一种多路光纤接收漫反射信号的全光纤测速仪

　　1　引言

　　随着科技的发展,激光测速技术已广泛运用于各种速度测量领域。光纤速度干涉仪正是从激光测速系统演化而来,它与激光测速系统相比具有更多的优点,如结构简单、体积小、重量轻、易于调试等等。光纤速度干涉仪作为一种新型速度干涉仪,其研究始于20世纪80年代后期,在90年代中后期取得了较大的进展。从最早的光纤迈克尔逊干涉仪、广角迈克尔逊干涉仪到长相干长度、大动态范围的光纤速度干涉仪和对任意反射面的全光纤速度干涉仪,经历了一系列的发展阶段。

　　以色列科学家L.Levin[1]于1996年报道了全光纤任意反射面速度干涉仪(FVISAR, fibervelocity interferometer for any reflector)的原理性研究结果。该方法利用等光程差原理,使两路光束实现相干,在测量喇叭膜片振动的实验中,观察到了清晰的干涉条纹。与传统的VISAR相比,FVISAR在原理上实现了较大的突破,大大降低了对干涉系统光源相干性和光强的要求,因此这种干涉仪也称为宽光谱光纤任意反射面速度干涉仪。FVISAR具有对光源相干长度要求低、系统调整方便、空间相干性好的优点。

　　1997年,L.Fabiny等人[2]提出了大动态范围的光纤速度干涉仪。激光器发出的光束经隔离器、2×2耦合器、自聚焦透镜入射到运动物体上,反射回的多普勒频移光经耦合器耦合进M2Z干涉仪,其中一臂经过压电陶瓷相位调制器调制。利用载波相位调制PGC来解调相位。该种方法利用了相干检测方法,因而对噪声具有较好的抑制作用,其下限可检测到rad的信号,动态范围为107,所以具有很高的灵敏度和较大的动态范围[2]。该系统光源利用效率相对较高,但是要求光源的相干长度较高,因而只能采用特殊激光器(如Nd∶YAG激光器),价格昂贵。

　　上述各种光纤测速系统都是基于光束干涉原理或多普勒效应。由于这些系统光路输出端都是由自聚焦透镜进行准直,虽然自聚焦透镜输出光束方向性好,但其孔径非常小,大约1 mm。这样,由运动物体反射的光信号能够回到光纤中的非常少。再考虑光路本身的损耗,探测器将无法检测到信号。此外,由于接收口径小,还会带来不稳定因素,例如出现信号接收盲区、测量误差等。因此,上述系统投入工程实用时,稳定性较差,只适合于近距离测速。

　　文献[3]报道了利用光束反射原理(opticalbeam reflectance, OBR)的速度测量系统,但其采用结构复杂的专用光源和传输介质,系统复杂昂贵,不易推广使用。本文探索了一种一路发射多路接收的低成本全光纤测速系统(all fiber optical beamreflectance, AFOBR)。该系统采用全光纤结构,避免了分立光学元件复杂的调节和准直过程,且结构简单、成本低、体积小、易于调试。与其他光纤测速系统相比,该测速仪在接收端排列多根光纤回路以扩大接收孔径,其前置准直透镜既能获得良好的出射光束,又可以将反射回的光信号通过透镜会聚到后焦面的多根光纤中传送至探测器。本文首先介绍了该系统的工作原理和结构,然后分析了系统的不确定因素,最后通过实验验证了系统的可行性和测速范围。