Fund Project:Project supported by the National Key R&D Program of China (Grant Nos. 2018YFB2003501, 2018YFF0212702), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51675380, 51775379), and the Key Technologies R&D Program of Tianjin, China (Grant No. 18YFZCGX00920)
Received Date:12 January 2020
Accepted Date:16 February 2020
Published Online:05 May 2020
Abstract:To explore a new generation of ranging method suitable for industrial applications, in this paper, a spectral interferometry ranging method based on electro-optic (EO) comb is proposed. The mathematical model of EO comb and the principle of spectral expansion are analyzed in detail. Besides, the factors affecting the non-ambiguous range and resolution of the spectral interferometry method are also discussed. According to the theoretical analysis, the resolution of spectral interference ranging is mainly affected by the spectrum width of the optical frequency comb, and the non-ambiguous range is affected by the resolution of the optical spectrum analyzer (equal to the highest sampling rate of the optical spectrum analyzer). In the experiment, triple cascaded EO phase modulator is used to modulate a single frequency laser to generate more than 40 high-power sidebands. Then, the laser spectrum output from the EO modulator is expanded by single mode fiber and high nonlinearity fiber. Owing to the use of erbium doped fiber amplifier between the dispersion compensation fiber (single mode fiber) and the highly nonlinearity fiber, the polarization disturbance does not affect the spectrum width of the optical frequency comb significantly. However, the width of spectrum will be still affected by the phases of light, and the phases of light can be adjusted by the phase shifters in the front of the electro-optic modulators. Finally, the EO comb with a repetition frequency of 10 GHz and spectrum width of 30 nm is obtained. The EO comb can be used as the source of spectral interferometry scheme. Since the repetition frequency of the EO comb is high enough, which can meet the distortion-free sampling of optical spectrum analyzer. Hence, there is no “dead zone” in the measurement range. Besides, the equal frequency interval resampling algorithm and quadratic equation fitting algorithm are used in the data processing. Through the use of these algorithms, we can eliminate the measurement errors caused by non-equal frequency interval sampling of the optical spectrum analyzer and improve the ranging accuracy. The experimental results show that within the range of 1 m, the absolute ranging accuracy of 15 μm can be achieved at arbitrary position. Keywords:optical frequency comb/ electro-optic modulation/ spectral interferometry/ absolute distance measurement
从(23)式可以看出, 在当前的光谱干涉距离解算方法中, 光频梳的光谱宽度是测距分辨力的惟一影响因素. 不过, 分辨力实际上影响的是傅里叶变换后伪时域里采样点的间隔, 如果系统分辨力低, 则意味着伪时域中脉冲上采样点稀少. 如果只取脉冲最高位置附近采样点作为测量结果必然会造成明显的测距误差. 但如果先对脉冲做一个波形拟合再取拟合后的顶点, 那么测量精度就有机会得到明显改善. 除了分辨力之外, 光谱干涉的测距精度还要受光谱仪采样方式的影响, 光谱仪的采样是按照等波长间隔采样的, 而我们使用的傅里叶变换等数据处理算法是根据等频率间隔采样来计算的. 光的波长与频率并不是线性的, 所以如果直接对光谱仪采样结果做傅里叶变换分析就会引入采样误差. 为了解决这个问题, 我们课题组提出过一种对光谱仪采样结果进行等频率间隔重采样的方法[26]. 图3表述了光谱仪采样及等频率间隔重采样的过程. 在光谱仪等波长间隔重采样的情况下, 采集到的光谱干涉条纹不是恒定周期的信号, 如图3(a)所示; 直接将图3(a)的横坐标换算成频率的话, 换算出的频率值${f_{15}}$, ${f_{14}}$, ···, ${f_1}$不是等间隔排列的, 如图3(b)所示. 需要注意的是, 波长和频率是负相关的, 所以图3(b)中的波形和图3(a)是镜像对称的; 接着将横坐标进行线性排列, 干涉条纹的波形就变成了标准的正弦形式, 如图3(c)所示; 最后对图3(c)里的正弦波形进行等频率间隔重采样, 如图3(d)所示. 此时, 对重新采集到的信号数列做傅里叶变换处理, 就可以得到不失真的测距结果. 图 3 等频率间隔重采样处理示意图 (a)光谱仪等波长间隔采样得到的信号; (b)对横坐标进行波长-频率变换后的信号; (c)对横坐标进行线性坐标转换后的信号; (d)对转换后的信号进行等频率间隔重采样的结果 Figure3. Schematic diagram of equal frequency interval resampling: (a) Signal obtained by spectrometer with equal wavelength interval sampling; (b) the signal after wavelength-frequency transformed; (c) the signal after linear coordinate transformation on the abscissa; (d) the signal after equal frequency interval resampling.
