一种路径消扰型全光纤速度干涉仪

凌　春，彭和阔，肖　倩

(复旦大学 材料科学系，上海 200433)



一种路径消扰型全光纤速度干涉仪

凌春，彭和阔，肖倩

(复旦大学 材料科学系，上海 200433)

摘要：在使用全光纤速度干涉仪测速时，由光纤传输路径引入的环境噪声会影响速度测量的准确性.提出了一种路径消扰型全光纤速度干涉仪.构建了两个具有完全对称光路结构的传感子系统，其中一个子系统采用传统全光纤速度干涉仪的结构，记录自由面运动和噪声的叠加信号；另一个子系统用于记录噪声信号.同一振动扰动在两子系统中引起的相位移动相同，通过对两子系统测量得到的相位信号做处理，可以实时修正由噪声造成的相位偏差.实验结果表明，该路径消扰型全光纤速度干涉仪能很好地抑制宽频噪声和固定频率噪声对测速结果的干扰.系统对固定频率噪声的抑制能力达30dB，抗干扰能力明显提升，速度测量的准确性得到了提高.

关键词:全光纤速度干涉仪； 相位调制噪声； 噪声抑制

在20世纪70年代，Baker和Hollenbach提出了能够测量任意反射面速度的干涉仪(Velocity Interferometer System for Any Reflector， VISAR)[1]，该系统广泛用于对高速运动事件的非接触式测试，是冲击波物理和爆轰物理研究领域的重要工具[2-5].20世纪90年代，随着光纤传感技术的不断进步，Levin提出了基于不等臂光纤延迟方案的全光纤速度干涉仪(All-Fiber Velocity Interferometer System for Any Reflector， AFVISAR)[6].相较传统VISAR，AFVISAR在原理上实现了极大突破，大大降低了系统对光源相干性的要求.AFVISAR结构简单、调试方便、抗干扰能力强，能够满足高速和低速等不同的测速要求，近年来受到越来越多的关注，得到了很大发展[7-10].

在用AFVISAR测速时，环境噪声引起的相位变化会使测量结果的准确性下降.特别是当光路中光纤长度很长时，温度变化、振动、声音等外界扰动很容易影响速度测量的准确性.解决的方法通常有两种： 一是对整个光路做外部屏蔽，通过隔离使环境噪声无法影响系统内部光纤，但这样会使测速仪结构过于复杂；二是减小延迟光纤的长度，但这种做法会降低干涉条纹对比度，使系统灵敏度下降.为此，研究者们提出了通过改进光路结构抑制噪声的方案[11-13].

本文提出了一种具有双传感器结构的路径消扰型全光纤速度干涉仪.在传统的AFVISAR系统中构建同步工作的两个传感器子系统，分别测量环境噪声和自由面运动.通过对两个子系统测量结果进行处理，消除光纤路径上的环境噪声带来的干扰.实验分别测试了该系统对宽频噪声和固定频率噪声的抑制效果.结果表明该路径消扰型系统可以很好地抑制这两种噪声造成的测速偏差，测速的准确性得到了很大提升.

1系统工作原理

本文提出的路径消扰型全光纤速度干涉仪结构如图1(见第344页)所示.该干涉仪结构中包含两个传感子系统，这里将这两个子系统分别表示为子系统Ⅰ和子系统Ⅱ.子系统Ⅰ由耦合器C2、C3，光纤Ld1、L1、L2，激光准直器(collimator)，移动靶面(moving target)，光电探测器D1和D2构成；子系统Ⅱ由耦合器C4、C5，光纤Ld2、L3、L4，反射镜(mirror)，光电探测器D3和D4构成.子系统Ⅰ和子系统Ⅱ可以看作是相互独立、并行工作的两个传感器.两个子系统光路结构具有对称性，延迟光纤Ld1=Ld2；光纤L2和L4处在同一条光缆L中，L2=L4.当同一扰动以同样的方式施加在子系统Ⅰ和子系统Ⅱ光路上相同的位置时，会在两子系统中引起相同的相位变化.

