（测试计量技术及仪器专业论文）大量程光纤绝对测距仪研究.pdf

中文摘要 非接触、大量程、高精度的绝对测距技术是当今测量技术的重要发展方向， 具有广阔的应用前景。目 前基于光纤准白光干涉原理的绝对视 9 距技术发展很快， 但大范围的测距技术未有报道。本项目围绕国家自 然基金项目“ 大量程光纤准白 光干涉绝对测距技术”( 项目 号 5 0 0 0 5 0 1 4 ? ，发展了一种基于光纤准白光千涉的高 精度、便携式的绝对测距新技术，利用短扫描导轨可以实现 1 0 米以上的大范围距 离测量。 论文主要工作包括以下方面: 1 、设计了三级量程倍增系统，首次 把光开光器件引入到光纤干涉a 距领域。并且 通过三级量程倍增系统的优化设计，将光纤绝对测距仪的测量范围扩大到 1 0 米以上，真正达到了短导轨大量程的测量需要。 2 、设计了 三级量程倍增系统中的光纤自 标定技术 现各组光纤准白光干涉仪初始光程差的自 标定 采用系统自 身的扫描干涉仪实 系统利用自身的扫描干涉仪光 波长完成长度基准的传递，增强了系统抗环境干扰能力。 3 、建立了半导体激光器电 流注入下光纤准白 光干涉信号模型， 研究了半导体激光 器的不同调制方式和深度下对相干长度、光纤千涉定位瞄准精度的影响。 4 、研究了获得高精度定位瞄准信号的数字化处理技术，分析了定位瞄准信号的特 性，制作了弱干涉信号的放大处理电路和光纤准白光千涉仪定位信号模块化处 理电路。 5 、深入研究了 测量系统的结构优化和小型 化方案， 制作了光纤准白 光干涉测距样 机。 通过光学 系统 和扫描系统的 小型化设 计，设计了 体积为6 0 0 m m x 2 5 0 m m x 2 5 0 m m的光纤绝对测距仪器; 通过电路的优化设计， 采用f p g a技术简化电 路，提高可靠性的同时精度也得到了提高; 通过计算机接口 软件模块的优化设 计，加快了数据处理的速度，同时便于数据的后续处理与加工。 关键词:光纤千涉 绝对测距 准白光干涉 量程倍增 abs tract t h e t e c h n o l o g y o f n o n - c o n t a c t , l a r g e - r a n g e a n d h i g h - a c c u r a c y a b s o l u t e d i s t a n c e me a s u r e m e n t p l a y s a n im p o r ta n t r o l e i n n o w a d a y m e as u m e n t t e c h n o l o g y w i t h a b r i g h t f u t u r e i n a p p l i c a t i o n . a lt h o u g h t h e a b s o l u t e d i s t a n c e m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y b as e d o n t h e p r i n c i p l e o f o p t i c a l f i b e r q u a s i - w h i t e l i g h t i n t e r f e r o m e t ry d e v e l o p s v e ry r a p l i d l y , t h e t e c h n o l o g y c o n c e r i n g l a r g e - r a n g e d i s t a n c e m e a s u m e n t h a s n o t b e e n re p o rt e d . t h e s u b j e c t , l a r g e - r a n g e o p t i c a l f i b e r q u a s i - w h i t e l i g h t a b s o l u t e i n t e r f e r o m e t r y d i s t a n c e m e as u r e m e n t t e c h n o l o g y , i s f i n a n c e d b y n a t i o n a l n a t u r a l s c i e n c e f u n d ( p r o j e c t n o .5 0 0 0 5 0 1 4 ) , w h i c h d e v e l o p s a h i g h - a c c u r a c y , p o r t a b l e , a b s o l u t e d i s t a n c e m e as u r e m e n t t e c h n o l o g y b a s e d o n t h e o p t i c a l f i b e r q u as i - w h i t e l i g h t i n t e r f e r o m e t r y . t h e l a r g e - r a n g e d i s ta n c e m e as u r e m e n t a b o v e 1 0 m e