波长扫描干涉仪信号处理技术

　　1　引　言

　　与其他传统的传感器相比,光纤传感器具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、适用于易燃易爆环境等优点[1,2],而且便于联网和复用,可实现多点、多参量及分布式测量。光学干涉技术是目前最精确的测量手段[3],其中绝对距离的测量是重要的发展方向而被广泛研究。近来兴起的一些干涉技术,如白光干涉技术[4]、线性调频外差干涉技术[5,6]、采用小数条纹的双波长干涉技术[7]等,使光纤位移传感器以其广泛的特性、高灵敏度和大的动态范围更加引人注意。但是这些方法都要求稳定的中心频率或进行线性调频以及高重复性的机械移动,这是不易实现的。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测量则必须校准作为参考尺度的光源波长。为克服以上缺点,我们提出了一种新颖的可用于绝对距离测量的波长扫描干涉仪[8]。其测量原理不同于其他传统的干涉仪。由于干涉信号的独特性,对其处理技术亦不同。应用传统的条纹计数方法会带来很大的误差,其值不小于0.5μm。本文根据时域波形特点,提出了一种精确的信号及其参数的估计方法,不但可完成绝对距离的测量,而且精度达到0.05μm。对算法的应用范围、精度进行了理论分析及数值模拟。

　　2　系统结构及测量原理

　　图1所示为波长扫描干涉仪的结构。采用一个可调谐光源同时照亮两个单模光纤F-P干涉仪,一个作为传感腔,另一个作为参考腔,其腔长经过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。当波长扫描时,每个干涉仪输出一组干涉条纹,两个条纹数的比值等于两个腔长的比值。实际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[8]。利用这种方法,不但可获得绝对距离,而且减少了系统对光源稳定性、扫描重复性的要求。

　　3　干涉信号处理

　　波长扫描干涉仪的输出信号与传统的光学干涉仪不同[9],其周期是非均匀的。因而采用传统的条纹计数或相位检测的方法将产生很大的误差,为此我们采用了一种新的干涉信号处理技术。这一技术的基本出发点是:首先对时域的干涉信号进行分析,寻找一个合适的估计函数进行时域波形估计。然后对信号参数,如相位、长度、扫描范围及中心波长等进行估计,从而获知待测腔长,完成绝对距离的测量。

　　3.1　干涉信号波形估计

　　从传感干涉仪输出的双光束干涉信号可表示为

　　这里A为常数;m为条纹对比度;S(λ,λ0)为光源光谱分布,λ0为其中心波长,δλ为其带宽,扫描时λ0随时间t从λ1到λ2线性变化;D(λ)为探测器的光谱响应函数;l为传感F-P干涉仪的腔长。光源的波动可通过除以Us消去。于是传感腔输出的归一化干涉信号为