大量程光纤测距技术的研究

　　1引言

　　非接触、大量程、高精度的绝对距离测量是当今测量技术的重要发展方向之一。在众多的绝对测距方案中，光纤绝对测距技术由于仪器体积小、系统抗干 扰能力强的特点，得到日益广泛的研究。目前的光纤准白光测距系统精度很高，但测量范围比较小。本文在长期光纤绝对测距研究的经验基础上，引入光开关器件作 为光程倍增的核心，极大地增加了系统的量程，同时具有结构简单、精度高等特点。

　　2测量系统原理

　　系统由两套干涉仪组成:光纤准白光定位干涉仪和激光扫描干涉仪。光纤准白光干涉仪主要完成目标的定位瞄准。光源采用λ = 650nm半导体激光器，为缩短相干长度，采用455kHz调制后的相干长度约为40μm。根据准单色光干涉原理，在零位光程差附近，干涉条纹的强度呈类 高斯分布，顶点即为零光程点。光纤准白光干涉仪中有多组干涉光纤，其中最右边一组为系统零位光纤组，在系统确定后，其光程差由扫描工作台的位置唯一确定; 其它光纤组的光程差由目标镜位置和扫描工作台位置确定。

　　测量系统的原理图如下图1所示。

　　扫描干涉仪由一维工作台驱动，行程200mm，扫描移动通过另一个迈克尔逊干涉仪测量。系统经调整后处于测量预备状态的条件有两个:一是当扫描 镜处于起始位置时，激光器~零位光纤~零位光纤藕合器的光程差与激光器~扫描棱镜一零位光纤辆合器的光程差基本相等;二是当物镜处于系统测量范围的近端 时，激光器~物镜~测量端光纤分束器的光程差与激光器~扫描棱镜~扫描端光纤分束器的光程差基本相等。

　　两组光纤分束器分别祸合并呈400mm等差排列的7组光纤。这样当固定在物体上的物镜处于测量范围时，扫描台移动一次，7组光纤中的一组就会有干涉条纹，据此就可以求出物体的绝对距离。

　　3量程倍增系统

　　在系统中，量程受三方面的影响:①光纤分束器分束比K②扫描导轨的长度L,;③扫描棱镜与目标棱镜光路倍程之比Kz;④光开关的分配比K3。系统最大测量距离满足以下关系式:

　　Lmax=LaXK1XK2XK3

　　整套系统从小型化结构方面考虑，取La=200mm。同时系统中扫描棱镜光路采用8倍程，目标棱镜光路采用4倍程，因此光路倍程之比K2=2。 非零位光纤组的光程差△L与扫描导轨的长度和光路倍程之比K2直接相关，它们之间的关系为△L=K2X L0。本系统设计中，ΔL= 2 X 200= 400mm o

　　下面分析一下两个对量程倍增器有巨大作用的两个器件参数选取问题:光纤分束器和光开关。本系统选用分配比为8的光纤分束器，由于分束器分成的8 路光纤里有一路用做零位信号，实际上只能扩大7倍量程。当然选用1X16的光纤分束器可以将系统的量程再增加一倍，但随着分束比的增加，每个出口端的光纤 的信号会进一步减弱，影响干涉条纹的对比度。