t e r s c a n b e r e a l i z e d b y u s e o f t h e s h o r t - s c a n n i n g g u i d e . t h e t h e s i s m a i n l y d i s c u s s e s a b o u t c o n t e n t s d e s c r ib e d as f o l l o w s : l . t h e t r i p l e m e a s u r i n g r a n g e m u l t ip l i c a t i o n s y s t e m i s d e s i g n e d a n d t h e o p t i c a l s w i t c h d e v i c e i s in t r o d u c e d t o t h e o p t i c a l f i b e r i n t e r f e r o m e t e r fi e l d f o r t h e f i r s t t i m e . b e c a u s e o f t r i p l e r a n g e m u lt i p l i c a t i o n o p t i m a l d e s i g n , t h e m e as u r i n g r a n g e o f o p t i c a l fi b e r a b s o l u t e d i s t a n c e m e as u r e m e n t i n s t ru m e n t i s e n h a n c e d a b o v e 1 0 m e t e r s , w h i c h m e e t s t h e d e m a n d o f t h e s h o rt s c a n n i n g g u i d e a n d l a r g e - r a n g e me a s u reme n t i n d e e d . 2 . t h e f i b e r s e l f - c a l i b r a t i o n t e c h n o l o g y in t h e t r i p l e m e as u r i n g r a n g e m u l t i p l i c a t i o n s y s t e m i s d e v e l o p e d , w h i c h f i n i s h e s t h e s e l f - c a l i b r a t i o n o f t h e o r i g i n a l o p t i c a l d i f f e r e n c e o f t h e o p t i c a l fi b e r g r o u p s b y u s i n g t h e s y s t e m s c a n n i n g i n t e r f e r o m e t e r . t h e s y s t e m u s e s t h e s e l f s c a n n i n g i n t e r f e r o me t e r o p t i c a l w a v e l e n g t h t o f u l f i l l t h e t r a n s m i s s i o n o f t h e l e n g t h r e f e r e n c e , a n d t h e a n t i - i n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t y o f s y s t e m i s e n h a n c e d g r e a t l y . 3 . t h e o p t i c a l f ib e r q u a s i - w h i t e li g h t i n t e r f e r e n c e s i g n a l m o d e l u n d e r t h e a f fl u x o f s e m i c o n d u c t o r l a s e r c u r r e n t i s e s t a b l i s h e d , a n d th e i n fl u e n c e o n c o h e r e n t l e n g t h a n d o p t i c a l f i b e r i n t e r f e r o m e t r y l o c a t i n g m o d u l a t i n g m e t h o d s a n d d e p t h s o f t h e p r e c i s i o n , w h i c h a r e c a u s e d b y d i ff e r e n t s e mi c o n d u c t o r l a s e r , i s r e s e a r c h e d i n d e t a i l 