兩路微振動(dòng)信號(hào)的光纖F-P腔干涉測(cè)量

趙 忖,劉徑舟

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

1 引 言

精細(xì)加工技術(shù)飛速發(fā)展,使得物體微位移和微振動(dòng)測(cè)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(dòng)預(yù)測(cè)等,均需要精確采集振源數(shù)據(jù),基于FFT變換的動(dòng)態(tài)頻域標(biāo)定方法,測(cè)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)三軸線性度7.393pT·Hz-1/2[2]。微振動(dòng)還可用于地下連接墻接縫剛度和強(qiáng)度測(cè)試[3],雕刻機(jī)主軸共振的各階振型分析等[4]。因微振動(dòng)形式復(fù)雜,振動(dòng)多向且幅度小,頻率分布范圍廣,故精確測(cè)量難度大。光學(xué)測(cè)量技術(shù)精度高,抗電磁干擾能力強(qiáng),動(dòng)態(tài)范圍大,能在易燃易爆環(huán)境下可靠運(yùn)行,是一種重要的非接觸式無(wú)損測(cè)量的技術(shù)[5-8],在微位移和微振動(dòng)測(cè)量中占據(jù)了主導(dǎo)地位。基于激光自混合干涉的高精度角度測(cè)量,在±0.4°角度范圍內(nèi)測(cè)量精度可達(dá)(±3.1×10-3)[9]。基于激光自混合散斑干涉的微小流量檢測(cè),相對(duì)誤差小于1.13 %[10]。基于激光多重反饋?zhàn)曰旌细缮娴恼駝?dòng)測(cè)量,在管道泄漏點(diǎn)定位中,誤差小于5 %[11]。光纖自混合型多普勒測(cè)速儀的研制成功[12],推動(dòng)了光纖自混合干涉測(cè)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(duì)內(nèi)表面都具有高反射率。作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)目標(biāo),首先利用分光鏡對(duì)激光器發(fā)射光進(jìn)行分離,然后采集兩個(gè)待測(cè)目標(biāo)的微振動(dòng)信息,反饋后形成光纖F-P腔干涉信號(hào)。再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,對(duì)電信號(hào)進(jìn)行多次取包絡(luò)分解,通過(guò)快速傅里葉變換獲取基頻和主頻,基于主頻階次計(jì)算出兩路微振動(dòng)信號(hào)幅值。

2 兩路微振動(dòng)信號(hào)的光纖F-P腔干涉測(cè)量原理與實(shí)驗(yàn)

兩路微振動(dòng)信號(hào)的光纖F-P腔干涉測(cè)量原理如圖1所示。F-P內(nèi)腔的兩個(gè)端面為R1和R2,長(zhǎng)度為L(zhǎng)D,待測(cè)物體為M1和M2。激光器發(fā)出的光波傳送到R2鏡時(shí),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(gè)物體表面。攜帶微振動(dòng)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(hào),最終傳送到光電探測(cè)器PD。弱反饋狀態(tài)下,兩路干涉信號(hào)光功率等于兩個(gè)單路分別干涉時(shí)的光功率之和[20]。

圖1 兩路微振動(dòng)信號(hào)的光纖F-P干涉測(cè)量原理

兩路微振動(dòng)信號(hào)的光纖F-P腔干涉測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。為了減小由實(shí)驗(yàn)環(huán)境引起的誤差,將上述所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備放置在氣浮光學(xué)隔振平臺(tái)上。

圖2 兩路微振動(dòng)信號(hào)的光纖F-P腔干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體激光器相比,半導(dǎo)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(zhǔn)直器選型F220FC-1550；光電探測(cè)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(dòng)器和陶瓷片配套選用,后者型號(hào)分別為P-752和P-753。為了保證DFB激光器輸出波長(zhǎng)以及功率的穩(wěn)定,增加了溫控器件,選型LTC100-B。

對(duì)兩路微振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí),DFB激光器發(fā)出波長(zhǎng)λ0為1550 nm的單縱模光,選取反饋因子C=0.5,采用正弦信號(hào),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(hào)經(jīng)去噪預(yù)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(hào)

3 兩路反饋光纖F-P腔干涉信號(hào)的分解

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

圖4 兩路反饋光纖F-P腔干涉信號(hào)分解流程

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

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

(1)

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

圖5 兩路反饋光纖F-P腔干涉信號(hào)上下包絡(luò)及中值

依據(jù)圖4,通過(guò)式(2)得到一個(gè)新的信號(hào)Pz(t),如圖6(a)所示,觀察其特點(diǎn),稱之為過(guò)零信號(hào)。

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

(2)

對(duì)過(guò)零信號(hào)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(hào),如圖6(c)所示。

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

(3)

圖6 過(guò)零信號(hào)、過(guò)零信號(hào)的上包絡(luò)及分離出的較高頻率的一路信號(hào)

對(duì)圖3使用EMD算法,也能分解出高、低頻信號(hào)[22]。與之比較,該方法解決了高頻信號(hào)殘留部分低頻成分的問(wèn)題。

4 兩路微振動(dòng)信號(hào)幅值計(jì)算

從光纖F-P腔干涉信號(hào)分離出高、低頻信號(hào)后,通過(guò)快速傅里葉變換得到頻譜圖,進(jìn)而獲得基頻fb和主頻fd1。根據(jù)式(4)可計(jì)算出主頻階次nd,按照式(5)可計(jì)算出A,即為PZT的振幅[5]。光纖F-P腔干涉信號(hào)分離出的低頻信號(hào)計(jì)算出的A對(duì)應(yīng)PZT2的振幅,高頻信號(hào)計(jì)算出的A對(duì)應(yīng)PZT1的振幅。

(4)

(5)

對(duì)圖6(b)所示低頻信號(hào)進(jìn)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(jì)算出PZT2的振幅為1.9736 μm,與實(shí)際2 μm的振幅相比,誤差為1.32 % 。

對(duì)圖6(c)所示高頻信號(hào)進(jìn)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(jì)算出PZT1的振幅為1.0663 μm,與實(shí)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(hào)分解出低頻信號(hào)頻譜

圖8 兩路反饋光纖F-P腔干涉信號(hào)分解出低頻信號(hào)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(shí)對(duì)兩路微振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果表明:

(1)使用一套光纖F-P腔干涉系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性好,抗干擾能力強(qiáng)。

(2)對(duì)兩路反饋光纖F-P腔干涉信號(hào)進(jìn)行取包絡(luò)分解,能夠快速、準(zhǔn)確的分離出待測(cè)目標(biāo)微振動(dòng)幅度。

(3)該方法解決了EMD算法分離出的高頻信號(hào)殘留部分低頻成分的問(wèn)題。