一種路徑消擾型全光纖速度干涉儀

凌　春，彭和闊，肖　倩

(復旦大學 材料科學系，上海 200433)

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一種路徑消擾型全光纖速度干涉儀

凌春，彭和闊，肖倩

(復旦大學 材料科學系，上海 200433)

摘要：在使用全光纖速度干涉儀測速時，由光纖傳輸路徑引入的環(huán)境噪聲會影響速度測量的準確性.提出了一種路徑消擾型全光纖速度干涉儀.構建了兩個具有完全對稱光路結構的傳感子系統(tǒng)，其中一個子系統(tǒng)采用傳統(tǒng)全光纖速度干涉儀的結構，記錄自由面運動和噪聲的疊加信號；另一個子系統(tǒng)用于記錄噪聲信號.同一振動擾動在兩子系統(tǒng)中引起的相位移動相同，通過對兩子系統(tǒng)測量得到的相位信號做處理，可以實時修正由噪聲造成的相位偏差.實驗結果表明，該路徑消擾型全光纖速度干涉儀能很好地抑制寬頻噪聲和固定頻率噪聲對測速結果的干擾.系統(tǒng)對固定頻率噪聲的抑制能力達30dB，抗干擾能力明顯提升，速度測量的準確性得到了提高.

關鍵詞:全光纖速度干涉儀； 相位調制噪聲； 噪聲抑制

在20世紀70年代，Baker和Hollenbach提出了能夠測量任意反射面速度的干涉儀(Velocity Interferometer System for Any Reflector， VISAR)[1]，該系統(tǒng)廣泛用于對高速運動事件的非接觸式測試，是沖擊波物理和爆轟物理研究領域的重要工具[2-5].20世紀90年代，隨著光纖傳感技術的不斷進步，Levin提出了基于不等臂光纖延遲方案的全光纖速度干涉儀(All-Fiber Velocity Interferometer System for Any Reflector， AFVISAR)[6].相較傳統(tǒng)VISAR，AFVISAR在原理上實現(xiàn)了極大突破，大大降低了系統(tǒng)對光源相干性的要求.AFVISAR結構簡單、調試方便、抗干擾能力強，能夠滿足高速和低速等不同的測速要求，近年來受到越來越多的關注，得到了很大發(fā)展[7-10].

在用AFVISAR測速時，環(huán)境噪聲引起的相位變化會使測量結果的準確性下降.特別是當光路中光纖長度很長時，溫度變化、振動、聲音等外界擾動很容易影響速度測量的準確性.解決的方法通常有兩種： 一是對整個光路做外部屏蔽，通過隔離使環(huán)境噪聲無法影響系統(tǒng)內部光纖，但這樣會使測速儀結構過于復雜；二是減小延遲光纖的長度，但這種做法會降低干涉條紋對比度，使系統(tǒng)靈敏度下降.為此，研究者們提出了通過改進光路結構抑制噪聲的方案[11-13].

本文提出了一種具有雙傳感器結構的路徑消擾型全光纖速度干涉儀.在傳統(tǒng)的AFVISAR系統(tǒng)中構建同步工作的兩個傳感器子系統(tǒng)，分別測量環(huán)境噪聲和自由面運動.通過對兩個子系統(tǒng)測量結果進行處理，消除光纖路徑上的環(huán)境噪聲帶來的干擾.實驗分別測試了該系統(tǒng)對寬頻噪聲和固定頻率噪聲的抑制效果.結果表明該路徑消擾型系統(tǒng)可以很好地抑制這兩種噪聲造成的測速偏差，測速的準確性得到了很大提升.