4 . t h e d i g i t a l p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y t o o b t a i n t h e h i g h p r e c i s i o n l o c a t i n g s i g n a l i s r e s e a r c h e d . t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e o r i e n t a t i o n s i g n a l i s a n a l y z e d , t h e m a g n i f y i n g c i r c u i t f o r t h e w e a k i n t e r f e r e r s i g n a l a n d t h e p r o c e s s i n g c i r c u i t o f t h e o p t i c a l f i b e r q u a s i - w h it e l i g h t i n t e r f e r o m e t e r s i g n a l a r e m a d e 5 . t h e s t r u c t u r e o p t im i z a t i o n a n d m i n i a t u r i z a t i o n s c h e m e f o r t h e m e a s u r e m e n t s y s t e m a r e d e e p l y r e s e a r c h e d , t h e p r o t o t y p e o f o p t i c a l f i b e r q u as i - w h i te i n t e r f e r o m e t e r i s d e v e l o p e d . t h r o u g h m i n i a t u r i z a t i o n d e s i g n o f o p t i c a l s y s t e m a n d s c a n n i n g s y s t e m , t h e fi b e r a b s o l u t e d i s t a n c e m e as u r e m e n t i n t e r f e ro m e t e r i s r e d u c e t o v o l u m e o f b 0 0 m m x 2 5 0 m m x 2 5 0 m m . f p g a t e c h n o lo g y i s e x p l o i t e d t o o p t i m i z e c i r c u i t , w h i c h r io t o n l y i n c r e a s e s r e l i a b i l i t y , b u t a l s o i m p r o v e s p r e c i s i o n . f u rt h e r mo re , t h e s p e e d o f d a t a p r o c e s s i n g i s i n c r e a s e d , a n d a v a i l a b l e f o r s u b s e q u e n t p r o c e s s i n g a n d h a n d li n g o n a c c o u n t o f t h e o p t i m i z in g d e s i g n o f c o m p u t e r i n t e r f a c e s o ft w a r e m o d u l e . k e y w o r d s : o p t i c a l f ib e r in t e r f e r o m e t r y , a b s o l u t e d i s t a n c e m e a s u r e m e n t , q u a s i - w h i t e l i g h t i n t e r f e r o m e t r y , m e a s u r i n g r a n g e m u l t i p li c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外 或撰写过的 研究成果， 也不包含为获得 天津大 ， 论文中不包含其他人己经发表 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 -s 辫签 字 期 : 2,0 6r 7 ,q 加 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解- 孟主k 另一 束 通过a o b 。 发 生频 移石， 作 为 参 考光 路。 在 探 测 器中 两 种光 产生外差 干 涉， 得 到 频 率为关 的 外 差 信号; 同 理， 激 光 器l 2 的 光 束也 在 探测器 中 形成频 率为儿的 外差 信号。 