基于人工神经网络的大量程光纤实时距离干涉测量仪

　　0　引言

　　高精度距离测量技术已广泛应用于现代精密机械、仪表、兵器和宇航等产业,同时也是制约上述产业产品及技术发展的一个主要因素.传统的机械或光学方法已不能满足高精度、自动化测量的要求.而全光纤干涉仪具有体积小、精度高、抗电磁干扰等特点,在生产工艺监控和自动化领域获得了较为普遍的应用.线性调频半导体激光干涉测量技术具有结构简单、精度高等优点,已经用来测量物体微位移和微振动[1~6],其中同时调制半导体激光器的波长和干涉仪的光程差的双正弦相位调制技术已经用来测量物体的绝对距离[6],但是它的量程受到贝塞尔函数的单值区间的限制,测量范围相对较小.本文提出了一种新的双调制光纤距离实时干涉测量仪,采用人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)来处理经过初步解调的干涉信号,扩大了干涉仪的测量范围并消除了因调制引起的信号的交叉敏感.由于信号处理系统基本由电路组成,可以实现对物体距离的实时测量.

　　1　原理

　　实验装置如图1,其光路部分是一个泰曼2格林干涉仪.

　　半导体激光器驱动电流由直流电流i和正弦调制电流i(t)=acos (ωmt+θ)组成,激光器的输出波长和光强分别为

　　式中ωm和α分别是正弦调制电流的角频率和振幅,β1和β2分别为LD的波长调制系数和光强调制系数,λ0是激光器的中心波长.激光器发出的光经过光隔离器后由3 dB耦合器分成两路,其中一路经过准直器1出射后以平行光照射到参考反射镜上,参考反射镜粘在一个压电陶瓷(PZT)上,PZT在正弦驱动信号的作用下产生振幅和角频率分别是Lp、ωp的微小位移Lpsinωpt.另一路光经过准直器2准直后照射到被测物体上,经被测物体垂直反射后,通过光纤准直器返回光纤.被参考反射镜反射回去的参考光与物体反射的物体光经过耦合器后产生干涉,干涉信号由在另一端的光电探测器PD检测.探测器接收到的干涉信号的交流分量为

　　式中是相位调制深度,L=L0+Lp.

　　sinωpt是干涉仪两臂间的总光程差,L0是静态光程差.式(3)可以展开为

　　其中Jn(z)是n阶贝塞尔函数.

　　将干涉信号送入由鉴相电路、带通滤波器和锁相环电路共同组成的信号处理电路(SPC)进行解调.

　　其中鉴相电路由乘法器和低通滤波器组成,低通滤波器的截止频率为ωm/10.带通滤波器的中心频率是3ωm.干涉信号分别经鉴相电路和带通滤波器后,得到两路输出信号P1和P2

　　其中z0=4παβL0/λ20,Ks与Kl分别为鉴相电路和带通滤波器的增益.然后将P1和P2和PZT驱动信号同时输入到锁相环电路中,分别得到两路信号的振幅