1系統(tǒng)工作原理

本文提出的路徑消擾型全光纖速度干涉儀結構如圖1(見第344頁)所示.該干涉儀結構中包含兩個傳感子系統(tǒng)，這里將這兩個子系統(tǒng)分別表示為子系統(tǒng)Ⅰ和子系統(tǒng)Ⅱ.子系統(tǒng)Ⅰ由耦合器C2、C3，光纖Ld1、L1、L2，激光準直器(collimator)，移動靶面(moving target)，光電探測器D1和D2構成；子系統(tǒng)Ⅱ由耦合器C4、C5，光纖Ld2、L3、L4，反射鏡(mirror)，光電探測器D3和D4構成.子系統(tǒng)Ⅰ和子系統(tǒng)Ⅱ可以看作是相互獨立、并行工作的兩個傳感器.兩個子系統(tǒng)光路結構具有對稱性，延遲光纖Ld1=Ld2；光纖L2和L4處在同一條光纜L中，L2=L4.當同一擾動以同樣的方式施加在子系統(tǒng)Ⅰ和子系統(tǒng)Ⅱ光路上相同的位置時，會在兩子系統(tǒng)中引起相同的相位變化.

光源(source)發(fā)出的光經(jīng)2×2耦合器C1分光后分別進入子系統(tǒng)Ⅰ和子系統(tǒng)Ⅱ.由于進入兩個子系統(tǒng)的光由同一光源產(chǎn)生，避免了因光源不一致性、波長波動等導致的誤差.

由于只有光程差小于光源相干長度的兩路光才能干涉，兩子系統(tǒng)中各有兩路光能發(fā)生干涉.子系統(tǒng)Ⅰ中發(fā)生干涉的兩路光為IB1和IB2，子系統(tǒng)Ⅱ中發(fā)生干涉的兩路光為IB3和IB4，它們的路徑分別如下：

IB1： C2→Ld1→C3→L2→準直器→移動靶面→準直器→L2→C3→L1→C2

IB2： C2→L1→C3→L2→準直器→移動靶面→準直器→L2→C3→Ld1→C2

IB3： C4→Ld2→C5→L4→反射鏡→L4→C5→L3→C4

IB4： C4→L3→C5→L4→反射鏡→L4→C5→Ld2→C4

在子系統(tǒng)Ⅰ中，IB1和IB2兩路光都經(jīng)過運動靶面.由于延遲光纖Ld1產(chǎn)生時間延遲，IB1和IB2到達靶面的時刻不同，而在不同時刻靶面的位置不同，所以當IB1和IB2在C2匯合時，它們的光程不同，兩路光之間產(chǎn)生相位差.IB1和IB2在C2處發(fā)生干涉，干涉信號由光電探測器D1和D2探測.在子系統(tǒng)Ⅱ中，當L4受到外界擾動時，IB3和IB4之間會產(chǎn)生相位差，它們在C4處干涉，干涉信號由D3和D4探測.光電探測器D1、D2、D3和D4測得信號P1、P2、P3和P4分別表示如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：A1、A2、A3和A4，B1、B2、B3和B4由耦合器分光比、插入損耗、光功率和光電轉換放大倍數(shù)決定；2π/3是由3×3耦合器產(chǎn)生的初始相位；ΔΦⅠ(t)為子系統(tǒng)Ⅰ中兩路干涉光之間的相位差，ΔΦⅡ(t)為子系統(tǒng)Ⅱ中兩路干涉光之間的相位差.通過解調干涉信號可以分別得到ΔΦⅠ(t)和ΔΦⅡ(t)[14-15].

假設光纜L上距離C3耦合器x處施加振動擾動.由于L2和L4都處在光纜L中，擾動在兩子系統(tǒng)中都會造成相位變化.如果該振動擾動在t時刻在子系統(tǒng)Ⅰ中引起大小為N(x,t)的相位移動，那么ΔΦⅠ(t)和ΔΦⅡ(t)分別為：

(5)

ΔΦⅡ(t)=k·N(x,t)-k·N(x,t-τd2)+k·N(x,t-2τx2)-k·N(x,t-2τx2-τd2),

(6)