由 于 采 用同 一 探 测器接 收外 差 信号 ， 最 后将 得到 超 外 差 信 号 。超 外差 干 涉 信 号 经 整流 和 低 通 滤 波 后 可得 : _ _ 、 ， _ ， 。 、 *.4 对 i二 a ， c o s 2 11 (f l 一 f , f + ol 一 0 2 1 ， 其 中 ( f 一 f 2 ) 为 超 外 差 频 率 ;a 一 42 = 学 ， d一 l z - 一r 一 ，j j 名 厂月 一、 廿 蕊 “ 一 “a a = ,三 选 = 为 合 成 波 长 ， 1 为 被 测 距 离 。 可 以 看 出 ， 外 差 干 涉 信 号 及 超 外 差 干 l 一 a l l 涉 信号的 相 位中 包 含了 待 测 距 离 信 息， 而 且 相 位的 周 期 性由 合 成 波 长 确 定。 测 量相位( 条纹小 数级次 ) 的 途径主 要有两种: 一 是移动参考镜补偿光 程差 寻找拍波 零 点， 测出 该 位 移 用a , / 2 去 除， 其 结 果 即 为 对 应 波 长a , 的 小 数 级 次 ( 拍 波 法 ) 二是用比 相的方法直接测量小数级次( 外差法、 超外差法) 。 后者的 精度较高。 由 于 超外差法的 拍 频( l 1 - f 2 ) 对于不同的 测量 光波 频率 而言 是一 个 可以 根据需要 选择的定值，因此当改变两测量光波的频差以 求得到不同的测量范围时，后续 天津大学博士学位论文 信号处理系统无需跟着改变，这是超外差法的一个优点。 利用多波长干涉测量法实现大尺寸绝对距离，从根本上依赖于谱线分布适 中的稳频激光器。不同的稳频激光器，适用于不同的测量范围和精度要求。目 前所使用的激光器主要有c 0 2 激光器、 h e - n e 激光器、 半导体激光器和n d :y a g 激光器。 c 0 2 激光器对大尺寸绝对距离而言是一 个非常合适的光源， 在1 0 .6 p n 处具 有很丰富的谱线，相邻谱线的差分布比较均匀，目前其构成的最大合成波长链 从2 5 m到 单波长1 0 . 6 f a n e 1 9 7 9 年 法国的g .l .b o u r d e t 使用c 0 2 激光 器 进 行 测 距，完成一次侧量需六条谱线，经稳频及大气折射率修正，得到的测量结果为 l 二 士 。 . l f a n , 1 9 8 2 年他们又通 过f - p 锁定， 在1 3 m上得到7 0 f a n 的 测量 精 度。 1 9 8 3 年美国n .e .b e h o l z 使用 c 0 2 激光器经过不断改进，研制了一个非常简单 的 结构， 通过与h p 5 5 2 9 比 对实 验， 在 l o m上 得到0 .0 3 f a n 的 测量精度。 1 9 9 4 年英国国 家物理实验室 a n d r e w l e w i s 采用三波长组合及阶梯干涉计量技术在 1 .5 m上得到1 3 0 n m 1 6 .2 x 1 0 - a l 的测量精度。 h e - n e 激 光器在3 . 3 9 f a n 处 谱线丰富， 另 外， h e - n e 激 光器在6 3 3 n m处 利用 横向z e e m a n 效应可以产生1 0 0 0 mh z 的 差额信号， 其合成波长可以 达到2 8 0 m m , 从而达到提高测量范围的目的。半导体傲光泵浦的n d :y a g激光器可以 通过调 整 激 光 器的 振荡 频率 产生不同 的 合 成 波长 ， 对 工作 波长 为 1 .0 6 4 ,ca n 的 激 光 器， 其合成波长的可调范围为0 . 1 2 - 1 .5 m。 但使用以 上两种激光器的绝对测距仪器， 未见报道。 半导体激光器由 于其功耗低、体积小、 可集成、频率易于调制等特点，愈 来愈引起人们重视。 进入8 0 年代以来， 利用半导体激光器实现大尺寸绝对距离 测量成为一个新的热点。半导体激光器易受温度及注入电流的影响，因而输出 光的 波长不够稳定，对测量精度影响很大，为了避开这一不足，一般采用线性 调频技术实现绝对距离测量。 清华大学研制的外腔半导体激光绝对距离干涉测 量系统，其测量范围可达 l o m，相对精度为1 0 -4 。日 本京都工学院采用三角波 调制半导 体激光器， 测长范围 可在2 m左右， 测 量精度为。 . l m m o 1 9 9 5 年 德国 采用外腔可调谐式半导体激光器，半导体激光器的外腔由全息光栅构成，通过 改变光栅的倾角可进行频率选择。 其不跳模调节范围为 8 0 n m，相千长度达到 1 0 0 m ， 实现了 在4 0 m范围内 测量分辨率为4 0 f a n o 调频激光千涉测量技术的基本原理为，通过连续调制单纵模激光器的激光 频率， 使得臂长差不为零的迈克尔逊干涉仪中两相干光波的相位差周期性变化， 4 第一章绪论 形成光拍，因此即使干涉仪保持静止状态也可以输出交变光电信号，并从信号 中提取包含被测长度的信息，实现绝对距离测量。应用于这种方法的激光器主 要是半导体激光器。根据对半导体激光器激光频率的调制方式的不同，调频激 光干涉测量方法分为三种: 线性调频法 ( 包括三角波调频和锯齿波调频) 、正弦 调频法和移项法。 