（测试计量技术及仪器专业论文）大量程光纤准白光干涉绝对测距技术研究.pdf

摘要 本文论述了一种利用光纤干涉仪结构，准白光干涉原理及多光纤组量程 倍增技术实现无长导轨大量程、高精度绝对测距技术，从而把传统的激光干 涉技术发展到了工业现场。 系统由定位干涉仪和光栅线位移传感器两部分组成，完成对目标的定位 过程和扫描测量过程的分离，实现可间断的绝对距离测量。定位干涉仪光源 采用经过注入电流调制的多纵模半导体激光器。多纵模半导体激光器经过一 定频率注入电流调制后，输出光频将被展宽，根据准白光干涉原理，可实现 高精度定位。论文详细阐述了调制原理和方法，通过实验验证，取得了良好 的调制效果。考虑到光栅线位移传感器结构小巧且测量精度较高，由其完成 对扫描位移的测量，并给出零位信号。这样，可在不需要分光的前提下为系 统提供一个掉电不丢失的零位。 系统采用光开关结构和多组具有不同初始光程差的光纤组进行两级量程 倍增。首先由光开关选定不同的量程范围，然后由多组具有不同初始光程差 的光纤组实现这一量程范围内的测量。通过这种多光路干涉技术可摆脱长导 轨的束缚，实现只利用短导轨测量大距离。此外，论文还讨论了利用系统自 身结构对多组光纤组的初始光程差进行标定，实现了以光波波长为传递基准 的高精度自标定，可有效避免安装时引入安装误差。 论文详细推导了定位干涉信号波形，设计了一套高精度数字化定位干涉 信号处理方法，对定位干涉信号包络蓝线进行a d 采集，通过一定算法取得 零光程差点位置，克服了传统模拟方法可能造成的误差，经实验验证，定位 精度可保证在微米级。 关键词：绝对距离测量，半导体调制，光纤干涉仪，量程倍增，自标定 a b s t r a c t t h i sp a p e r p u t sf o r w a r dah i g h a c c u r a c ya b s o l u t ed i s t a n c em e a s u r e m e n tt e c h n i q u e o n l yu s i n g s h o r t s c a n n i n gg u i d e o nb a s eo ft h e o p t i c a l f i b e ri n t e r f e r o m e t e r s t r u c t u r e ，q u a s i w h i t el i g h tt h e o r ya n dm e a s u r i n gr a n g em u l t i p l i c a t i o nt e c h n i q u e ， t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o n o ft r a d i t i o n a ll a s e ri n t e r f e r e n c ei s e n l a r g e d t ot h e i n d u s t r i a ls p o t t h e s y s t e m c o n s i s t so ft h e l o c a t i n g i n t e r f e r o m e t e ra n dt h e o p t i c a lg r a t i n g m e a s u r i n gs y s t e m ，s ot h el o c a t i o np r o c e s so f t h eo b j e c t sa n d t h em e a s u r i n g p r o c e s s o ft h es c a n n i n gd i s p l a c e m e n ta r es e p a r a t e da n da b s o l u t ed i s t a n c em e a s u r e m e n ti s f u l f i l l e d t h el o c a t i n gi n t e r f e r o m e t e ra d o p t st h em u l t i m o d el a s e rd i o d e ( m l d ) m o d u l a t e db yi n j e c t i o nc u r r e n ta sl i g h ts o u r c e t h eo u t p u ts p e c t r u mo fm l dw i l l b ew i d e n e db yt h em o d u l a t i n gc u r r e n t a c c o r d i n gt ot h ei n t e r f e r e n c et h e o r yo f q u a s i w h i t el i g h t ，h i g h a c c u r a c yl o c a t i o no f t h eo b j e c tc a nb ea c h i e v e d t h ep a p e r f u l l yd i s c u s s e st h em o d u l a t i o nt h e o r