谢芳，陈志敏，任均宇
(北京交通大学理学院物理系，北京100044)
摘要:为了消除环境干扰对光纤干涉测量系统的影响，采用光纤3 x3藕合器和光纤光栅构成光路复合在一起的两个光纤迈克尔逊干涉仪构成了光纤干涉测量系统。利用光纤光栅作为反射镜，两个光纤迈克尔逊干涉仪共有几乎相同的光路。其中一个光纤迈克尔逊干涉仪通过一个1阶反馈来补偿环境干扰的影响，实现对该测量系统的稳定;另一个光纤迈克尔逊干涉仪用于完成测量工作。结果表明，1阶反馈可以对OH:一21 Hz的干扰进行补偿，使得该测量系统适合于在线精密测量。
关键词:光纤光学;稳定;反馈控制;干涉计量
引言
光纤干涉仪由于体积小、重量轻、抗电磁干扰、能波分复用、高度集成、价格低廉等优点被广泛应用于精密测量领域，对位移、振动、速度、加速度、应变以及温度等参量进行测量[1-10]。
对于光纤干涉位移测量系统，光纤仅是用来传光，干涉信号的相位的变化应只由被测位移的变化引起，但是由于光纤长度对温度等环境干扰非常敏感，这些干扰将引起干涉信号的相位随机地变化。这种随机变化将降低测量精度，甚至使测量系统无法正常工作。为了提高测量精度，需要对环境干扰引起的相位的随机变化进行补偿。
作者研究一个具有自我补偿功能的复合光纤迈克尔逊干涉测量系统，能有效地补偿环境干扰所带来的随机相位漂移，使测量系统具有很强的抗干扰能力。该系统利用一个光纤3 x3藕合器，即光纤光栅作为反射镜构成光路复合在一起的两个光纤迈克尔逊干涉仪;其中一个光纤迈克尔逊干涉仪通过1阶反馈电路处理后驱动一个压电陶瓷管调节参考臂的光程，使该干涉仪始终保持在正交状态(相位差保持在π/2 )，从而实现对环境干扰进行补偿，使整个测量系统保持在稳定状态;另一个干涉仪用来完成测量工作。1阶反馈的带宽为0Hz一21 Hz，该测量系统适合用于在线实时测量。
1测量系统的原理
1. 1测量原理
系统的测量原理如图1所示。利用一个光纤3x3藕合器和光纤布喇格光栅(fiber Bragg grating, FBG)作为反射镜，构成两个光路重合的光纤迈克尔逊干涉仪。两支中心波长分别为λ1, = 1557. 32nm和λ2=1558.52nm的分布反馈式激光器(distributed feed-back , DFB)发出的光由于光纤布喇格光栅的波分复用分别作用于这两个光纤迈克尔逊干涉仪中。一个光纤迈克尔逊干涉仪用于完成稳定测量系统的工作，另一个光纤迈克尔逊干涉仪用于完成测量工作。两支激光器发出的光在20dB的谱宽为0. 2nm。光纤布喇格光栅FBG1, FBG2和FBG3的中心波长为1557. 32nm，布喇格反射谱3dB带宽为0. 3nm; FBG4的中心波长为1558.52nm，布喇格反射谱3dB带宽为0. 3nm.
第1个以FBG1和FBG2为反射镜的光纤迈克尔逊干涉仪用于补偿环境干扰。波长为λ1= 1557. 32nm的DFB激光器发出的光经过3dB藕合器，光纤隔离器，光纤3 x3祸合器后被分为3路，其中两路光分别被FBGz和FBG2反射，这两束光在3 x3藕合器相遇并发生干涉。第1路干涉信号由于光纤隔离器的作用无法到达光源，因此，不会对光源产生影响;第2路干涉信号经过环行器1后被FBG3反射，再由环行器1导出测量系统;第3路干涉信号经过环行器2及FBG4后，被探测器(photodetector , PD ) PD2探测，PD2探测到的信号经过反馈环节处理后输出一个修正电压驱动压电陶瓷管(piezoelectric ceramics , PZT )，管长35 mm，外径35mm，壁厚2mm , PZT上缠有约11m的参考臂的光纤。修正电压驱动PZT调节参考臂的光程，使此干涉仪的两个臂的相位差始终保持在π/2，由此实现对该干涉仪的稳定。
第2个以测量镜和参考镜为反射镜的迈克尔逊干涉仪用于完成测量工作。波长为λ2= 1558. 52nm的DFB激光器发出的光经过3dB祸合器，光纤隔离器，光纤3 x3祸合器后被分为3路，其中两路光经过FBG1和FBG2，然后被光纤准直镜(变折射率透镜)准直后分别被测量镜和参考镜反射回系统，并在3 x3藕合器相遇并干涉。第1路干涉信号由于光纤隔离器的作用不能到达光源，因此不会对光源产生影响;第2路干涉信号经过环行器1和FBG3后被探测器PD,探测;第3路干涉信号经过环行器2后，被FBG4反射，再由环行器2导出测量系统。
因为FBG1和FBG2与光纤准直镜紧邻，光纤准直镜的端面与反射镜的距离小于1mm，所以，两个干涉仪的两个干涉臂的光路几乎重合。当第1个光纤迈克尔逊干涉仪稳定后，第2个用于测量的光纤迈克尔逊干涉仪也稳定了。
1. 2 1阶反馈环节及分析
1阶反馈环节的原理如图2所示。PD2探测到的干涉信号可表示如下:
当反馈环节没有工作(处于开环状态)，用锯齿波电压驱动PZT，记下锯齿波电压的幅值及对应的PD2的干涉信号的相位变化量，即测得PZT的相位一光程转换系数Kf，实际测得Kf= 3. 14rad/V。将各参量代人(6)式，可得f=21.65Hz.
