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光纤干涉绝对测距技术

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  高精度绝对距离测量是当今测量技术的重要发展方向。为提高精度,人们把光学干涉技术引入绝对距离测量,出现了多种激光绝对测距技术[1,2],如多波长干涉技术、线性调频外差干涉技术等。此外,为减小测量仪器的体积,光纤传感技术也得到了很大发展[3]。本文把准白光干涉瞄准技术与光纤传感技术相结合,成功地实现了只用短导轨即可完成1 m以上的绝对距离测量。

  1 系统原理

  系统由定位干涉仪和扫描干涉仪组成,见图1。定位干涉仪主要完成目标的定位瞄准。光源采用λ=670 nm半导体激光器,为缩短相干长度,采用电流注入法对半导体激光器进行电流调制,调制频率为455 kHz。实验表明,调制后的相干长度约为40μm。根据准单色光干涉原理,在零光程差附近,干涉条纹的强度呈类高斯分布,顶点即为零光程点。定位干涉仪中有多组干涉光纤,其中最右边一组为系统零位光纤组,在系统确定后,其光程差由扫描工作台的位置惟一确定,其它光纤组的光程差由目标镜位置和扫描工作台位置确定。设扫描工作台处于零点,目标镜也处于零点时,光纤组的光程差为ΔLi0,由于测量光路为4倍程,扫描光路采用8倍程,则非零位光纤组光程差

  

  ΔLi=ΔLi0+ 8S- 4L                            (1)

  式中,S为扫描工作台相对零点距离;L为目标镜相对零点的距离。

  零位光纤组的光程差

  ΔL′i=ΔLi0+ 8S                            (2)

  调整时,让S= 0时零位光纤组的光程差为0。如果已知ΔLi0,目标镜处于L位置时,第i组光纤在扫描工作台距离为S时出现零光程,则有

  L=ΔLi0/4 + 2S                           (3)

  扫描干涉仪采用迈克尔逊干涉仪结构,测量扫描导轨的位移值,与零位光纤组配合则可测量扫描导轨的相对零位的位置。为讨论方便,假设在S=0时零位光纤组刚好为零光程差。当零位光纤组过零光程差时,扫描干涉仪置零,则有

  S=Kλ0/2                                   (4)

  式中,K为条纹计数值;λ0为He-Ne激光器的波长。

  当扫描工作台从S= 0开始扫描,直到S=Smax,如果有非零位光纤组出现零光程差信号,则可由式(3)、式(4)求得目标镜的距离L。

  2 零光程差信号的提取

  某光纤组出现零光程差信号经整流滤波处理后,形成包络信号,见图2。包络信号的顶点即为零光程差位置。可采用多种方法求得零光程差位置。

  

  (1)微分过零法

  包络信号经微分电路后,交叉过零点即为零光程差点。实际应用时,用交叉过零点锁存扫描干涉仪信号,可直接计算出S。

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