ya n d m e t h o d s i tc a nb ed e m o n s t r a t e db yt h e e x p e r i m e n t st h a tg o o dm o d u l a t i o nr e s u l t s h a v eb e e ng o t t a k i n gt h e c o m p a c t s t r u c t u r ea n dh i g hm e a s u r i n ga c c u r a c yo fm e a s u r i n gg r a t i n gi n t oa c c o u n t ，t h e o p t i c a lg r a t i n gm e a s u r i n gs y s t e mi sa d o p t e dt og i v eo u tt h ed i s p l a c e m e n to f t h e s c a n n i n gg u i d e a n dt h e z e r o p o s i t i o n s i g n a l i n t h i s w a y ，a n u n a l t e r a b l e z e r o p o s i t i o no f t h es y s t e mi sp r o v i d e d t h eo p t i c a ls w i t c ha n dm u l t i p l eo p t i c a lf i b e rg r o u p sh a v i n gd i f f e r e n to r i g i n a l o p t i c a lp a t hd i f f e r e n c ea r ea p p l i e di nt h es y s t e m t oe n l a r g et h em e a s u r i n g r a n g ef o r t w ot i m e s f i r s t ，t h el a r g em e a s u r i n gr a n g ec a nb ec h o s e nt h r o u g ht h eo p t i c a l s w i t c h ，a n dt h e nt h ed i s t a n c eo f t h eo b j e c tl o c a t i n gi nt h i sr a n g ec a nb em e a s u r e d t h r o u g ht h em u l t i p l eo p t i c a l f i b e r g r o u p s m o r e o v e r ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h e c a l i b r a t i o no ft h eo r i g i n a lo p t i c a ld i f f e r e n c eo ft h eo p t i c a lf i b e rg r o u p su s i n gt h e s y s t e m i t s e l f t h e h i g h a c c u r a t es e l f - c a l i b r a t i o nm e t h o dh a st h eu n i t o fl i g h t w a v e l e n g t ha n dc a na v o i dt h ei n s t a l l a t i o n e r r o ri n t r o d u c e db yt h ei n s t a l l a t i o no f t h el o c a t i n gi n t e r f e r o m e t e r t h ep a p e rd e d u c e si nd e t a i lt h ed i s t r i b u t i o no ft h el o c a t i n gi n t e r f e r e n c es i g n a la n d d e s i g n sah i g h l yp r e c i s ed i g i t a lp r o c e s sm e t h o do ft h el o c a t i n gi n t e r f e r e n c es i g n a l t h ee n v e l o p eo ft h el o o m i n gi n t e r f e r e n c es i g n a li sc o l l e c t e db yt h ea dc o l l e c t o r a n ds o m ea r i t h m e t i ci su s e dt o g e tt h ez e r oo p t i c a lp a t hd i f f e r e n c ep o i n t t h i s d i g i t a lp r o c e s s m e