光纤干涉测距仪中倍增光纤长度的自标定

　　1　引　言

　　在扫描式光纤干涉绝对测距系统中[1],利用扫描干涉仪和定位干涉仪相配合实现大范围绝对测距,由于扫描干涉仪测量范围较小(100 mm),为达到大范围(大于1 m)测距目的,定位干涉仪中采用多组干涉光纤,利用各组光纤光程差值的不同实现测距。因此必须对各组光纤的光程差进行精确标定。此外,由于光纤的光程会受到环境温度、光纤形状等因素影响,因此最好能实现现场实时标定。本文提出一种光纤长度的自标定方法,也就是用自身测量系统标定出光纤组的光程差,而无须借用其他测量仪器。

　　2　系统原理

　　该测量系统是一套光纤干涉测距系统,它由两套干涉仪组成:定位干涉仪和扫描干涉仪。两套干涉仪由扫描导轨相连,其结构原理如图1所示。定位干涉仪主要完成目标的定位,它可以求出从定位信号出现到定位信号峰值点(即零光程点)的距离值。扫描干涉仪主要完成测量的计数功能,它可以测量从扫描导轨移动到定位信号出现的位移值,用接口卡和定位信号对其进行控制,锁存需要的位移值。因此,定位干涉仪和扫描干涉仪结合在一起就实现了整个系统的绝对测量。其测量原理如图2所示。所测距离值L表示如下

　　其中,λ是半导体激光器的波长,为扩大系统量程,引入了一段段光纤,OPm是其光程差,需要精确标定。在这套测量系统中,通过插入多段不同光程差的光纤,实现了测量系统的量程倍增。没有进行倍增的系统由于受导轨长度的限制,不可能实现大距离测量,为实现大距离测量,在定位干涉仪中插入多段不同光程差的光纤,成倍地提高了它的量程。现以四倍程为例,对量程倍增进行说明。将目标待测范围划分成四个区间,每个区间有两个定位点,如图3所示,每相邻两个定位点之间的距离,在单纯的扫描测量系统的可测范围之内,其具体值由扫描测量给出,而超出单个区间的就由标定光纤光程差给出。

这样,用具有不同光程差的光纤耦合干涉就可实现量程倍增。其具体的测量是:目标光路的不同位置如图3所示,四个干涉传感器的信号臂具有不同的光程长度,即干涉仪信号臂有四个不同长度的预置值。具体测量如图1,当目标镜放在第一区间的位置时,扫描导轨移动扫描,使信号臂与测量臂相调谐,PD0输出目标定位信号。若目标镜移到下一个区间,移动扫描导轨在PD0中不会再有定位信号输出,但它会与第二个信号臂相调谐,PD1产生定位信号输出。依次类推,目标镜移到第三个区间,PD2有定位信号输出,目标镜移到第四个区间,PD3有定位信号输出。这样,即使扫描镜扫描范围有限,由于有不同光程差的信号臂与测量臂相调谐,目标镜的移动范围即使超出了扫描镜的测量范围,它仍然会被具有不同长度的信号臂的定位干涉仪捕捉到,给出目标镜当前的位置信息。