一种新型光纤干涉测距系统及其定位信号处理

　　1　引言

　　利用干涉法测量位移是一种传统的高精度测量方法,在实现大位移测量的同时,可以达到较理想的分辨率和测量精度[1]。近年来,随着半导体激光器、光纤传光器件以及固态接收阵列产品水平的提高和应用,大大推动了相位测量技术的进步,从而也推动了干涉测量技术的发展。在这样的前提下,我们提出了一种新型的光纤干涉距离测量系统,将近代发展起来的先进的光纤及半导体技术与传统的干涉测量技术相结合,用于无长导轨大距离的测量,从而为我国在这一领域内的研究开辟一个新的发展方向。在系统中引用光纤干涉仪的形式,并利用半导体激光器的调制特性实现“准白光”的高精度定位。克服了传统干涉测距中光学轴线漂移和结构复杂的缺点,抗干扰性能强,结构简单灵活。

　　2　系统原理

　　利用高分辨率、高精度的光纤干涉位移测量原理进行绝对距离测量需要解决以下三个关键问题:

　　(1)如何在测量系统中建立一个固定不丢失的绝对零位;(2)如何在较大测量范围内实现高精度测量;

　　(3)如何不用长距离精密机械导轨而实现对周期相位绝对值的恢复。为了解决以上问题,系统采用由定位干涉仪和扫描测量干涉仪组成的双干涉仪结构,将目标距离的测量分解为两个过程,即对目标的定位过程和对目标的测量过程。图1为整个测量系统的结构示意图,其中MLD为多纵模半导体激光器,He-Ne为氦氖激光器,BS为半反半透镜,C1,C2为光纤耦合器,M1,M2为反射镜,OPn为不同光程差的光纤组,CCP为反射棱镜,PD为光电接收器件。

　　2.1　定位干涉仪

　　定位干涉仪主要是完成对靶标的定位及光程调谐。如图1所示,该干涉仪采用了马赫-泽德光纤干涉仪的形式。两相干光束在不同介质中传播,一路通过空气光路进行传播,另一路则通过光纤进行传播。采用光纤是考虑到它是小结构尺寸大数值孔径的柔性光波导介质,不存在光学轴线漂移,而且所含信息量丰富,抗电磁干扰能力较强,结构小巧方便,具有良好的可挠性。此外,由于采用马赫-泽德光纤干涉仪的形式,使得输出端可以获得两路反相的干涉信号,便于后续信号的处理。

　　为了准确地调谐光程,获得高精度的定位,干涉仪的光源应具有足够短的相干长度;但因为光纤存在色散特性,光源的相干长度又不能太短,否则经光纤传输后,两路光将无法相干产生干涉条纹。为了解决这一矛盾,同时也为简化系统结构,系统采用多纵模半导体激光器MLD作为定位光源。经脉冲电流调制后,半导体激光器所输出的单模谱线发生展宽,MLD的谱线则发生连续地展宽[2],从而实现“准白光”的高精度定位。