t h o dc a ne l i m i n a t et h ee r r o r s p r o d u c e d b y t h et r a d i t i o n a l m e t h o d s i tc a nb ed e m o n s t r a t e db y e x p e r i m e n t st h a tt h el o c a t i n ga c c u r a c yc a n b e m a i n t a i n e da tt h em i c r o nl e v e l k e yw o r d s ：a b s o l u t ed i s t a n c em e a s u r e m e n t ，m l dm o d u l a t i o n ，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 ，m e a s u r i n gr a n g em u l t i p l i c a t i o n ，a n ds e l f - c a l i b r 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘堂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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：栩俸签字目期：山；年，月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：杨诱导师签名：裒线畅 签字同期：如，；年，月白日签字日期：伽。，年月j 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 距离测量是科学测试中的一项重要技术。近些年来，科学研究以及工业 生产领域都对其提出了越来越高的要求，快速、准确的距离测量已成为科学 试验和工业生产控制中至关重要的一步。尤其突出的是，随着科技的发展， 大尺寸绝对距离的测量具有了越来越广泛的应用。在重型机器制造业中，许 多配合尺寸和重要尺寸一般都远远超出5 0 0 m m ，如葛洲坝水电站水轮机的定 子和转子的尺寸都在1 6 m 以上。要制造出高精度的大尺寸零件，必须在加工 过程中进行检测，随时监控尺寸误差。因而测量精度的高低对零件的制造起 着非常重要的作用“1 。由于科学技术和工业生产的需要，大尺寸绝对距离测 量己日益成为距离测量的一个重要发展方向。传统的激光干涉测距技术虽然 具有稳定性好，测量精度高等优点，但由于它只能依靠连续不问断的扫描来 获取测量参数，属增量码式相对位移测量，需要一个至少大于被测尺寸的高 精度扫描导轨，无法进行绝对距离测量，因而给测量带来了很大的局限性， 在大尺寸测量方面无能为力。激光测距仪可以摆脱长扫描导轨进行大距离绝 对测量，属非连续性测量系统，但是由于光速太快，几米至几十米的距离对 应的激光飞行时间太短，信号检测装置很难及时响应，因此这一范围段是激 光测距仪的盲区，而工业检测中常常使用的恰恰是这一范围。 为了解决传统测距方法的局限，高精度、快速地实现大尺寸绝对距离测量， 近些年来，涌现出了许多新的干涉技术，如多波长干涉技术，线性调频外差 干涉技术，半导体激光器自混合干涉法，白光干涉技术等。 多波长干涉技术通过多个未受调制的光源合成相位的方法增多输出信号 相应的单调区间，扩大了测量范围。但是这一技术要求各路光源波长稳定， 而且测量范围较小 2 1 。 7 0 年代以后迅速发展起来的线性调频外差干涉技术基于小数重合理论， 其主要思想是合成波长链的形成和逐级精化。在具体测量中，一般利用外差 的原理对小数条纹进行测量，采用逐级传递合成波长链的方式实现大范围的 高精度测量。但是外差干涉系统中普遍存在由于测量中激光器的双纵模间存 在相互耦合而引起的误差。超外差干涉系统利用两个外差干涉的再次外差， 第一章绪论 形成光电拍波信号，可有效克服模耦合的影响 3 1 。 基于自混合干涉效应的半导体激光器绝对测距方法也日益受到人们的重 视。该方法利用被测物体形成的反馈光对线性调频的半导体激光器光源输出 光功率的调制特性，实现绝对距离测量，但目前该方法尚未完全成熟，在理 论上还未给出合理的描述t 4 1 。 白光干涉法是采用宽光源发光器作为光源，利用白光干涉具有高精度定位 功能这一特性，将其与光纤干涉仪相结合，实现绝对距离测量。随着半导体 激光器技术的发展，白光干涉与半导体激光器这一理想光源相结合，在应用 上获得了进步的发展。 半导体激光器作为种新型激光光源，具有功耗低、体积小、可集成、易 与光纤耦合、频率易于调制等特点，愈来愈受到人们的重视。1 9 8 2 年，日本 的k o b a y a s h is ，y a m a m o t oy 提出半导体激光器具有很好的电流调制特性，当 其注入电流调制频率小于1 0 m h z 时，输出激光频率随注入电流强度线性变化， 当其注入电流频率大于1 0 m h z 时，输出激光频率不再随电流强度线性变化 5 1 0 此后，y o n e m u r am 又于1 9 8 5 年进一步提出半导体激光器频率在线性调制段 随着电流强度增强而线性减小“1 。