其中：s(t)表示t時刻靶面的位置；λ0為光源中心波長；k是由兩系統(tǒng)工作波長差異引入的系數(shù)，在本測速儀中兩子系統(tǒng)共用同一光源，所以k=1；τd1和τd2分別是由延遲光纖Ld1和Ld2產(chǎn)生的延遲時間；τx1和τx2分別表示光纖L2和L4中擾動施加點到反射鏡的這一段路徑光纖產(chǎn)生的延遲時間.分析子系統(tǒng)Ⅰ和子系統(tǒng)Ⅱ中的相位變化.ΔΦⅠ(t)中包含由于靶面運動導致的相位移動以及振動擾動造成的相位移動，而 ΔΦⅡ(t) 中只包含振動擾動引起的相位移動.

子系統(tǒng)Ⅰ和子系統(tǒng)Ⅱ中由振動噪聲引起的相位變化ΔΦⅠN(t)和ΔΦⅡN(t)分別為：

ΔΦⅠN(t)=N(x,t)-N(x,t-τd1)+N(x,t-2τx1)-N(x,t-2τx1-τd1),

(7)

ΔΦⅡN(t)=ΔΦⅡ(t)=N(x,t)-N(x,t-τd2)+N(x,t-2τx2)-N(x,t-2τx2-τd2).

(8)

(7)和(8)式中，τd1=neffLd1/c，τd2=neffLd2/c，其中：neff為光纖有效折射率；c為光速.因為兩子系統(tǒng)具有對稱的結構，所以τd1=τd2，τx1=τx2.施加在光纜L上的振動擾動在兩子系統(tǒng)中引起的相位移動相等，即ΔΦⅠN(t)=ΔΦⅡN(t).令τ=τd1/2-τx1，對ΔΦⅠ(t)和ΔΦⅡ(t)作差，即

(9)

從(9)式可以看出，通過作差能夠消去ΔΦⅠ(t)中振動噪聲造成的相位變化，ΔΦ為經(jīng)過作差調整后得到的相位，v(t-τ/2)為靶面在t-τ/2時刻的速度.假設延遲光纖的長度為500m，路徑光纖長度為5m，光纖有效折射率neff=1.46，振動點的施加位置x在0～5m之間.τ=τd1/2-τx1=neff(Ld1-2Lx1)/2c，計算出τ的大小在10-7s量級，因此根據(jù)(9)式計算得到的速度可以看作是運動靶面的瞬時速度，路徑光纖的長度以及振動擾動施加位置對系統(tǒng)相位的修正過程沒有影響，利用該系統(tǒng)可以抑制施加在路徑光纖任何位置上的振動擾動引起的相位偏差.

2實驗

按圖2所示搭建系統(tǒng).光源采用波長1550nm的超輻射發(fā)光二極管(Singal Line Diagram， SLD). 靶面固定在振動臺(shaker)上.信號發(fā)生器(function generator)產(chǎn)生頻率為300Hz的正弦信號驅動振動臺振動，振動臺帶動靶面做同頻率振動.靶面上固定一片具有高反光性能的平面鏡.從準直器出射的光照射在平面鏡上，被平面鏡反射后返回準直器.為了提高返回光的接收率，將光纖準直器固定在4維調節(jié)架上，通過調節(jié)4維調節(jié)架使準直器的出射光與平面鏡垂直.系統(tǒng)中所有光纖都采用單模光纖.使用NI公司型號為PXIe-6124的采集卡DAQ(Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集)采集信號，采用Labview軟件進行數(shù)據(jù)處理.

為了檢測系統(tǒng)對寬頻噪聲的抑制效果，在光纜L上施加敲擊信號(disturbance).圖3(a)為子系統(tǒng)Ⅰ中的相位信號.在敲擊發(fā)生處相位產(chǎn)生了很大的波動，由該時刻的相位計算得到的靶面速度偏差很大，測速基本失效.為了消除該噪聲的影響，解調出同一時間段內子系統(tǒng)Ⅱ的相位，并按(9)式調整子系統(tǒng)Ⅰ的相位.圖3(b)所示為調整后的相位信號.可以看到，經(jīng)過調整之后敲擊產(chǎn)生的相位偏差得到了很好的控制，相位信號基本恢復了正常的正弦波形狀.

