宽光谱激光器非接触振动测试中的信号还原方法

　　1 引 言

　　激光非接触式振动测试在振动测试测量中具有重要的地位。早期，激光振动测试仪是由透镜、分束器等分立光学器件构成的[1-3]。随着光纤技术的发展，由光纤干涉仪构成的激光振动测试仪逐渐增多[4-5]。大多数激光振动测试仪中，为了精确地测试，光源多是采用窄线宽的激光器，所以振动测试系统也存在着噪声大、偏振态不稳定等缺点[6]。

　　应用宽光谱激光器可以解决上述提到的问题。但是在测量大幅度振动信号时，多余的光谱分量会产生多余的干涉信号，这些信号在作原始振动还原解调的时候会使得得到的信号产生失真。由于这个原因，由宽光谱激光器作为光源的振动测试系统多用于微小振动信号的测量。

　　在本文中，就光谱分量提出了新的分析方法，并且通过计算补偿光谱分量的多余干涉信号以消除宽光谱失真现象。

　　2 原理分析

　　在研究宽光谱激光器在大信号干涉所产生的多余干涉信号时，首先要从激光器的光谱着手分析，其最主要的参数就是中心补偿和谱宽。如果设中心波长 λ0，设功率下降到最大值1/10 时所对应的偏离中心波长的光谱宽度为 ω0，设光谱宽度为B0，可定义 B0=2ω0。光谱示意图如图 1 所示。

　　设光谱 λi对应的振动幅度为 Ai(λi)，且光谱是以中心波长 λ0对称分布的, 任意一点光谱 λi到中心波长 λ0的差值为：

　　如果干涉形成的光程差为ΔL，则由于中心波长 λ0所形成的相位弧度为：

　　根据该公式，在后面的讨论可以看出，不同光谱形成的相位差与0密切相关。

　　为了分析不同光谱的相位差所产生的干涉信号，与中心波长相差Δλ 对应的相位弧度差Δφ 为：

　　在全光纤干涉系统中，干涉相位是一个余弦函数，干涉信号 Ii(t)可以表示为：

　　考虑到得到的干涉信号 I(t)是在整个光谱的情况下得到的，可以得到下式：

　　考虑到式(3)~(5)中的i可以由原来的负数值变为从0开始正整数：

　　由式(2)可得， Δφi是与中心波长所对应的相位 φ0和偏离中心波长的幂级数 i 密切相关的。当 φ0是一个比较小的值的时候，由于其他偏离中心波长光谱分量所产生的干涉条纹主要是由光谱的固有频谱分布 Ai所决定的。

　　当 φ0是一个较大的值时，干涉信号所产生的初始相位差Δφi造成的条纹强度减弱影响表现为三角函数变化关系cos[Δφi(t)]。所以应用宽光谱激光器为光源的全光纤干涉系统来测量振动信号时，当信号变大干涉条纹数增加后得到的干涉信号就会产生衰变现象，用该信号还原的原始振动信号会产生失真.