2实验及实验结果
当无反馈补偿，且测量镜和参考镜静止时，探测器PD1探测到的干涉信号一直在波动，如图4所示，干涉信号的波动是由于温度漂移等环境干扰引起，图中横坐标单位为4 ms。在实验时，整个光纤测量系统被放置在一个纸板盒子里，由于纸盒子的隔振作用，频率较高的环境干扰被纸盒隔离，所以干涉信号的波动很间内，PD1探测到的信号均稳定在-2V这一固定值，如图5所示，图中横坐标单位为4ms .
在无反馈补偿时，给压电陶瓷加一个三角波电压，探测器PD1探测到的信号如图6所示(图中横坐标单位为4ms)，峰一峰值为8V，对应的相位变化为2 πrad .在加上反馈环节时，探测器PDt的输出信号的波动幅值仅为0. 1 V，相当于0. 0785rad ,稳定度达到99.9%.这说明环境干扰的影响被有效地消除，本测量系统有极高的稳定性，适合于在线精密测量。
3结论
研究了一个高稳定的适合于在线精密测量的光纤3 x3藕合器的迈克尔逊干涉测量系统。利用一个3x3藕合器以及光纤光栅，构成两个光路重合在一起的光纤迈克尔逊干涉。一个干涉仪通过一个1阶反馈完成稳定工作，另一个干涉仪完成测量工作。本系统能对21 Hz的干扰信号进行补偿，使测量系统适合于在线测量。
参考文献
[1] HAND D P, CAROLAN T A,ment of optically rough surfaces Left ,1993 ,18 (16 ) :1361-1363BARTON J S, et al. Profile measure- by fiber-optic interferometry[J[.Opt
[2] LIN D J,JIANG X Q,XIE F. High stability multiplexed fiber interferometer and its application on absolute displacement measurement and on-linesurface metrology[J]. Optics Express,2004,12(23) ;5729-5734.
[3] XIE F,ZHANG Sh,LI Y, et al .Study on the reflected wavelength shift based on sensing elements of in-fiber Bragg grating [ J ].Laser Technology,2002,26(2);84-85(in Chinese).
[4] JACKSON D A, DANDRIDGE A, TVENTEN A B. Elimination of drift in a single-mode optical fiber interferometer using a piezoelectric stretched coiled fiber.Appl Opt,1980,19(17):2926-2929.
[5]FRITSCH K,ADAMOVSKY G. Simple circuit for feedback stabilizalion of a single-mode optical fiber interferometertJ].Review of Science Instrument ,1981 , 52 ( 7 ) :996-1000.
[6] UDDE. An overview of fiber-optic sensors [J ].Review of Science Instrument,1995,66(8) ;40151 030.
[7] KERSEY A D. A review of recent developments in fiber optic sensor technology [ J ].Optical Fiber Technology,1996 ,2 ( 3):291-317.
[8] JIANG M, GERLAND E. A simple strain sensor using a thin film as a low-finesse fiber-optic Fabry-Perot interferometer[J].Sensors and Actuators,2001 , A88 ( 1):41 }6.
[9] SEAT H C, OUISSE E, MORTEAU E, et al. Vibration-displacement measurements based on a polarimetric extrinsic fiber Fabry-Perot interferometer [ J ].Measurement Science&Technology, 2003，14(6):1710一16.
[10] LI D,ZHANG X H,HUANG J B. Theoretical analysis of feedback control on input light polarization of fiber optic interferometer[J].Laser Technology,2006,30(2):126-129(in Chinese).