為了測試系統(tǒng)對固定頻率環(huán)境噪聲的抑制效果，使用壓電陶瓷PZT(Lead Zirconate Titanate，鋯鈦酸鉛)產(chǎn)生頻率為500Hz的正弦波噪聲，施加在光纜L上.子系統(tǒng)Ⅰ的相位信號如圖4所示.該相位信號中同時包含了振動靶面產(chǎn)生的相位以及PZT產(chǎn)生的噪聲相位，兩種相位信號相互疊加形成復雜的相位形狀.已經(jīng)很難辨識出靶面振動產(chǎn)生的300Hz正弦波信號.在寬頻噪聲測試實驗中，由于敲擊噪聲能量聚集在較短的時間內，在子系統(tǒng)Ⅰ中造成相位偏差所持續(xù)的時間不長.在未施加敲擊擾動的其他的時間段內，依然可以從子系統(tǒng)Ⅰ中得到正確的正弦波振動信號.但從圖4中可以看到，固定頻率噪聲對相位結果的影響是持續(xù)的，在任何時間都沒有辦法得到正確的振動信號.

解調出子系統(tǒng)Ⅱ相位，對兩相位進行(9)式的處理.分別對處理前和處理后的相位信號作傅里葉變換，得到調整前后的相位幅度譜如圖5所示，其中圖5(a)為調整前的相位幅度譜，圖5(b)為調整后的相位幅度譜.

從圖5(a)可以看到在噪聲所在的500Hz處，噪聲的相位幅度與300Hz處的振動信號的相位幅度大小基本相當.處理后300Hz處的靶面振動信號的相位幅度保持不變，而500Hz處噪聲的相位幅度則下降了很多.調整后噪聲的相位幅度比調整前減少了至少30dB，系統(tǒng)的信噪比得到很大提高.

3結語

本文中，通過在傳統(tǒng)AFVISAR系統(tǒng)中構建兩個傳感器子系統(tǒng)，修正由施加在路徑上的環(huán)境噪聲所造成的速度測量的偏差.實驗結果表明，該路徑消擾型系統(tǒng)可以有效抑制寬頻和固定頻率噪聲對測速結果的影響，相較于普通的AFVISAR系統(tǒng)，該系統(tǒng)測速結果的穩(wěn)定性得到很大提升.利用該方案還能夠在同一測速系統(tǒng)中構造更多的傳感單元，實現(xiàn)對多種物理量的同步測量和監(jiān)控，使系統(tǒng)功能更加多樣化，具有良好的應用前景.

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文章編號：0427-7104(2016)03-0342-05

收稿日期：2015-03-24

基金項目：國家重大科學儀器設備開發(fā)專項(2012YQ150213)；上海市科委科研計劃(13231200203)

作者簡介：凌春(1990—)，男，碩士研究生；肖倩，講師，通訊聯(lián)系人，E-mail： ychunww@163.com.

中圖分類號：TP 212.9

文獻標志碼：A

All-Fiber Velocity Interferometer with a Noise Suppression Path

LING Chun, PENG Hekuo, XIAO Qian

(DepartmentofMaterialScience,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

Abstract：Optic fiber path induced environmental noise may cause inferior measurement accuracy in AFVISAR. A special structured AFVISAR system is proposed and demonstrated. Two sensors are structured and integrated into one detection system, while they operated simultaneously. One sensor records noise induced phase-shift, the other measures the velocity information of a moving target. Noise suppression is conducted through real-time signal processing. Result indicates that broadband noise and fixed-frequency noise induced phrase distortion can both be restricted in this new AFVISAR system. Fixed-frequency noise is suppressed by 30dB. Prominent velocity measurement accuracy is accomplished.

Keywords：AFVISAR; phrase shift noise; noise suppression