光源(source)发出的光经2×2耦合器C1分光后分别进入子系统Ⅰ和子系统Ⅱ.由于进入两个子系统的光由同一光源产生，避免了因光源不一致性、波长波动等导致的误差.

由于只有光程差小于光源相干长度的两路光才能干涉，两子系统中各有两路光能发生干涉.子系统Ⅰ中发生干涉的两路光为IB1和IB2，子系统Ⅱ中发生干涉的两路光为IB3和IB4，它们的路径分别如下：

IB1： C2→Ld1→C3→L2→准直器→移动靶面→准直器→L2→C3→L1→C2

IB2： C2→L1→C3→L2→准直器→移动靶面→准直器→L2→C3→Ld1→C2

IB3： C4→Ld2→C5→L4→反射镜→L4→C5→L3→C4

IB4： C4→L3→C5→L4→反射镜→L4→C5→Ld2→C4

在子系统Ⅰ中，IB1和IB2两路光都经过运动靶面.由于延迟光纤Ld1产生时间延迟，IB1和IB2到达靶面的时刻不同，而在不同时刻靶面的位置不同，所以当IB1和IB2在C2汇合时，它们的光程不同，两路光之间产生相位差.IB1和IB2在C2处发生干涉，干涉信号由光电探测器D1和D2探测.在子系统Ⅱ中，当L4受到外界扰动时，IB3和IB4之间会产生相位差，它们在C4处干涉，干涉信号由D3和D4探测.光电探测器D1、D2、D3和D4测得信号P1、P2、P3和P4分别表示如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：A1、A2、A3和A4，B1、B2、B3和B4由耦合器分光比、插入损耗、光功率和光电转换放大倍数决定；2π/3是由3×3耦合器产生的初始相位；ΔΦⅠ(t)为子系统Ⅰ中两路干涉光之间的相位差，ΔΦⅡ(t)为子系统Ⅱ中两路干涉光之间的相位差.通过解调干涉信号可以分别得到ΔΦⅠ(t)和ΔΦⅡ(t)[14-15].

假设光缆L上距离C3耦合器x处施加振动扰动.由于L2和L4都处在光缆L中，扰动在两子系统中都会造成相位变化.如果该振动扰动在t时刻在子系统Ⅰ中引起大小为N(x,t)的相位移动，那么ΔΦⅠ(t)和ΔΦⅡ(t)分别为：

(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时刻靶面的位置；λ0为光源中心波长；k是由两系统工作波长差异引入的系数，在本测速仪中两子系统共用同一光源，所以k=1；τd1和τd2分别是由延迟光纤Ld1和Ld2产生的延迟时间；τx1和τx2分别表示光纤L2和L4中扰动施加点到反射镜的这一段路径光纤产生的延迟时间.分析子系统Ⅰ和子系统Ⅱ中的相位变化.ΔΦⅠ(t)中包含由于靶面运动导致的相位移动以及振动扰动造成的相位移动，而 ΔΦⅡ(t) 中只包含振动扰动引起的相位移动.

子系统Ⅰ和子系统Ⅱ中由振动噪声引起的相位变化ΔΦⅠN(t)和ΔΦⅡN(t)分别为：

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为光纤有效折射率；c为光速.因为两子系统具有对称的结构，所以τd1=τd2，τx1=τx2.施加在光缆L上的振动扰动在两子系统中引起的相位移动相等，即ΔΦⅠN(t)=ΔΦⅡN(t).令τ=τd1/2-τx1，对ΔΦⅠ(t)和ΔΦⅡ(t)作差，即

(9)

从(9)式可以看出，通过作差能够消去ΔΦⅠ(t)中振动噪声造成的相位变化，ΔΦ为经过作差调整后得到的相位，v(t-τ/2)为靶面在t-τ/2时刻的速度.假设延迟光纤的长度为500m，路径光纤长度为5m，光纤有效折射率neff=1.46，振动点的施加位置x在0～5m之间.τ=τd1/2-τx1=neff(Ld1-2Lx1)/2c，计算出τ的大小在10-7s量级，因此根据(9)式计算得到的速度可以看作是运动靶面的瞬时速度，路径光纤的长度以及振动扰动施加位置对系统相位的修正过程没有影响，利用该系统可以抑制施加在路径光纤任何位置上的振动扰动引起的相位偏差.

