鹰，高蒙，赵斌兴，王静，孙启明，李斌成，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：