一种全光纤激光干涉测速仪的研究

　　0　引言

　　传统激光干涉测速仪存在价格昂贵、维护困难、调试操作专业性强的缺点,而且对测量过程被测对象的偏摆不敏感,随着光纤技术的成熟、光电技术的发展和半导体激光器的完善,用全光纤速度干涉仪(AF-VI)取代离散器件构成的速度干涉仪,已经成为一种趋势[1-3]。本文主要内容是设计实现一种全光纤激光测速方案,避免传统测速仪的缺点与局限。

　　1　系统结构设计与工作原理

　　全光纤激光干涉测速系统的结构如图1所示。

　　该系统由一支半导体激光器(带隔离器)、一支2×2耦合器、一支3×3耦合器、带自聚焦透镜的尾纤collimator (调焦系统)、单模光纤(延迟臂和直通臂)及两个探测器构成。从激光器注入的光经过耦合器Ⅰ后分为两束,分别经过延迟臂和直通臂到达耦合器Ⅱ;这两束光均被运动面反射,反射光回到耦合器Ⅰ后被分为三个部分,一部分回到激光器的方向,但由于隔离器的作用,不会影响激光器的工作,另外两部分分别进入探测器1和探测器2。进入每个探测器的光,由于传输路径不同,可以得到四束不同传输路径的光,列出如下:

　　光束[a]:通过直通臂到达耦合器Ⅱ,经运动面反射后,从直通臂到达耦合器Ⅰ;

　　光束[b]:通过直通臂到达耦合器Ⅱ,经运动面反射后,从延迟臂到达耦合器Ⅰ;

　　光束[c]:通过延迟臂到达耦合器Ⅱ,经运动面反射后,从直通臂到达耦合器Ⅰ;

　　光束[d]:通过延迟臂到达耦合器Ⅱ,经运动面反射后,从延迟臂到达耦合器Ⅰ。

　　令延迟臂的长度为L,当运动目标静止不动时,光束[a]和光束[d]的光程差为2L,光束[a]和光束[b]、光束[a]和光束[c]、光束[d]和光束[b]、束[d]和光束[c]的光程差均为L,光束[b]和光束[c]的光程差为0。L为30 m,由于采用相干长度不到1 mm的半导体激光器作为光源,因此,只有光束[b]和[c]能够产生稳定的干涉场,形成干涉条纹,其他光束只能作为直流背景。

　　设τ为延迟时间,即光通过延迟臂L所需要的时间,则有

式中:n为光纤芯层的折射率; L为30 m;c为真空中光速。

　　光束[b]到达靶面的时间比光束[c]早τ,因此相干时两束光的光程差ΔL为

式中:v(t)为运动靶面的速度; s(t), s(t-τ)为运动靶面在时间段0~t和0~(t-τ)内的位移[4]。

　　经过干涉理论推导,可以得到被测物体运动速度与干涉条纹之间的关系为

式中:Fυ是测速仪的条纹常数[5],用来表示单位条纹变化所对应的速度改变量; N(t)是t时刻形成的干涉条纹数。将代入(1)式可得