目前对于半导体激光器的调制已经可以达 到1 0 g h z 的水平，这特性被广泛应用于分子光谱学，原子光谱学，光通讯 等方面，当然这其中还包括绝对距离测量。 进入8 0 年代以来，利用半导体激光器实现大尺寸绝对测量成为一个新的 热点。同本京都工学院利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0 1 m m “；1 9 9 5 年，德国采用外腔可调谐式半导体激光器实现4 0 m 范围内测量分辨率为4 0um 。清华大学于1 9 9 6 年研制了种利用锯齿波电流 调制的半导体激光器作为光源的绝对测量干涉仪，获得频率与距离呈线性关 系的交变光电信号，实现绝对距离测量。这种方法虽然可实现较高精度的绝 对测量，且系统实现较为方便，但由于其单干涉仪结构，即未能完成测量与 定位过程的分离，其测量范围要受到激光相干长度的限制”1 。 本项目所设计的系统即利用经注入电流调制的半导体激光器作为准自光 光源，并采用具有多种优点，近些年来获得广泛应用的光纤干涉仪结构，实 现高精度、可间断、大尺寸绝对距离测量。 光纤作为一种近些年来迅速发展的新型材料，具有很多优点，如长距离低 损耗，易弯曲，体积小，重量轻，成本低，防水，防火，耐腐蚀，抗电磁干 扰等。这些优点使得光纤在各个方面获得了广泛的应用。其中一大用途是用 第一章绪论 于光纤通信。自从7 0 年代美国康宁公司首次研制成功种低损耗光纤至今， 光纤在通信方面的应用获得了长足的发展，同时也促进的光纤及其元器件的 迅速发展。进入8 0 年代以来，光纤在传感器方面的发展引起了各国的普遍重 视。光纤传感器具有许多传统传感器所不具有的优点。由于它使得进入或离 丌敏感区的调制信号和电没有任何联系，因此具有如抗电磁干扰，电绝缘， 消除了与地面隔离的问题，安全可靠，尺寸小重量轻，灵敏度高和测量范围 广等优点”1 。光纤应用于干涉仪结构中，使得干涉仪抗干扰性增强，结构更 加灵活，更加易于小型化。同时由于半导体激光器的快速发展，为光纤干涉 仪提供了理想的光源。在光纤干涉仪中，一个引人瞩目的应用就是白光干涉 光纤传感器，由于它可以用作绝对测距而越来越多地受到专家们的重视。 难是由于上述许多技术的日趋完善、成熟，才使得构筑在其上的白光干涉 仪绝对测距技术迅速发展，并在科学技术及工业生产方面得到广泛应用。 1 ，2 本论文主要技术 纵观大尺寸绝对测距的发展历史不难看出，要想彻底摆脱传统干涉法的精 密长导轨的束缚，关键是实现测量扫描过程的可中断性。本论文设计系统， 采用定位光纤干涉仪对被测目标高精度定位，并采用光栅位移传感器完成对 零位与某次定位之间的位移测量。这样，将定位过程和扫描过程相分离，实 现了可中断的测量，从而完成了无长导轨的绝对距离测量。此外，为进一步 完善和提高测量系统性能，系统还设计了固定不丢失的零位和量程倍增结构。 围绕以上几方面，本论文主要研究内容有： 1 、定位光纤干涉仪光源的选取 定位光纤干涉仪的定位精度直接决定系统测量精度。为了准确定位，采用 准白光干涉，利用准白光相干长度远远小于单色光的优势，完成高精度定位。 对比评价了几种光源，考虑到半导体激光器输出光谱可由注入电流调制以及 易于与光纤耦合的特性，最终选用经注入电流调制的半导体激光器作为定位 干涉仪的光源，并就如何对其进行调制展频做了详细论述。 2 、两级量程倍增结构 为了扩大系统量程，实现大量程绝对测距，定位干涉仪中插入多组具有不 同初始光程差的光纤组，同时，还插入多段具有不同长度，由光开关选通的 光纤来改变参考光路光程，可实现量程两级倍增。 第二章系统结构及测量原理 第二章系统结构及测量原理 在大尺寸绝对测量中，主要有以下几个方面的任务和难点：首先是如何 给系统确定一个固定不丢失的零位，这零位当系统确定后也即确定，这使 得测量成为真正意义上的绝对测量；其次是如何实现可间断的测量，使得测 量过程可摆脱精密长导轨的束缚，这是实现大尺寸测量的前提条件：最后是 如何扩大量程，实现只使用短扫描导轨完成高精度、大量程测量。本系统利 用定位干涉仪和光栅线位移传感器，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。由于定位过程和扫描测量过 程相分离，再加上定位干涉仪的量程倍增结构可改变定位干涉仪中参考光路 的光程，系统可只利用短导轨进行大量程、可间断距离测量。本章先总体介 绍系统结构及测量原理，量程倍增结构和系统绝对零位的确定将分别在下面 两章详细阐述。 1 1 系统结构 图2 - 1 系统原理图 5 也罄牧器 ( a 对) 第二章系统结构及测量原理 整个系统由定位干涉仪和光栅线位移传感器构成，前者完成对目标位置 的定位过程，并输出定位干涉信号。后者完成对零位信号与定位干涉信号间 扫描棱镜位移的测量，两部分之间通过一个扫描棱镜相连，如图2 - 1 所示。 普通的分立光学元件式干涉仪具有很大的动态范围，干涉条纹质量好， 但是它体积庞大，而且在恶劣工作环境中其光学元件的相对轴线容易发生漂 移，从而给测量带来很大的不确定性。这些缺点对于提高系统的工作稳定性、 现场性以及最终形成小型化设备都十分不利。