兩路微振動信號的光纖F-P腔干涉測量

趙 忖,劉徑舟

(1.東北石油大學秦皇島校區(qū),河北 秦皇島 066004；2.大慶油田有限責任公司,黑龍江 大慶 163000)

1 引 言

精細加工技術(shù)飛速發(fā)展,使得物體微位移和微振動測量日益受到重視。高分辨率空間遙感衛(wèi)星的研制、航天器擾動預測等,均需要精確采集振源數(shù)據(jù),基于FFT變換的動態(tài)頻域標定方法,測出六維廣義力的線性度在0.1 % FS以內(nèi)[1]。衛(wèi)星姿軌控中,微振動檢測系統(tǒng)三軸線性度7.393pT·Hz-1/2[2]。微振動還可用于地下連接墻接縫剛度和強度測試[3],雕刻機主軸共振的各階振型分析等[4]。因微振動形式復雜,振動多向且幅度小,頻率分布范圍廣,故精確測量難度大。光學測量技術(shù)精度高,抗電磁干擾能力強,動態(tài)范圍大,能在易燃易爆環(huán)境下可靠運行,是一種重要的非接觸式無損測量的技術(shù)[5-8],在微位移和微振動測量中占據(jù)了主導地位。基于激光自混合干涉的高精度角度測量,在±0.4°角度范圍內(nèi)測量精度可達(±3.1×10-3)[9]?；诩す庾曰旌仙吒缮娴奈⑿×髁繖z測,相對誤差小于1.13 %[10]?；诩す舛嘀胤答佔曰旌细缮娴恼駝訙y量,在管道泄漏點定位中,誤差小于5 %[11]。光纖自混合型多普勒測速儀的研制成功[12],推動了光纖自混合干涉測量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[13-15]。光纖F-P腔傳感器由兩塊平行的玻璃板組成,其相對內(nèi)表面都具有高反射率。作為一種結(jié)構(gòu)簡單的多光束干涉儀,引發(fā)了研究者極大興趣,新型光纖F-P腔傳感器不斷涌現(xiàn)[16-19]。為了使用一套光纖F-P腔系統(tǒng)同時測量兩個目標,首先利用分光鏡對激光器發(fā)射光進行分離,然后采集兩個待測目標的微振動信息,反饋后形成光纖F-P腔干涉信號。再進行光電轉(zhuǎn)換,對電信號進行多次取包絡(luò)分解,通過快速傅里葉變換獲取基頻和主頻,基于主頻階次計算出兩路微振動信號幅值。

2 兩路微振動信號的光纖F-P腔干涉測量原理與實驗

兩路微振動信號的光纖F-P腔干涉測量原理如圖1所示。F-P內(nèi)腔的兩個端面為R1和R2,長度為LD,待測物體為M1和M2。激光器發(fā)出的光波傳送到R2鏡時,一部分反射回內(nèi)腔,一部分由內(nèi)及外透射到外腔,再由分光鏡分成兩部分,分別投射到兩個物體表面。攜帶微振動信息的兩路光波反射回外腔,又傳送至R2鏡形成由外而內(nèi)的透射。這樣內(nèi)腔既含有透射回的兩路光波,也有原反射光波,耦合后形成干涉信號,最終傳送到光電探測器PD。弱反饋狀態(tài)下,兩路干涉信號光功率等于兩個單路分別干涉時的光功率之和[20]。

圖1 兩路微振動信號的光纖F-P干涉測量原理

兩路微振動信號的光纖F-P腔干涉測量系統(tǒng)如圖2所示。為了減小由實驗環(huán)境引起的誤差,將上述所有實驗設(shè)備放置在氣浮光學隔振平臺上。

圖2 兩路微振動信號的光纖F-P腔干涉測量實驗系統(tǒng)

分布式反饋(Distributed Feedback,DFB)激光器光譜純度高,與傳統(tǒng)的半導體激光器相比,半導體增益區(qū)內(nèi)置了相移光柵結(jié)構(gòu)。DFB激光器選型Thorlabs,S3FC1550；2×2單模光纖耦合器選型THORLABS,10202A-50-FC；準直器選型F220FC-1550；光電探測器(Photodetector,PD)選型PDA10CS-EC；數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司的USB-4431；鋯鈦酸鉛(PbZrxTi1-xO3,PZT)驅(qū)動器和陶瓷片配套選用,后者型號分別為P-752和P-753。為了保證DFB激光器輸出波長以及功率的穩(wěn)定,增加了溫控器件,選型LTC100-B。

