应用白皮书——挚感光子 Qwave 技术介绍
- 2025-05-20
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- 挚感光子激光测振仪
挚感光子 Qwave 技术介绍
背景|散斑效应
散斑效应是一种光的干涉现象,指当激光或高度相干光照射到粗糙表面(如纸张、金属、生物组织等)时,反射或散射光在空间中形成的随机分布亮暗斑纹图案。其本质是光的相干叠加:粗糙表面的微观不规则性导致不同位置的反射光存在相位差,同时光不再是被反射,而是散射,当这些光在观察平面相遇时,会因相位叠加(相长干涉或相消干涉)形成明暗相间的斑点,看起来像是颗粒状,而且还会随着观察者的特定视角而发生变化。这是光学测量的一个普遍物理现象 (图1)。实际上多普勒测振仪(或者其他基于相干测量的激光传感设备)的测试光斑是有一定尺寸的,这就导致了某些条件下光没有返回至光探测器,从而导致信噪比变差和信号失真。
图1 Speckle现象
挑战|对光学测量的影响
散斑效应作为光的随机干涉现象,对 LDV(激光多普勒测速仪)测量产生多方面影响。其一,散斑效应的随机性使得测量中存在瞬时相位相消的概率,导致信噪比变差,对于依赖相位或多普勒频率解调的激光设备,会出现相位结果无效的奇异解,进而在相位或速度测量结果中呈现出毛刺现象(图2)。
图2 由于speckle现象造成的速度毛刺
当测量高温物体时,物体微观表面形状会随温度变化而改变,这种变化加剧了表面的不规则性,使得反射或散射光的相位差更为复杂,从而导致散斑效应显著增强,干扰 LDV 的稳定测量。同样在动态测量移动物体的场景下,测量光会快速划过物体微观粗糙表面,随着物体表面运动速度的提升,不同位置因微观不规则性产生的相位差干涉效应几率也随之增强,散斑效应进一步凸显,给 LDV 准确获取结果信息带来更大挑战 。
散斑效应限制了测量性能,比如以下几个典型场景:
场景一
当用力锤敲击表面时,瞬时产生的加速度会使表面快速移动,导致反射光散斑效应随之快速变化,测量数据中可能出现大量毛刺,显著抬高了测量底噪,影响了测量的准确性与稳定性。
场景二
对高温物体进行形变测量时,物体微观表面形状会随着温度不断变化,一旦表面状态变化使得大部分回光处于相位相消的时刻,就会出现长时间的低信噪比情况,使得测量信号淹没在噪声中,难以精确获取物体形变信息。
场景三
在测量移动表面如高速轴承表面时,测量光在高速划过表面的过程中,不同位置的反射光会在极短时间内快速经历相长相消的变化,散斑效应变得异常剧烈,回光信号波动频繁,增加了准确捕捉和分析表面运动参数的难度。
探索|解决方案
基于散斑效应的随机性特点,多家国外公司提出多通道加权测量方案(图3)应对。像 Polytec 的 Qtec 方案[1]与 Sound&Bright 公司的 Quartet [2]方案,其核心思路是借助多个测量通道协同工作。当某个通道因散斑效应导致测量性能下降时,其余通道能维持测量质量。据测量数据统计,采用 4 个通道可使信号丢失的累积概率降低 2000 倍以上[3]。
图3 多通道加权测量方案及挚感光子芯片实现方案
然而,多通道测量存在明显弊端。在技术实现层面,光学系统结构变得极为复杂,成倍增加设计与搭建难度;为确保多通道测量点处于理想范围,对光学设计的精度要求近乎苛刻;系统解调过程也因通道增多而更为复杂。这些因素使得该方案成本剧增,导致全球仅有少数仪器制造商有能力实现,且相关设备系统复杂、售价高昂。
创新|挚感光子最新一代 Qwave 方案
针对上述难题,挚感光子另辟蹊径,利用光学集成芯片实现光学传感。通过将多路光学相干检测光路、测距光路集成于单个芯片(图4),并采用一体化封装,既满足了精密耦合的技术要求,又使设备体积缩小近百倍,制造成本大幅降低。其专有的 Qwave 方案,作为全球首个集成化光学测量解决方案,为散斑效应下的测量问题提供了更高效、经济的新途径。
图4 挚感光子 Qwave 光芯片
Motion Qwave 是挚感光子推出的新一代多通道激光多普勒测量仪,采用了最新一代挚感 Qwave 集成芯片,该芯片针对光学散斑效应优化设计,集成了多路LDV光传感芯片。经实际测量验证,在应对快速移动目标或高温目标时,能有效抵抗散斑效应,与传统 LDV 相比,Motion Qwave 结果有效性和测量底噪均实现显著提升。此外其内置子通道支持根据测量需求灵活配置。例如,可将 1 路通道专用于 FWCM 精密测距,其余通道采用抵抗散斑效应算法,可以实现复杂场景下多维度测量需求的精准适配。
该系列产品特别适合快速移动或高温目标测量中,为工业检测、科研实验等场景提供更具针对性的高精度解决方案。
参考文献:
[1]https://www.polytec.com/cn/vibrometry/products/qtec-line
[2]https://soundnbright.com/quartet/
[3]Schewe, M.; Rembe, C. Signal Diversity for Laser-Doppler Vibrometers with Raw-Signal Combination. Sensors 2021, 21, 998. https://doi.org/10.3390/s21030998
END
挚感(苏州) 光子科技有限公司成立于2018年。公司基于核心团队在光电通信领域的深厚技术积累,致力于研发基于集成光学和相干通信的高端激光传感技术,以期颠覆传统的工业高精密传感技术,成为全球领先的集成相干光学传感器企业。目前公司开发的各类高性能、小型化、低功耗、高性价比的激光传感器以及干涉式激光尺,正逐步应用于精密制造、半导体、声学与超声波、机器“听”觉、数控机床等各项领域。公司拥有完整的自主知识产权,产品实现从光电芯片到模组、算法、软件和系统应用的垂直整合。
挚感光子还在不断推出各类激光传感器,丰富产品线,并满足客户化的产品定制需求,提供专业应用与集成方案。欲了解详情,请登录我们的网站www.osphotonics.com,或联系市场部sales@osphotonics.com,热线电话:4006-899-870,感谢您的关注!