光纤作为小结构尺寸大数值孔 径的柔性光波导介质，不存在光学轴线漂移的问题，而且它信息量丰富，抗 电磁干扰能力强，结构小巧轻便，具有良好的可绕性。因此，与光纤的优点 相对应的，光纤干涉仪具有稳定性好，易调整，结构易小型化等优点。本系 统的定位干涉仪即采用光纤干涉仪结构。 目前常用的激光干涉仪根据其结构形式可分为以下四种类型1 9 1 迈克尔逊 ( m i c h e l s o n ) 型、法布里一珀罗( f a b r y p e r o t ) 型、萨格奈克( s a y n a c ) 型 及马赫一泽德( m a c h - z e h n d e r ) 型等。 迈克尔逊光纤干涉仪是基于迈克尔逊干涉仪的形式，结构如图2 - 2 ( a ) 所示， 每个条纹的当量为 2 ，采用干涉条纹计数的方法进行信号处理。在光源频 率稳定性达到1 0 1 时，可以检测到o 0 1ui i 的微小位移，而且结构易于实现。 但在以3 d b 耦合器作为干涉元件的光纤干涉仪中，由于返回相干光进行干涉， 所以容易引起高次光反馈，从而影响激光光源的稳定性并会产生噪声，影响 测量精度，因此要求光源具有高度的稳定性。 萨格奈克光纤干涉仪具有对称环形的结构，如图2 - 2 ( b ) 所示，相干光由3 d b 耦合器分成1 ：1 的两束光并耦合进入一个多匝单模光纤圈两端，经反相传输 后回到耦合器耦合送到探测器输出。闭合光路静止时，两光束传播路径相同； 光路相对惯性空间以转速u 转动时，两路光会产生非互易性光程差，其干涉 图样可反映光程差和相移变化。这种干涉仪一般只用于测量能够破坏沿同一 环形光路反向传播光束的对称性的被测物理量，如转动、角速度。 法布里一珀罗光纤干涉仪结构如图2 2 ( c ) 所示，是一种多光束干涉类型。 光纤光波导经聚焦镜进入两端贴有高反射镜或直接镀有高反射膜的腔体( f - p 腔) ，光束在两反射镜( 膜) 间进行多次反射形成光束干涉，由探测器探测f - p 腔受被测物理量调制产生的干涉图样，求得被测量。一般利用腔长的变化感 知外界被测物理量，如温度、应力、位移等。由于采用多光束干涉，所以在 干涉条纹的极值附近具有很高的灵敏度，但其动态范围不大，只能用于测量 第二章系统结构及测量原理 3 d b 耦台器 被测量 图2 - 2 ( a ) 迈克尔逊光纤干涉仪 的光纤端 图2 - 2 ( b ) 萨格奈克光纤干涉仪 部分透光平面镜 图2 - 2 ( e ) 法布里一珀罗光纤干涉仪 被测量 图2 - 2 ( d ) 马赫一泽德光纤干涉仪 小位移和长度。 马赫一泽德光纤干涉仪结构如图2 - 2 ( d ) n t 示。相干光经过一个3 d b 耦合器 分成两相等光束，一束作为测量光，另一束作为参考光。被测物理量作用于 测量臂，使该路光束光程改变，在另一个3 d b 耦合器中两束光相遇发生干涉， 并被分束成相差1 8 0 。的两束光，分别送到光探测器进行接收，将被测物理量 7 第二章系统结构及测量原理 引起的位相变化转换为光强变化。这种干涉仪可用于测量位移、应力等物理 量。由于其开环式结构特点，几乎没有反馈光进入激光器影响光源的稳定性。 而且输出的两束反相光将便于后续信号处理电路作辨向、细分，这些优点使 它适用于多种应用场合，成为目前最常用的光纤干涉仪之一。 由于马赫一泽德干涉仪具有较高的精度和稳定性，且其开环式单向结构 非常便于量程倍增，因此本系统定位干涉仪采用马赫一泽德光纤干涉仪。 定位干涉仪的作用是准确捕捉到目标镜使测量光路和参考光路的光程差 为零的位置，为了提高定位精度，定位干涉仪的光源采用经注入电流调制的 半导体激光器( 详细沦证见第三章) 。半导体激光器发出的光经镀有增透膜的 半透半反镜分光，形成测量光路和参考光路。被测物与目标镜相连，其位置 影响测量光路光程：连接定位干涉仪和光栅线位移传感器的扫描棱镜的位置 影响参考光路光程。测量光路的光经过一分八分束器分为八束，分别进入八 组光纤组的一臂，参考光路的光经过光开关选通的某一通路后进入一分八分 束器同样分为八束，分别进入八组光纤组的另一臂。为便于后续电路处理， 各个光纤组两臂的光在3 d b 耦合器中发生干涉并被分成位相差1 8 0 0 的两路光， 最终由光电接收器接收，并由后续电路处理得到干涉定位信号。 建立在莫尔条纹理论基础上的光栅计量近些年来获得了广泛的应用。由 于莫尔条纹的大特性表现为具有放大作用和误差平均作用，因此采用计量 光栅的位置检测系统，结构简单却有很高的精度。本系统中，光栅线位移传 感器的副尺和扫描棱镜固定在一起，可由光栅线位移传感器准确测量零位信 号与定位干涉信号间扫描棱镜的位移，同时在光栅上加入零位光栅结构，为 系统确定一个绝对零位，以完成绝对距离测量。 2 2 测量原理 系统测量分两步完成：首先是定位干涉仪完成对目标的定位过程，并输 出定位干涉信号，然后由光栅线位移传感器测得该定位干涉信号与系统零位 间扫描棱镜的位移值，测量原理如图2 3 所示。在测量过程开始时，扫描棱镜 从导轨起始端开始扫描，首先光栅线位移传感器将给出零位信号，并完成计 数清零。随着扫描导轨的移动，定位干涉仪的参考光路光程将逐渐变化，直 到扫描导轨处于某一位置，使得定位干涉仪参考光路空间光程、某一光纤组 初始光程差以及光开关选通的光纤段光程之和与目标镜决定的测量光路光程 第二章系统结构及测量原理 一 扫描 厂 罴忐臂| 位移 1 蕃蓓意墓f 二。