對兩路微振動信號進行測量時,DFB激光器發(fā)出波長λ0為1550 nm的單縱模光,選取反饋因子C=0.5,采用正弦信號,設(shè)定PZT1頻率60 Hz,振幅1 μm；PZT2頻率0.5 Hz,振幅2 μm。采集到的信號經(jīng)去噪預處理如圖3所示,小窗口系局部放大圖。

圖3 去噪處理后的兩路反饋光纖F-P腔干涉信號

3 兩路反饋光纖F-P腔干涉信號的分解

依據(jù)弱反饋狀態(tài)下兩路干涉信號疊加原理,對圖3所示波形采用取上下包絡(luò)方式進行分解[21],可將原始信號P(t)分解為較低頻率的Pdi(t)信號和較高頻率的Pgao(t)信號,如圖4所示。

圖4 兩路反饋光纖F-P腔干涉信號分解流程

對圖3的上下包絡(luò)采用局部最大值檢測和局部最小值檢測方法獲得。通過式(1)求取中值median(t),作為一路低頻信號Pdi(t),如圖5所示。圖5中b線為上包絡(luò)信號,c線為下包絡(luò)信號,a線為中值信號。

median(t)=envmax1(t)-[envmax1(t)-envmin1(t)]/2

(1)

式中,envmax1(t)為F-P腔干涉信號上包絡(luò)；envmin1(t)為F-P腔干涉信號下包絡(luò)。

圖5 兩路反饋光纖F-P腔干涉信號上下包絡(luò)及中值

依據(jù)圖4,通過式(2)得到一個新的信號Pz(t),如圖6(a)所示,觀察其特點,稱之為過零信號。

Pz(t)=P(t)-median(t)

(2)

對過零信號再取一次上包絡(luò),記為envmax2(t)。根據(jù)式(3),結(jié)合圖4,可圖3分解出一路高頻信號,如圖6(c)所示。

Pgao(t)=Pz(t)/envmax2(t)

(3)

圖6 過零信號、過零信號的上包絡(luò)及分離出的較高頻率的一路信號

對圖3使用EMD算法,也能分解出高、低頻信號[22]。與之比較,該方法解決了高頻信號殘留部分低頻成分的問題。

4 兩路微振動信號幅值計算

從光纖F-P腔干涉信號分離出高、低頻信號后,通過快速傅里葉變換得到頻譜圖,進而獲得基頻fb和主頻fd1。根據(jù)式(4)可計算出主頻階次nd,按照式(5)可計算出A,即為PZT的振幅[5]。光纖F-P腔干涉信號分離出的低頻信號計算出的A對應(yīng)PZT2的振幅,高頻信號計算出的A對應(yīng)PZT1的振幅。

(4)

(5)

對圖6(b)所示低頻信號進行快速傅里葉變換,得到頻譜如圖7所示,從中提取出基頻fb為0.4612 Hz,主頻fd1為6.457 Hz。綜合式(4)、(5),計算出PZT2的振幅為1.9736 μm,與實際2 μm的振幅相比,誤差為1.32 % 。

對圖6(c)所示高頻信號進行快速傅里葉變換,得到頻譜如圖8所示,從中提取出基頻fb為60.42 Hz,主頻fd1為423.7 Hz。同理計算出PZT1的振幅為1.0663 μm,與實際1 μm的振幅相比,誤差為6.63 %。

圖7 兩路反饋光纖F-P腔干涉信號分解出低頻信號頻譜

圖8 兩路反饋光纖F-P腔干涉信號分解出低頻信號頻譜

5 結(jié) 論

兩路反饋光纖F-P腔混合干涉系統(tǒng)能夠同時對兩路微振動信號進行測量,結(jié)果表明:

(1)使用一套光纖F-P腔干涉系統(tǒng)可同時對兩個目標進行測量,結(jié)構(gòu)簡單,穩(wěn)定性好,抗干擾能力強。

(2)對兩路反饋光纖F-P腔干涉信號進行取包絡(luò)分解,能夠快速、準確的分離出待測目標微振動幅度。

(3)該方法解決了EMD算法分離出的高頻信號殘留部分低頻成分的問題。