2实验

按图2所示搭建系统.光源采用波长1550nm的超辐射发光二极管(Singal Line Diagram， SLD). 靶面固定在振动台(shaker)上.信号发生器(function generator)产生频率为300Hz的正弦信号驱动振动台振动，振动台带动靶面做同频率振动.靶面上固定一片具有高反光性能的平面镜.从准直器出射的光照射在平面镜上，被平面镜反射后返回准直器.为了提高返回光的接收率，将光纤准直器固定在4维调节架上，通过调节4维调节架使准直器的出射光与平面镜垂直.系统中所有光纤都采用单模光纤.使用NI公司型号为PXIe-6124的采集卡DAQ(Data Acquisition，数据采集)采集信号，采用Labview软件进行数据处理.

为了检测系统对宽频噪声的抑制效果，在光缆L上施加敲击信号(disturbance).图3(a)为子系统Ⅰ中的相位信号.在敲击发生处相位产生了很大的波动，由该时刻的相位计算得到的靶面速度偏差很大，测速基本失效.为了消除该噪声的影响，解调出同一时间段内子系统Ⅱ的相位，并按(9)式调整子系统Ⅰ的相位.图3(b)所示为调整后的相位信号.可以看到，经过调整之后敲击产生的相位偏差得到了很好的控制，相位信号基本恢复了正常的正弦波形状.

为了测试系统对固定频率环境噪声的抑制效果，使用压电陶瓷PZT(Lead Zirconate Titanate，锆钛酸铅)产生频率为500Hz的正弦波噪声，施加在光缆L上.子系统Ⅰ的相位信号如图4所示.该相位信号中同时包含了振动靶面产生的相位以及PZT产生的噪声相位，两种相位信号相互叠加形成复杂的相位形状.已经很难辨识出靶面振动产生的300Hz正弦波信号.在宽频噪声测试实验中，由于敲击噪声能量聚集在较短的时间内，在子系统Ⅰ中造成相位偏差所持续的时间不长.在未施加敲击扰动的其他的时间段内，依然可以从子系统Ⅰ中得到正确的正弦波振动信号.但从图4中可以看到，固定频率噪声对相位结果的影响是持续的，在任何时间都没有办法得到正确的振动信号.

解调出子系统Ⅱ相位，对两相位进行(9)式的处理.分别对处理前和处理后的相位信号作傅里叶变换，得到调整前后的相位幅度谱如图5所示，其中图5(a)为调整前的相位幅度谱，图5(b)为调整后的相位幅度谱.

从图5(a)可以看到在噪声所在的500Hz处，噪声的相位幅度与300Hz处的振动信号的相位幅度大小基本相当.处理后300Hz处的靶面振动信号的相位幅度保持不变，而500Hz处噪声的相位幅度则下降了很多.调整后噪声的相位幅度比调整前减少了至少30dB，系统的信噪比得到很大提高.

3结语

本文中，通过在传统AFVISAR系统中构建两个传感器子系统，修正由施加在路径上的环境噪声所造成的速度测量的偏差.实验结果表明，该路径消扰型系统可以有效抑制宽频和固定频率噪声对测速结果的影响，相较于普通的AFVISAR系统，该系统测速结果的稳定性得到很大提升.利用该方案还能够在同一测速系统中构造更多的传感单元，实现对多种物理量的同步测量和监控，使系统功能更加多样化，具有良好的应用前景.

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文章编号：0427-7104(2016)03-0342-05

收稿日期：2015-03-24

基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ150213)；上海市科委科研计划(13231200203)

作者简介：凌春(1990—)，男，硕士研究生；肖倩，讲师，通讯联系人，E-mail： ychunww@163.com.

中图分类号：TP 212.9

文献标志码：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