光纤激光干涉测速

　　在工程测量中,常常需要对运动靶面进行准确、不间断、非接触连续测量,同时,高速、瞬态测速也是冲击波和爆炸物理实验研究的主要内容.20世纪60年代以来,随着激光技术的发展,人们设计了各种激光速度干涉仪.20世纪80年代,人们将法布里-珀罗干涉仪用于测量瞬态速度,接收装置使用超高速扫描照相机[1],其时间分辨率极限受到系统本身结构的限制.所有传统的速度干涉仪的一个共同特点是利用多普勒效应来实现速度测量,通过对速度-时间的剖面曲线取微分和积分,可得加速度、位移剖面的时间曲线,因此速度干涉仪又可称为加速度计和位移计.这些速度测量仪的光路都由分离光学元件所构成,对光源的相干长度要求高,系统构造复杂,光功率利用较低,调试难度大.近年来,随着光纤技术、光无源器件及相关光电子器件的发展和完善,研究者们开始以光导纤维或集成光路代替空间光路[2],以半导体探测器代替真空光电倍增管的理论分析和实验研究方案被陆续提出,使光纤传感器和短相干长度激光成功应用于VISAR[3].同时,多点VISAR也在实验中获得成功[4-5].21世纪初,有文章报道了一种更高解析度的推挽式VISAR,其时间解析度可以达到2~3ns[6].美国洛克希德·马丁公司的桑迪亚实验室一直从事此类研究,并且在商业化方面有所突破[7].本文构建了一种光纤速度干涉仪,详细介绍了测量原理和光路,讨论了数据处理方法,并对系统进行了标定.对霍普金森杆的速度测量实验结果表明,在系统标定好的情况下,由干涉信号求得的膛口速度和由光触发脉冲求得的膛口速度的误差在1‰以内.

　　1　光纤干涉仪测速原理

　　根据多普勒效应,当光波入射在运动物体上时,运动物体将改变反射光波的频率.当不同时刻反射的光波同时到达探测器时,会产生干涉现象,通过对干涉条纹的分析,即可获得运动物体的运动速度.图1为光纤速度干涉仪原理示意图.激光器发出的激光被光纤导出后由扩束镜准直为近似平行光,经分光镜和反射镜1反射后,入射到安装在运动目标上的角锥反射镜,返回的光信号经反射镜1、分光镜、反射镜2反射,由缩束镜传输至自聚焦透镜.耦合器1将信号光分成2路,一路直接传输到探测器,另一路传输到耦合器2.由于光源有一定的谱宽Δv,为了将被测物体的速度从输出信号中解调出来,光源的谱宽与被测物体运动引起的多普勒频移ΔvD应满足一定的关系.经计算,只有当Δv ΔvD或Δv ΔvD时,差频ΔvD调制波才可以被检测出来;如果Δv和ΔvD相当,则难以检测.因此根据被测物体运动引起的最大多普勒频移可以估算出所需激光器的谱宽.选用的激光器的参数分别为:中心波长为1 550nm,工作于单模模式下,相干长度为100m,最大输出功率为25mW,谱带宽带为50kHz,功率稳定度为0.07dB.