光纤白光干涉测量技术

其中传感干涉仪由光纤干涉型传感器构成，其结构可以是光纤 Fabry-Perot（F-P）干涉仪[11]，Mach-Zehnder 干涉仪[12]，Michelson 干涉仪或 Sagnac 干涉仪[13]。传感干涉仪用于把外界被测量转换成干涉光谱信号的相位调制。这种转换通过测量传感干涉仪的传感臂和参考臂之间的光程差来实现。在白光干涉测量系统中使用的光源为宽带光源，其相干长度与激光的相干长度相比要小很多，这也是白光干涉又被称为低相干干涉的原因。如图 1中所示，宽带光通过光纤耦合器耦合进入传感干涉仪中，并在干涉仪中发生干涉。随后干涉光从传感干涉仪输出并再次通过光纤耦合器进入本地接收干涉仪。由于光纤的低损耗，通常传感干涉仪被安装在感应区，以感知和测量被测量；而本地接收干涉仪处在控制端，通常远离被测区域。在扫描白光干涉测量中，传感干涉仪的光程差 L1和本地接收干涉仪的光程差 L2都要远大于光源的相干长度 Lc，即L1>> Lc，L2>>Lc。如果独立地将宽带光引入传感干涉仪或者本地接收干涉仪，在干涉仪的输出端没有干涉条纹输出。当两个干涉仪的光程差相匹配，且两个干涉仪的光程差 L1和 L2的差异 ΔL 小于光源的相干长度，即 ΔL=| L2- L1|< Lc时，在本地接收干涉仪的输出端才会有干涉条纹输出。得到的干涉条纹的相位和条纹可见度是两个干涉仪的光程差 L1和 L2的差异 ΔL 的函数。当两个干涉仪的光程差相等（L1= L2）时，本地接收干涉仪输出干涉条纹的最大峰值，这一最大值被称为中心亮纹。

扫描光纤白光干涉系统的测量精度主要由两个因素决定，一是本地接收干涉仪的光程扫描精度，另一个是对本地接收干涉仪输出的干涉条纹的零级中央亮纹的识别精度。加上实际的干涉系统得到的干涉信号包含有噪声，使得精确识别零级中心亮纹变得困难。为此一种称为合成光源（Synthesized Source）的技术被提出。合成光源技术基于两个光源的自相关函数的相加。这两个光源的波长之间具有较宽的间隔，因此认为两个光源输出的光波是彼此非相干的。从干涉仪中输出的干涉条纹是两个光源单独工作时得到的干涉条纹的强度叠加。而基于合成光源的三波长叠加方法和多级平方方法则进一步降低了辨识中心条纹时对信噪比的要求[14]。同时光源合成技术可以降低对光源功率的要求，在白光干涉系统中使用两个低功率的光源，如 LED 光源，有效地降低了系统的成本。

根据本地接收干涉仪的扫描形式的不同，可以把扫描光纤白光干涉测量系统分为机械扫描（Mechanically Scanned）和电扫描（Electrically Scanned）两种不同的形式。机械扫描的本地接收干涉仪的结构通常可以是 Mach-Zehnder，Michelson和 Fabry-Perot干涉仪。由于这种测量技术需要机械扫描装置，因此测量仪器体积大，可靠性差。另外受机械扫描装置的分辨率和机械扫描时振动影响的限制，该方法的测量精度低，测量速度慢。通常扫描光纤白光干涉测量技术的测量分辨率为几十微米到几微米。因此扫描光纤白光干涉系统不利于仪器化，并且实用性较低。电扫描式的光纤白光干涉仪采用反射镜倾斜的 Michelson 干涉仪或 Fizeau干涉仪。相比机械式扫描的本地接收干涉仪，电扫描式本地接收干涉仪不需要机械式的移动扫描部件，因此结构更加紧凑，工作稳定且扫描速度快。但是电扫描式光纤白光干涉测量系统的测量范围比机械式扫描光纤白光干涉测量系统的测量范围要小，并且由于使用了光电探测器阵列，因此得到的干涉条纹信号中的噪声较大。从而对中心亮纹的识别造成影响。

2.2  光谱域光纤白光干涉测量技术[/M]

光谱域光纤白光干涉测量技术通过直接探测光纤干涉传感器的白光干涉光谱，并通过分析干涉光谱信号来直接测量光纤干涉仪的绝对光程差，不需要本地接收干涉仪对光程差进行扫描。这一技术最显著的优点是系统中没有机械扫描装置，减小了系统的体积重量，因此干涉测量系统结构紧凑，可靠性高，便于仪器化和实用化，并且便于复用。通过使用光谱分析设备和先进的信号处理算法，可以获得远高于扫描光纤白光干涉测量技术的绝对测量精度[15]。

光谱域光纤白光干涉测量技术中通常有两种方法获得光纤干涉传感器的白光干涉光谱。一种是采用宽带光源将宽带光耦合进入光纤干涉传感器，并在光纤干涉传感器的输出端使用光谱分析仪（Optical Spectrum Analyzer, OSA）来探测接收并分析白光干涉光谱[16]。目前的光谱分析仪已经趋于微型化，使得光谱分析仪的集成能力提高，便于光纤白光干涉测量系统的仪器化和小型化。微型化的光谱分析仪主要基于衍射光栅和 CCD 阵列。从光纤干涉传感器输出的干涉光通过光纤耦合器进入光谱分析仪，在光谱仪中干涉光首先通过透镜准直后，投射到衍射光栅上。通常光谱分析仪中使用的是线性 CCD 阵列，CCD 阵列上的每个阵元探测特定波长的光，而干涉光的光强随波长的不同而变化。整个 CCD 阵列采集到的是沿波长分布的干涉光谱条纹。通过 CCD 阵列的探测采集，干涉条纹由光信号转化为电信号并由光谱分析仪传送到计算机或数据处理单元。通过一定的信号算法进行光谱分析和计算就可以得到光纤干涉传感器的绝对光程差。