光纤干涉测距系统及其定位信号处理

　　引　言

　　利用干涉法测量位移是一种传统的高精度测量方法,在实现大位移测量的同时,可以得到较理想的分辨力和测量精度[1]。近些年来,随着光纤技术的飞速发展,光纤干涉仪以其独特的优点得到了日益广泛的应用[2]。本文中提出了一种新型的光纤干涉距离测量系统,将光纤及半导体技术与传统的干涉测量技术相结合,实现了无长导轨对大距离的绝对测量。在系统中引用光纤干涉仪的形式,并利用半导体激光器的调制特性实现“准白光”的高精度定位。克服了传统干涉测距中光学轴线漂移和结构复杂的缺点,抗干扰性能强,结构简单灵活。

　　1　系统原理

　　系统采用由定位干涉仪和扫描测量干涉仪组成的双干涉仪结构,将目标距离的测量过程分解对目标的定位过程和对目标的测量为两个过程。图1为整个测量系统的结构示意图。

　　1.1　定位干涉仪

　　定位干涉仪主要是完成对靶标的定位及光程调谐。如图1所示,该干涉仪采用了马赫-泽德光纤干涉仪的形式。两相干光束在不同介质中传播,一路通过空气光路进行传播,另一路则通过光纤进行传播。考虑到光纤是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,而且所含信息量丰富,抗电磁干扰能力较强,结构小巧方便,具有良好的可绕性等优点,在系统中引入了光纤。同时,利用已精确标定的具有不同光程差的光纤组还可以实现系统的光程倍增,使整个测量系统的量程在使用100mm精密导轨的情况下,达到1m以上。此外,由于采用马赫-泽德光纤干涉仪的形式,使得输出端可以获得两路反相的干涉信号,便于后续信号的处理。

　　为了准确地调谐光程,获得高精度的定位,干涉仪的光源应具有足够短的相干长度;但因为光纤存在色散特性,光源的相干长度又不能太短,否则经光纤传输后,两路光将无法相干产生干涉条纹。为了解决这一矛盾,同时也为简化系统结构,系统采用多纵模半导体激光器MLD作为定位光源。经脉冲电流调制后,半导体激光器所输出的单模谱线展宽,MLD的谱线则连续地展宽,从而实现“准白光”的高精度定位。此外,可通过在定位干涉仪中设置一面“零位镜”,为整个测量系统提供绝对零位。“零位镜”的位置由定位干涉仪的结构参数(光程长度)所决定,不会因掉电而丢失,因而测量可以间断进行。

　　1.2　扫描测量干涉仪

　　扫描测量干涉仪是一个高精度位移测量系统,可测出两次定位之间的扫描位移值。考虑到数据处理的方便以及结构设计的简便,扫描测量干涉仪采用了Michelson干涉仪的传统形式,它具有较大的动态范围和较高的测量精度。光源选用具有大相干长度和高稳定性的He-Ne激光器,利用其单色性好的特点将其波长作为整个测量系统的长度基准。