基于光纤干涉仪的位移测量及信号处理方法研究

作     者：丛至诚 

作者单位：东北石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高丙坤

授予年度：2021年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：光纤干涉仪 位移测量 差动 马赫-曾德尔干涉仪 希尔伯特变换 

摘      要：光纤干涉仪在工业高精度测量中应用广泛,它具有装置简单、结构紧凑、分光聚光灵活、精度高等优点。利用光的干涉原理,求解干涉信号的相位,再计算光程差,从而实现引起光程差改变的物理量的间接测量,光纤干涉仪目前已应用于折射率、温度、位移、振动、加速度、压力测量等多个领域。为了提高位移测量分辨率、抗噪声干扰能力以及重构精度,对光纤干涉仪测量位移的结构和方法进行了改进。首先,针对传统单通道法布里-珀罗光纤干涉仪位移测量分辨率低的问题,提出了一种双通道差分型光纤干涉仪结构。该结构是利用单模光纤和耦合器组成的位移测量系统,耦合器输出端两臂连接准直镜头,照射在被测物体正反两侧形成差动结构。与传统结构相比,该结构位移测量分辨率提高了一倍,达到1/4光波波长,且整个系统受温度的干扰较小,有更高的位移重构精度。其次,针对大噪声环境下信号质量差以及位移重构精度低的问题,基于光纤干涉仪使用多重希尔伯特变换(Multiple Hilbert Transform,MHT)对调频信号进行位移重构。该方法利用马赫-曾德尔干涉仪作为边缘滤波器,使自混合干涉调幅信号转换为高信噪比的调频信号,然后根据调频信号的相位信息进行位移重构。与调幅信号相比,调频信号信噪比更大,且对于大噪声环境下的位移测量问题,使用调频信号进行位移重构可以获得更高的重构精度。最后,分别对两种方法进行了仿真分析和实验验证,结果表明两种方法都达到了提高位移测量精度的效果,为航空航天、汽车制造、芯片制造以及建筑安全等应用方向提供了新的位移测量方法。