波长扫描光纤干涉仪扫描模型的建立及分析

引言

光纤传感器与其它传统的传感器相比具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、适用于易燃易爆环境等优点[1],而且便于联网和复用.光学干涉技术是目前最精确的测量手段之一[2],其中绝对距离的测量是重要的发展方向而被广泛研究.新发展的干涉技术,如白光干涉技术[3]、线性调频外差干涉技术[4]、采用小数条纹的双波长干涉技术[5]等,使得光纤位移传感器以其广泛的适用性、高灵敏度和大的动态范围更加引人注意.但是这些方法要求稳定的中心频率或高线性度的调频或高稳定性的机械移动解调信号,这些是不易实现的,而且这些方法更适用于相对位移的测量.如果应用于绝对距离的测量则必须校准作为参考尺度的光源波长.

为克服以往技术的不足,基于双腔比较的思路[6],我们建立了一种新型的可用于绝对距离测量的波长扫描干涉仪[6],避免了使用精密的机械移动机构解调信号,因而较其它技术更易于实用化.由于光源波长在较大范围内扫描,其输出信号不同于以往的干涉仪,为更好地研究输出信号的特性,本文建立了测量系统的模型和波长扫描的模型,在此基础上,详细讨论了波长扫描的性能对输出信号的影响.

1　测量原理与系统结构

波长扫描干涉仪的系统结构如图1所示.采用一个红外波长可连续调谐的外腔激光器作光源,其出射光同时注入两个低细度的光纤F-P干涉仪(细度小于2.5),一个作为传感腔,其自聚焦透镜端面与可移动反射面之间的距离l待测,另一个作为参考腔,其腔长l0准确标定并通过选择合适的材料和控制其温度而保持固定.当光源波长扫描Δλ时,每个干涉仪输出一组干涉条纹,在双光束干涉近似下,条纹数分别为2lΔλ/λ2和2l0Δλ/λ2,其比值等于两个腔长的比值l/l0,由此获得了待测的绝对距离,并消除了光源的影响.这一方案实际上是把波长作为中介去比较传感腔和参考腔的长度,以获得传感腔的准绝对信息.采用这种方法,不但可获得绝对距离,并可减少系统对于光源稳定性、扫描重复性的要求,系统更易于实用化.

2　测量系统的模型

图2为绝对距离测量系统的模型框图.在一次扫描过程中,光源的波长从λ1至λ2扫描,输入光被腔长分别为l和l0的F-P干涉仪调制后,产生两组干涉条纹,信号处理单元利用这两组干涉条纹及已知的腔长l0,求出待测的腔长l.实际上,由于光源及两个F-P干涉仪的性能不完善,对输出信号产生了一定的影响,使得求解腔长l出现误差.波长扫描的线性是光源的主要指标.波长扫描的随机漂移,形成干涉仪的输入噪声,再加上干涉自身的干扰和噪声,造成输出干涉条纹的信噪比恶化,测量精度下降.本文通过对扫描模型的分析,可以定量地研究波长扫描的漂移对输出信号的影响,为光源的优化设计提供依据.