在 l d线性调频绝对距离测量方法中，被测距离值是通过求取输出 拍波信 号的频率兄 获得的。测量拍频的方法主要有两种，一种是频率条纹计数法，另 一 种是计算f b 峰值在干涉信号频 谱中的 位置。 图1 - 3双l d三角波调频 图1 - 3 为美国波音高技术中心1 9 9 2 年的报道双l d三角波调频绝对测距仪 原理图。光源为两个同时进行反向三角波调制的半导体激光器。两不同频率的 光 波a, 和a2产生 各自 的 干 涉信号， 然 后 再 迭 加， 产生 新的 干 涉条 纹。 对 一固 定 的 光 程 差 : 干 涉 条 纹 对 比 度 卜 (. 6 】 是 一 个 余 弦 信 号 ， 随 两 频 率 调 制l d 的 波 数间隔j6 变化而变化.由 于这一信号的 频率较低， 所以 系统中加入了一个以 较 高频率振动的p z t，调制光程差，以实现交流检测。接收到的信号经整流、滤 波之后进行数字付立叶变换，可求得频率f和相位0 0 距离z由 f 二、 _ ( 2 不 。 ) . 不 。 马 二 ， 二 山， 、 ， 二 * 擒 _， ， _ ， ， * 、:二 : 钊i n t 砍 全 二 兰一 子 卜子 a 计算得出， 其中f 用来消除中 。 的2 二 不确定性。 通 l t r a 2 7 c i 2 rc 过这样的换算，: 的精度可由 相位测量精度决定，提高了测量精度。文中给出 的 实验结果为测量范围1 5 0 m m . 相对误差方差为3 ,u tt a 天津大学博士学位论文 优 宁 1 陇 护 c c p 3 羞准颇率 双延 时电路 匕 一一 习 官口 采料 卿 撷卜动 徽机 图 1 - 4三角波调制半导体激光绝对测距原理图 图1 一为基于三角波调频技术的半导体激光器绝对测距原理图。 图1 - 5三角波半导体调制输出信号 测 量 输 出 如 图1 - 5 . 激 光 调 频 输 出 为f ( t ) = f 0 士 尽， 其 中 f 0 为 调 频 激 光 中 心 频率，18 为 激光 频 率 调 制 系 数，f二 1 / t为电 流 调 制频 率. 由 参考臂c c p 1 返回的参考光波与测量臂c c p 2返回的延迟光线迭加发生 干涉。 在三角波上升沿范围内，f (t)= f o + ,6 t ，合成波长光强1 正比于 1 a c o s ( 2 7 c ( ,6 t d ， 十 f o = d ) ) l ; 在 三 角 波 下 降 沿 范 围 内 ， f (t ) = f 0 - , 其 中 : 二 2 d / 。 为 光 波 延 迟 时 间 ， _ _ _ .， _、 _、 . 、 _， ， .， _ ， 2 d一。二。 ，* l? r， e y ytao m am 9 1 ua m j a =/ j r d 一1 j . 4 j ，w i fe e m x e m d= d 为被测 cf b 4 f丫 1 9 9 2 年， 清华大学采用该原理制作出 样机， 采用三角波电 流调制半导体激光器， 调频范围为1 6 5 g h z ，系统的最大测量范围 为1 .7 5 m 测量精度为0 . 1 -0 . 3 m m o 在此基础上，1 9 9 4 年清华大学武勇军研制了 外腔半导体激光绝对距离干涉 测量仪， 采用平面镜外腔半导体激光器作为系统的外调谐光源， 通过改变腔长， 6 第一章绪论 实现外腔长调谐 光器的谱线宽度 研究实验结果报道，采用外腔长调频法，可以压缩半导体激 并且对激光输出功率的影响远远小于注入电流调制法。该系 统测距范围可达 l o m，相对精度1 0 - 0 。 图1 - 6锯齿波调频技术的绝对测距原理图 图 1 - 6为锯齿波调频技术的绝对测距原理图，光源是两个以不同频率的锯 齿波调制的半导体激光器。 两 个l d的 中 心 波 长 分 别 为凡 和人， 调 整 两 个 半 导 体 激 光 器的 位 置 使 它 们 发 出 的 光 正 交 偏 振。 经刀 4 波 片 后 变为 圆 偏 振 光 迭 加 干 涉， 由p s b 5 将凡 、 i, 2 的 干 涉 信号 分开， 分别 测 量 对应 于凡 和a2的 干 涉 相 位a 和0 2 ， 也即 是 两 干 涉条 纹 的 小 数 级 次 1- j 、和 m s 猛， 而 0 1 - 0 2 为 合 成 波 长 的 相 位 ， 即 合 成 波 长 干 涉 条 纹 的 小 数 级 次附 ih ac 。 由 它 可 推 算出 单 波 长入 对 应的 干 涉 条 纹 整 数 级 次 _ 1_ ._ . r a r : ， ,、 _ 二，. 二,二 。 ， 。 ，二 ， 二 m a ;* * 、 二 阮几 : 二 叫于m蜘小 由 m , = 脚 1 后十 lm , 蝙可 得 被 侧 距 离 为 二 笼 几。 这 样 既 可 “ “l , “刃 “ “ “ - - - - 一z一 一 以 扩大测量围 至合成波长n ( 由 两l d的中 心波长确定) ，又可获得相应于单波 长的 测量精度。该系统之所以能够直接测量单波长的相位， 是因为每个 l d都 采 用了 调 频 技 术， 使得 各自 的 干涉 信号 频 率由 光 频降 为拍 频w b ， 探 测 器 可以 直 接探测。 绝对距离测量还有正弦调频法和移项法，但是多用于物体表面形貌等小尺 寸测量，本文就不多加论述。 