光纤干涉仪条纹动态测量技术

　　引　言

　　光纤干涉测量技术具有灵敏度高,精度高,安全,抗电磁干扰等优点,在许多领域中有着广泛的应用前景。任何物理量,只要能够转换成光纤的光程差变化,都可以用光纤干涉仪来测量。因此光纤干涉测量技术成为一个重要的研究领域,其中干涉仪条纹的测量技术是这一领域的一个分支。有许多人进行了干涉条纹测量技术的研究[1,2],提出了很多的方法,这些方法各有其优点,并在条纹处理中起了重要作用。这些方法用于光纤干涉仪条纹的动态测量时,还有一些工作要做,如干涉条纹的最大允许速度的确定等。

　　本文提出了基于CCD的光纤干涉条纹动态测量技术,给出了实现方案,分析了影响条纹最大允许移动速度的因素,给出了采用中值滤波方法的实验结果。

    1　系统组成与测量原理

　　1.1　测量原理

　　光纤干涉仪与条纹动态测量系统如图1所示。He-Ne激光器发出的光耦合进两根保偏光纤中,保持保偏光纤的偏振轴平行,并将输出端紧紧并在一起,则两输出光束发生干涉[3]。

　　当外界参数变化引起两光纤的光程差变化时,干涉条纹就发生移动。干涉条纹经过光学系统成象于线阵CCD的光敏元阵列上,CCD将干涉条纹转变成电信号,由数据采集系统采集后输入计算机,计算机对数据进行处理后给出测量结果。

　　1.2　动态测量速度

　　设光纤干涉条纹的移动速度为v,CCD的场扫描时间为T1,测量系统处理每场CCD信号的时间为T2,条纹的节距为w。为了能够实现采样频率为f的连续测量,并能够分辨条纹的移动方向,在采样时间T内,条纹的移动距离应该小于条纹节距的一半,即

处理完CCD的上一场输出信号,CCD的下一场信号已经输出等待处理。CCD的场扫描时间一般小于2ms,测量系统的信号处理时间受信号处理方法和系统硬件的影响,但一般远大于CCD的场扫描时间,因此一般取T=T2,即条纹的移动速度主要受到信号处理速度的限制。

　　另外,条纹的移动速度也受到条纹的节距w的影响。当保偏光纤的出光端紧紧靠在一起,中心处于横坐标轴上,且偏振方向都垂直于横坐标轴时,条纹的节距w为

式中λ是光波的波长,D是观察屏到光纤出射端面的距离,a是两光纤中心间的距离。

　　1.3　滤波方法

　　为了提高速度,采用中值滤波器。中值滤波器是基于次序统计的一种非线性滤波器,其优点是运算简单,速度快,在滤除噪声的同时能很好地保护信号的边缘等细节信息。设中值滤波器窗口A的长度为n=2k+1,观测值个数为N,即x1,x2,…,xn,并且N n。当窗口A在观测值序列上移动时,将任一时刻窗口内的2k+1个观察值按大小排队,队中处于中间位置的观察值作为滤波器的输出[4]。即