一 信号 il 扫描位移 处理 系统 目标镜位置r 1 调谐l 心阻州l 幽2 - 3 测量原理框图 相等时，该光纤组输出端输出定位干涉信号。由于光栅线位移传感器的副尺 和扫描棱镜固定在一起，所以两者位移相等。设此时光栅线位移传感器位移 读数值为d ，该光纤组初始光程差为o p 。，光开关选通的光纤段附加光程为 o p 。，则目标镜与系统绝对零位的距离为： d = d + 0 只+ 吡 ( 2 - 1 ) 由于光栅线位移传感器可给出系统零位，因此系统可以根据上式可间断 地测出一维空间任一点与系统零位之间的绝对距离。 2 3 光纤特性分析 在本系统中采用光纤干涉仪结构，光绝大多数路程在光纤中传输，空问 光路只占其中很小一部分。由于光源功率，量程倍增等因素，使得传输的光 能量较小。因此，为了能够尽量减小光能损失，并得到清晰的干涉图样，须 分析光纤波导特性，以便优化系统设计。 影响光纤传输特性的主要因素是光纤的损耗和色散1 1 0 1 。 2 3 1光纤的损耗 光纤的损耗主要有材料的吸收损耗和散射损耗。损耗可能由光纤中的杂 质引起。光纤中不可避免地加有一些附加元素，其中很多是杂质，它们多半 具有较低激发电子态。同时也存在一些外来金属离子，其电子态比玻璃的本 征态更易激发。它们会吸收光纤中传输光的光能，其吸收带主要在光谱可见 区和红外区域。 即使对于杂质含量很低的玻璃，也会存在本征吸收从而造成光能的损耗。 对于紫外部分的吸收和0 2 一离子的激发态有关，而可见和红外区域的本征损失 第二章系统结构及测量原理 很小。 散射损耗主要来源于光纤的制作缺陷和本征散射，其中主要是折射率起 伏。光纤材料中随机分子结构可以引起折射率发生微观的局部变化，缺陷和 杂质原子也可以引起折射率发生局部变化。此外还存在瑞利散射、布里渊散 射和喇曼散射。其中瑞利散射是一种基本的、重要的散射，因为它是一切媒 质材料散射损耗的下限。它与本征吸收一起构成了光纤材料的本征损耗，它 们表示了在完美条件下材料损耗的下限。 2 3 2 光纤色散 在光纤中传输的光脉冲，受到由光纤的折射率分布、光纤材料的色散特 性、光纤中模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的“延迟畸变”，使得该 脉冲波形在通过光纤后发生展宽，这一效应称作光纤色散。光纤的色散主要 有多模色散，波导色散，材料色散和偏振色散。多模色散是由于各个模式之 间群速度不同而产生的色散，仅存在于多模光纤中。材料色散是由于光纤材 料的折射率随入射光频率变化而产生的色散，可表示为： t k 盟些( z - z ) 、 2 i 玄了 式中女= 等，川= 型d k 呐为纤芯折射率。 波导色散是由光纤的几何结构所决定的。光在光纤中传输时部分光耦合 进入包层，由于包层中光速比纤芯中光速快，导致在光纤另一端出现光脉冲 展宽，产生时延差。波导色散在芯径和数值孔径( n a ) 都很小的单模光纤中表 现非常明显。可由下式表示： r 。：华肌掣百a 2 p s ， 其中， 2 = 型d k ，h 2 为包层折射率 y 掣称为“波导色散因弘 波导色散与材料色散都与光源的谱宽度有关，常被合称为波长色散。 偏振色散是单模光纤所特有的。单模光纤中只存在两个正交的模式h e y x 和h e l l 。若光纤的结构为完全的轴对称，则这两个正交偏振模在光纤中的传 播速度相同，无色散。但实际中光纤必然会有轴不对称性，因而两个正交模 第二章系统结构及测量原理 有不同的延迟，形成偏振色散。 由于单模光纤没有对色散起决定作用的多模色散，因此单模光纤的色散 远远小于多模光纤。此外，本系统最终需要得到干涉图形，由于多模光纤传 输的是多种模式的光波，远场分布呈现非常复杂的形式，在光纤末端将无法 得到清晰的干涉图样。而单模光纤的远场分布是简单的高斯函数，可以产生 清晰的干涉条纹。虽然单模光纤能够耦合的光功率小于多模光纤，但是其色 散远远小于多模光纤。综合考虑，系统最终选用单模光纤来构成光纤干涉仪。 为使系统最终得到清晰理想的干涉图样，应尽量减小单模光纤色散。如 前所述，单模光纤主要有材料色散，波导色散和偏振色散。为便于调制光路， 系统拟采用可见光中红光波段。对于石英系光纤，其材料色散在五= 1 , 3 # m 附 近为零，当五 1 3 , u r n 时色散为负，当兄 1 3 , u m 时色散为正，且此“零色散波 长”与光纤掺杂的种类和浓度无关。因此系统所用光源波段的材料色散为正 且不易改变。但波导色散可以通过改变光纤参数加以调整。当v = k 时， 罴- 0 1 9 ( 2 - 4 )l ， 当v = 1 1 5 时， ! 玉兰：1 4 7r 2 5 ) 旯， 上式达到最大值。显见，通过归一化频率v 和相对折射率的适当选择，可 以控制波导色散的大小，进而控制光纤的总色散。偏振频率也与归一化频率 相关，当传导光波处于长波长时，光纤工作在远截止区，在规一化频率v = 1 2 时，其偏振色散达到最大值： f 。；= 4 0 p s k m ( 2 - 6 ) 当传导光波为短波长，归一化频率v 接近截止频率，其偏振模式色散可 表示为： f 。