从以上的论述可以看出，现有的大尺寸绝对测距技术，多是从激光器技术 出发，利用小数重合法的原理，多波长干涉得到测量结果。其缺点是明显的， 天津大学博士学位论文 测量对环境要求比较高，设备体积庞大，不易便携，而且造价高昂。寻找一种 高精度、便携式、造价低廉的绝对测距仪器依然是工业应用急需的，从己有的 绝对测距原理来看，目 前的技术难以胜任这些要求，开发新的绝对测距技术是 当务之急。 1 . 2光纤干涉技术的发展 光纤光学是近代光学领域中的一个重要部分，它是研究光波和图像在透明 的光纤中传输的理论。光纤干涉技术是光纤光学重要的组成部分。 光纤是光导纤维的简称，它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆 柱形。它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其界面内， 并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的出现，给人们提供了一种类似于 电缆线一样柔软的光导管，而光线和图像就沿着这弯曲的导管从一端传到另一 端。 光纤光学是伴随着光纤的发展而发展起来的。1 8 8 0 年，契卡洛夫关于用管 道输送光的论文在俄国 电杂志上发表，是世界上报道使用的第一个光导管 照明 系统。1 8 8 1 年， w i l l i a m w h e e l e r 在美国申 请了 第一个光导管的专利。 光导 管内部是空心的，内表面能反射光。1 9 2 6 年，英国j . c . b a i r d 提出:用全反 射原理制成的石英光学纤维可以 解析图像，并申 请了 透明纤维束的制造专利。 1 9 5 4 年， 美国h . h . h o p in s 等 人在 n a t u r e ) 杂志 上 发 表了 有关 传 像 束 传输 图像的文章;同年，美国b . 1 . h i r s c h o w it z 采用捧管法制成了玻璃芯玻璃涂层 光 学 纤 维， 奠定 了 光 纤 制 作 工艺的 基 础。 1 9 5 6 年， 美国n . s . k a p a n y 提出“ 纤 维光学” 学科的新概念。1 9 6 6年，英国 标准电 信研究所英籍华裔科学家高馄 ( k . c . k a o ) 博士 和g . a . h o c k h a m在 详 细 研究了 玻 璃的 传 输损 耗 后， 撰 写的 文章 用于 光频的 介质纤维 表面波导 发 表在伦敦电 气工 程师协会( i e e ) 会刊上。 他们从理论上指出:如果减少或消除光导纤维中的有害杂质如过渡金属离子， 可大大降低光纤传输损耗，提高光纤的传光能力，从而奠定了光纤通信的理论 基础，推动了 光导纤维制造工艺的研究。1 9 6 9 年， s . e . m i l l e r 首先提出集成 光学器件的设想，即在一细小的基片上实现光发射探测、光祸合、光分支、光 波复用、光滤波和光开关等一种或几种功能，其后，平面波导技术和平面制造 技术的成功使这一设想变为现实。1 9 7 7 年，美国海军研究所开始执行光学纤维 8 天津大学博士学位论文 测量对环境要求比较高，设备体积庞大，不易便携，而且造价高昂。寻找一种 高精度、便携式、造价低廉的绝对测距仪器依然是工业应用急需的，从己有的 绝对测距原理来看，目 前的技术难以胜任这些要求，开发新的绝对测距技术是 当务之急。 1 . 2光纤干涉技术的发展 光纤光学是近代光学领域中的一个重要部分，它是研究光波和图像在透明 的光纤中传输的理论。光纤干涉技术是光纤光学重要的组成部分。 光纤是光导纤维的简称，它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆 柱形。它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其界面内， 并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的出现，给人们提供了一种类似于 电缆线一样柔软的光导管，而光线和图像就沿着这弯曲的导管从一端传到另一 端。 光纤光学是伴随着光纤的发展而发展起来的。1 8 8 0 年，契卡洛夫关于用管 道输送光的论文在俄国 电杂志上发表，是世界上报道使用的第一个光导管 照明 系统。1 8 8 1 年， w i l l i a m w h e e l e r 在美国申 请了 第一个光导管的专利。 光导 管内部是空心的，内表面能反射光。1 9 2 6 年，英国j . c . b a i r d 提出:用全反 射原理制成的石英光学纤维可以 解析图像，并申 请了 透明纤维束的制造专利。 1 9 5 4 年， 美国h . h . h o p in s 等 人在 n a t u r e ) 杂志 上 发 表了 有关 传 像 束 传输 图像的文章;同年，美国b . 1 . h i r s c h o w it z 采用捧管法制成了玻璃芯玻璃涂层 光 学 纤 维， 奠定 了 光 纤 制 作 工艺的 基 础。 1 9 5 6 年， 美国n . s . k a p a n y 提出“ 纤 维光学” 学科的新概念。