= 2 0 p s k m ( 2 7 ) 对于可见光波段偏振色散较小，同时还可以采用保偏技术，减小由于两正交 的偏振模式的传播常数差而引入的偏振模式色散，从而尽一步改善干涉波形。 本章首先介绍了系统结构及其测量原理，然后讨论了光纤的损耗和色散 特性，分析了光纤色散对系统测量的影响及优化方法。系统中个部分的具体 结构将在以后各章中详细阐述。 第二章准白光定位干涉仪 第三章准白光定位干涉仪 准白光定位干涉仪是系统中的重要部分，完成输出定位信号，分离对目 标的测量过程和定位过程以及量程倍增等多项功能。本章将分节分析其光源、 量程倍增结构以及光纤组初始光程差的自标定技术。 3 1光源 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，光源单色性好，则测量精度高。而实际光源都不是绝 对的单色光，这反映在干涉现象中，就是干涉条纹对比度随着光程差的增大 而减小，光程差太大时干涉条纹对比度下降为零。但是，正是由于这一性质， 使得白光干涉在高精度定位方面发挥了重要作用。由于白光的线宽较宽，所 以相干长度很短，可以精确找到光程差为零的点。目前，白光干涉和光纤技 术相结合已广泛应用于各个方面。 为实现高精度定位，准确捕捉到光程差为零的点，定位干涉仪采用白光 干涉。一般的宽光谱光源有白炽灯、发光二极管和半导体激光器。下面将具 体分析各个光源的特性以及在本系统中的适用性，并最后为系统选定光源。 白炽灯或发光二极管发出的光具有较大的谱宽，较小的相干长度，信号具 有很好的对比度，其动态定位精度也很高，零点捕捉范围非常小，在理想情 况下可以达到o 0 0 2 o o o lum “，但其信噪比比较差( s n = 4 5 ) ，直 接影响到系统的动态定位精度和量程。即使加大光源功率来提高信噪比，效 果仍不明显，这是因为发光二极管和白炽灯是面发光光源，它不可能通过会 聚透镜会聚到一点上，其会聚后的光斑如图3 1 所示，中心为不亮的小暗斑。 这样，即使提高了光源的光功率，耦合到光纤中的效率还很低，不能满足测 量的要求。 图3 - l白光会聚后的光斑形状 第三章准白光定位干涉仪 此外，由于光纤本身的色散现象，白炽灯和发光二极管的发光谱宽又较 宽，在光纤中将发生严重的延迟而大大降低干涉条纹的对比度。 半导体激光器( l d ) 是近年来随着光纤技术发展而r 益得到广泛应用的 一种新型光源。它具有和其它激光器一样的优点，即可以发射出空间相干和 时间相干的光。由于它自身为半导体工艺结构，与光纤干涉仪连接可以获得 很高的耦合效率。半导体激光器发光功率较大，可获得较高的信噪比。另外 它结构小巧，用于系统中很利于系统结构小型化“”。考虑到半导体激光器的 以上优点，系统拟采用它作为定位干涉仪的光源。但若直接采用直流电流注 入的半导体激光器，由于其单色性较好，相干长度较长，不能满足系统高精 度定位的要求。系统利用频率为4 5 5 k h z 的注入电流对多纵模半导体激光器 ( m l d ) 进行调制，试验表明，其输出光谱宽度可展宽为l o n m ( 具体调制方法见 下节) ，从而实现高精度定位。 3 2 定位干涉信号 未经调制的半导体激光器单色性好，相干长度较长，不能完成高精度定 位作用。为了提高定位干涉仪定位精度，光源采用经4 5 5 k h z 注入电流调制的 m l d 。m l d 经注入电流调制后，输出光频将随注入电流线性变化，其输出光的 干涉成为准白光干涉。下面将具体推导其输出光干涉情况。 若调制电流呈正弦变化，则频率调制的光波的电场可表示为： 耻岛e 冲肛w ( ) s i n z 州) p ， 其中，e 0 为幅值，vo 为中心频率，av 为频率偏移，f m 为调制频率。 瞬间频率为 v ( t ) = + a v c o s ( 2 7 r f m t ) ( 3 - 2 ) 由于在光电接收的后续电路处理中有低通滤波模块，所以在分析中可以不必 考虑注入电流对光强的调制作用。由光电接收器接收干涉信号，设其输出信 号为i f t ) ，两路光程时间差为t ，则有： 第二章准白光定位干涉仪 1 ( 0o c e ( f ) + e o + f ) 】【e o ) + e ( f + f ) r = f 4 t ) e + ( r ) + e o ) e + o + f ) + e + ( r ) e o + r ) + e ( t + f ) e + o + f )( 3 - 3 ) 删删h b + ( ) ( s i 砌肌+ r ) - s i n 2 ，r 枷) 若设妒= 2 r c v o r ，= ，上式可化为 m ，o ) = l o 1 + c 。s 妒+ ( s i n 2 疗厶( f + r ) 一s i n 2 刀厶r ) ( 3 - 4 ) 其中i 。为常数。利用三角公式展开，上式可写为 捌s i n 。o i 篡f l ( s ”i n 2 n o s f 。翟篇s i n d r 竹f 。r 加刀 口s ， 一s n l( f + r ) 一) | 睨= c o s ( s i n 2 石兀( r + r ) 一s i n 2 列0 r ) 形= s i n ( s i n 2 r c f 。, ( t + f ) 一s i n 2 石厶f ) 式3 - 5 可写为 ，( f ) = 1 0 ( 1 + w 。c o s f o 一形s i n q ，) ( 3 6 ) 对w 。，w 。进行整理， 形= c o s ( , 8 s i n d r f r e t c o s 2 n f m r + , 8 c o s 2 r ：f d s i n 2 石厶7 一8 1 n 2 万厶) ( 3 - 7 ) = c o s 8 c o s 2 n f d s i n 2 n - f r - , 8 s i n 2 r e f r e t ( 1 一c o s 2 x f , r ) j 、。 令4 = ( 1 一c o s 2 r c f m r ) ，4 = , 8 s i n 2 x f m r ，0 = d r f j ，则有 2c o s ( a , c o s 0 一a c8 i n 曰) f 3 _ 8 1 = c o s ( a , c o s 0 ) c o s ( 4s i n 臼) + s i n ( 4c o s 口) s i n ( a 。s i n 0 ) 、。 同理，司得 形= s i n ( a , c o s o ) r c o s ( a cs i n 0 ) 一c o s ( a sc o s 0 ) s i n ( a cs i n 0 ) ( 3 9 ) 由于 c o s ( z o o s 0 ) = j 0 ( = ) + 2 ( 一1 ) ”j 2 。( z ) c o s 2 n o ( 3 1 0 ) 一苎三茎堡皂垄塞焦王鲨堡 s i n ( z c o s 口) = 2 ( 一1 ) ”也。+ ( ：) c o s ( 2 ”+ 1 ) 口 0 c o s ( z s i n 0 ) = 山( z ) + 2 。( z ) c o s 2 n o h ；l ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 1 s i n ( z s i n 0 ) = 2 以。( z ) s i n ( 2 n + 1 ) o( 3 1 3 ) n = o 其中以( z ) 为n 阶第一类贝塞尔函数 1 3 1 则有 = i 五( 4 ) + 2 五。( 4 ) c o s 2 n o | | j o ( a 3 + 2 e ( 一1 ) j 2 。( 4 ) c o s 2 n ol l = l jln = l f +：呈(一，nj2n+l(a3n=0 c 。s ( z ”+ ) 臼 z 薹 。+ ，( 4 ) s i n ( z ”+ ) 目 l jl ”却i 形= l2 ( 一1 ) ”。( 4 ) c o s ( 2 ”+ 1 ) 口i x j 0 ( a 3 + 2 2 4 。( 4 ) - c o s 2 n o i f 山( 4 ) + 2 ( 一1 ) “以。( 4 ) c o s 2 n ol l2 z j 2 。( 4 ) s i n ( 2 n + 1 ) 0f ( 3 - 1 5 ) r 。”2 。 。r l 。 ”。1 。 ln = l jl h ；o j 第三章准白光定位干涉仪 k = j o ( 4 ) j o ( a 3 + 2 ( 一1 ) “如。( 4 址。( 4 )( 3 - 2 0 ) n = l 假设两相干光的时间延迟远小于频率调制周期，即六f 1 ，可对上式进 一步进行化简。而这一条件因为调制频率并不十分高且两路光的光程差较小 而非常容易满足。例如，取光程差为1 r a m ，系统调制频率为4 5 5 k h z ，可得 f 。1 ，5 2 1 0 。 1 。当上述条件满足时， a c = ( 1 一c o s 2 z 厶f ) 0( 3 - 2 1 ) 4 = f l s i n 2 z f , f * 竽2 币厶f = 2 砸 将上两式带入式( 3 2 0 ) 中，可得 k = j o ( 2 劢l 乍) 相应地， 厶= 旧厶j o ( 2 z a v r ) c o s ( p f 图3 - 2 准白光干涉信号 ( 3 - 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) 由上式可以看出，定位干涉信号为一幅值受零阶第一类贝塞尔函数调制 的周期性函数，信号波形如图3 - 2 所示。当t = 0 ，即两路光光程相等时， ( 2 咒a v r l = l ，c o s ( p = l ，干涉信号输出最大值。根据贝塞尔函数的性质，其 各阶次函数的零点为固定值，对于零阶第一类贝塞尔函数，其各零点数值为 2 4 0 5 ，5 5 2 0 ，8 6 5 4 一，各零点间间距为定值。当v 和t 满足 2 z a v f = 厶( 3 - 2 5 ) 时，其中f 。为贝塞尔函数相邻零点间间距，干涉光强将出现零值。根据贝塞尔 函数最大值的唯一陛，可由干涉信号最大值来唯一确定零光程差点。此外， 定位信号接收电路仅接收主极大包络峰值内的干涉条纹，为一单峰值包络信 号。这样，若增大m l d 的调制深度，则v 增大，主极大包络内允许的时间 延迟t 减小，光程差减小