1 9 6 6年，英国 标准电 信研究所英籍华裔科学家高馄 ( k . c . k a o ) 博士 和g . a . h o c k h a m在 详 细 研究了 玻 璃的 传 输损 耗 后， 撰 写的 文章 用于 光频的 介质纤维 表面波导 发 表在伦敦电 气工 程师协会( i e e ) 会刊上。 他们从理论上指出:如果减少或消除光导纤维中的有害杂质如过渡金属离子， 可大大降低光纤传输损耗，提高光纤的传光能力，从而奠定了光纤通信的理论 基础，推动了 光导纤维制造工艺的研究。1 9 6 9 年， s . e . m i l l e r 首先提出集成 光学器件的设想，即在一细小的基片上实现光发射探测、光祸合、光分支、光 波复用、光滤波和光开关等一种或几种功能，其后，平面波导技术和平面制造 技术的成功使这一设想变为现实。1 9 7 7 年，美国海军研究所开始执行光学纤维 8 第一章绪论 传感器计划，这一年被认为是光纤传感器问世的一 年。1 9 7 7 年，出现了第一根 熔融光纤祸合器，其所用光纤为多模光纤。1 9 8 3 年后开始选用单模光纤制备熔 融光纤祸合器。 熔融 双锥( f u s e d b i c o n i c a l t a p e r ， 简称f b t ) 光纤fa合器是无源全 光纤器件的 一 种新 型复 用器件。 1 9 7 9 年， t . m i y a 等 人 在e l e c t r o n . l e t t . 杂志 上发表文章， 介绍了 单模石英光纤在1 .5 5 ,e o n 波长处的 损耗已降至0 .2 d b / k m . 这一损 耗值己 降 至 瑞 利( r a y l e i g h ) 散射损耗所决定的 石英 光纤理论最低值。 进入 2 0 世纪9 0 年代以 后， 光纤的 制造工艺得到飞速发展， 其质量提升很快， 其成本 也大幅降低。 光纤最早在光学行业中应用于传光及传像，只有在低耗损光纤后，光纤在 通信技术中用于长距离传递信息。但是光纤不仅可以 作为光波的传播媒质，而 且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量 ( 振幅、相位、偏振态、波长等) 因外界因素 ( 如温度、压力、磁场、电场、位移、转动 )的作用而直接或 间接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。这就是光纤 传感器的基本原理，如下图: 光纤一光波传输的媒质 入射光波 入射光波的特征参量: 振幅、相位、偏振态、效率等 出射光波 图1 - 7 光纤传感原理示意图 光纤传感器可分为传感型与传光型两大类。 与传统的传感器相比， 光纤传感 器的主要特点是:1 、 抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀， 本质安全; 2 、 灵敏度高: 3 、重量轻，体积小，外形可变; 4 ,测量对象广泛;5 、对被测介质影响小:6 , 便于复用，便于成网; 7 、成本低。 常见的光纤传感器分有以下几种:振幅调制传感型、相位调制传感型、偏 天津大学博士学位论文 振态调制型、光纤光栅型、传光型等。根据本论项目 的研究对象，本论文仅对 相位调制传感型的发展进行介绍。 利用外界因素引起的光纤重光波相位变化来探测各种物理量的传感器，称 为相位调制传感型光纤传感器。 光学中的千涉法是己知最灵敏的探测技术之一， 在光纤干涉仪中，由于使用了数米甚至数百米以上的光纤，使它比普通的光学 干涉仪更加灵敏。根据传统的光学干涉仪的原理，目 前已 研制成ma c h - z e h n d e r 光纤干涉仪、s a g n a 。 光纤干涉仪、 f a b ry - p e r o t 光纤干涉仪，以 及光纤环形干涉 仪等，都能达到很高的精度。 单模光纤和光纤 器件是构成光纤干涉仪( f o i ) 的 基本单元。 在光纤干涉仪中，为获得干涉效应，应使同一模式的光叠加，为此要使用 单模光纤。常用的光纤为高双折射光纤，或称保偏光纤，可以消除外界因素导 致的偏振模祸合或弯曲 双折射的影响。 为了 构成 f o i ，除单模光纤外，还必须发展单模光纤器件， 包括祸合器、 反射镜、偏振器、 连接器、相位调制器、光纤偏振变换器、 光纤移频器等。 光源对f o i 也有重要的影响。在实验室场合，理想的光源是波长为6 3 3 n m 的单模h e - n e 激光器，其输出光束质量高，相干性好，适用于作大多数f o i 的 光源。但它的价格偏高，体积较大，易碎。 在实际应用传感器中希望有价廉和 更紧凑的单模固体激光器件。单模半导体激光器是理想的光源，它结构紧凑， 最为诱人的是可以 通过调制注入电流来快速地调制其振荡频率。为了防止反馈 造成激光光源的不稳定性，要求对光源和f o i 之间进行光隔离，用偏振器和偏 振变换器( 如1 / 4 波片 ) 就可以实 现。 综上所述，光纤干涉技术是目 前最灵敏的传感器之一，在原理和器件方面 都很成熟。同时， 光波长作为长度的基准，本身就和绝对距离有必然的联系。 因此研究一种将光纤传感用于大量程绝对测距的新方法，具有非常重要的理论 和现实意义。 第一章绪论 1 . 3课题来源及论文的主要研究内容 本项目 来源于国家自 然基金项目 ( 项目号 5 0 0 0 5 0 1 4 ) “ 大量程光纤准白光 干涉绝对测距技术” ，旨在发展一种基于光纤准白光干涉的大量程、便携式的绝 对测距新技术。 在本课题组完成的上一个国 家自 然基金项目( 项目 号5 9 5 7 5 0 8 ) “ 光纤干涉测长方法的研究”中，己经提出了一种采用多组光纤准白 光干涉结 构和扫描干涉仪相结合实现大距离测量的新方法，在 i米测量范围内，光纤准 白 光干涉仪的定位瞄准周期 ( 半小时) 重复性优于2 ,u m，长期重复性 ( 大于2 小时) 优于5 ,u m. 测量相对精度优于1 0 - 0 ， 初步解决了i 米测量范围内 实验室 环境下的绝对测距问题，取得了很好的效果，也得到了评审组专家的好评。 但 是原自 然基金课题也有些急待改进的内容:原技术在测量前必须借用其它仪器 对系统的光纤准白 光干涉仪的初始光程差进行标定，但由于光纤的光程会随着 环境条件的变化而变化，从而降低测量精度;原技术解决了1 米范围内的绝对 测距问题，现在的工业应用希望更大量程范围的绝对测距;原技术设计主要定 位于实验室， 在实际应用中需要重新结构化的优化设计，等等。为此，本研究 主要做了以下方面的工作: l 、设计了三级量程倍增系统， 首次把光开光器件引入到光纤干涉测距领域。 并 且通过三级量程倍增系统的优化设计， 将光纤绝对侧距仪的测量范围扩大到 l o m以上，真正实现了短导轨大量程的测量。 2 ,设 计了三级量程倍增系统中的光纤自 标定技术， 采用系统自 身的扫描干涉仪 实现各组光纤准白光干涉仪初始光程差的自 标定， 系统利用自 身的扫描干涉 仪光波长完成长度基准的传递，增强了系统抗环境干扰能力。 3 、建立了半导体激光器电 流注入下光纤准白 光千涉信号模型， 研究了半导体激 下光器的不同调制方式和深度对相千长度、光纤干涉定位瞄准精度的影响。 4 、 研究了获得高精度定位瞄准信号的 数字化处理技术， 分析了 定位瞄准信号的 特性， 制作了弱千涉信号的 放大处理电 路和光纤准白 光干涉仪定位信号模块 化处理电路。 5 、深入研究了测量系统的结构优化和小型化方案， 制作了光纤准白 光干涉测距 天津大学博士学位论文 样机。通过光学系统和扫描系统的小型化设计，设计了体积为 6 0 0 m m x 2 5 0 m m x 2 5 0 m m 的光纤绝对测距仪器;通过电路的优化设计，采用 f p g a 技术简化电 路， 在提高可靠性的同时精度也得到了提高; 通过计算机接口 软 件模块的优化设计， 加快了 数据处理的 速度， 同时便于数据的后续处理与分 析。 第二章 系统结构及测量原理 第二章系统结构及测量原理 光纤绝对测距是一种基于单模光纤良好的传输特性上建立起来的长度测量 技术，它有别于激光位移测量技术，同时也有别于传统的长度测量技术。它的 特点简单的说就是高精度、短导轨、大量程，同时有绝对零点。为此整个系统 的设计围绕着以下几个问题展开:1 、如何建立一个固定而不丢失的绝对零点; 2 、如何保证干涉测量的高精度;3 、如何利用短导轨实现大量程测量，也就是 量程倍增; 4 、 在解决以上问题的基础上，如何将测量系统小型化、产品化。本 章先总体介绍系统结构及测量原理，量程倍增结构和信号处理系统将分别在下 面两章详细阐述。 1 . 1测量系统结构 整个测量系统主要由定位干涉仪和光栅线位移传感器构成，分别完成对目 标的定位过程和对零位信号与定位信号间扫描棱镜位移的扫描测量过程。为便 于结构化设计，也可以分为以下几部分:光源、分光棱镜组、量程倍增光纤组、 芳 玻费找毋 方 ( 对 夕 l d : 4 - 寻幸 v 笼老 图2 - 1 系统原理图 第二章 系统结构及测量原理 第二章系统结构及测量原理 光纤绝对测距是一种基于单模光纤良好的传输特性上建立起来的长度测量 技术，它有别于激光位移测量技术，同时也有别于传统的长度测量技术。它的 特点简单的说就是高精度、短导轨、大量程，同时有绝对零点。为此整个系统 的设计围绕着以下几个问题展开:1 、如何建立一个固定而不丢失的绝对零点; 2 、如何保证干涉测量的高精度;3 、如何利用短导轨实现大量程测量，也就是 量程倍增; 4 、 在解决以上问题的基础上，如何将测量系统小型化、产品化。本 章先总体介绍系统结构及测量原理，量程倍增结构和信号处理系统将分别在下 面两章详细阐述。 1 . 1测量系统结构 整个测量系统主要由定位干涉仪和光栅线位移传感器构成，分别完成对目 标的定位过程和对零位信号与定位信号间扫描棱镜位移的扫描测量过程。为便 于结构化设计，也可以分为以下几部分:光源、分光棱镜组、量程倍增光纤组、 芳 玻费找毋 方 ( 对 夕 l d : 4 - 寻幸 v 笼老 图2 - 1 系统原理图 天津大学博士学位论文 光栅线位移传感器、 光纤干涉组， 以 及信号处理电 路。 系统测量原理图如图2 - 1 所示。下面对各部分进行介绍。 1 、光源 在本测量系统中， 采用经过调制的半导体激光器而成的准白 光作为光源。 之所以采用这样的处理，是因为该种光源既有白光干涉的定位精度，又具有激 光光源良好的光纤藕合与传输特性。 在普通的干涉仪结构中，总是尽量采用单色性好的光源。因为根据光干涉 理论，相干长度和波长的平方成正比，和波长的线宽成反比。在进行相对距离 测量的干涉仪中