种子源经过级联的电光调制器后输出的信号如图5(a)所示, 此时, 超过40根功率较高且相对平坦的梳齿被调制出来. 输出的光频梳以种子光源的频率(1543.7 nm)为中心频率, 以微波调制频率(10 GHz)为重复频率对称分布, 高功率梳齿所在的光谱宽度约为4 nm. 接下来, 对初步生成的光频梳进行光谱扩展, 使用的单模光纤(Corning G.652)长度为2.4 km, 该型光纤在1550 nm波长附近的色散系数约为18 (ps/nm)·km. 单模光纤输出的光先进入掺铒光纤放大器(erbium doped fiber amplifier, EDFA, 上海瀚宇 MARS), EDFA将总功率提升到840 mW再进入到高非线性光纤. 实验中使用的高非线性光纤(OFS HNLF Zero-Slope)长为850 m, 非线性系数约为10.8 W–1·km–1, 扩谱后的光谱全宽接近30 nm, 如图5(b)所示. 实验中发现, 光谱宽度与高非线性光纤的长度直接相关, 更长的光纤可以获得更宽的光谱, 但也要EDFA有足够的输出功率来支撑. 可以看到, 扩展后的光谱呈现中间高, 两边低的形态, 尤其是初始光谱所在的波段功率特别高, 相比扩谱产生的新频率成分的功率高出10 dB以上, 换算成线性坐标就是将近10倍, 这将严重影响光谱包络信号的识别与提取. 为了使输出光谱相对平坦, 定制了一个基于啁啾光纤光栅的带阻滤波器, 其阻带中心频率为1543 nm, 在4.8 nm的带宽内光反射率达到了92.5%, 其余波长几乎无衰减, 经过带阻滤波器后的光频梳光谱如图5(c)所示. 但因为主要功率都集中在滤波器的阻带上, 经滤波器后的输出光功率将明显衰减. 另外可以看到, 经过高非线性光纤的光谱长波部分比短波部分的基底功率要高. 在 图5(c)中没有采集到的长波方向, 与主光谱间隔约100 nm的波段也有一些频率成分, 但功率相对较低. 所以光源内或许存在一些受激拉曼散射效应, 但该效应不影响测距, 且拉曼效应的光谱不与主光谱连接, 不方便处理干涉条纹, 所以本系统不对其进行采集. 图 5 电光调制光频梳光谱图 (a)电光调制器输出的光频梳光谱; (b)经过扩谱后的光频梳光谱; (c)经过带阻滤波后的光频梳光谱 Figure5. The spectrum of EO comb: (a) The spectrum of EO comb generated by cascaded EO modulators; (b) the EO comb spectrum after spectrum expansion; (c) the EO comb spectrum after band elimination filter.
理论上说, 电光效应和非线性效应都会受光的偏振态和相位的影响, 所以光源内的偏振扰动和相位变化会对光谱的稳定性尤其是光谱的宽度产生影响. 在级联电光调制器部分, 在种子光源和电光调制器之间加了偏振控制器, 电光调制器之间使用保偏光纤连接, 并在每个电光调制器和信号源之间都加了移相器, 这样可以方便偏振态和相位的调控和维护. 在光谱扩展部分, 由于使用了很长的单模光纤, 偏振扰动不可避免, 不过我们使用的EDFA有自动功率控制的功能, 使其可以满足无论输入光功率和偏振态有何变化, 它都能输出固定功率, 而且输出光的偏振态也基本是固定的. 所以在这一部件上完成了对偏振变化的“免疫”, 所以没有在这部分使用偏振控制器. 然而, 调节相位调制器前端的移相器仍然能改变进入到高非线性光纤的光的相位, 这样可以通过调节移相器来完成相位匹配, 以达到更好的非线性扩谱效果. 而测距部分主要由一套迈克耳孙干涉光路构成. 啁啾光纤光栅滤波后的光经准直镜转化为空间光, 再由分光棱镜转化为参考光和测量光, 测量反射镜安置在导轨上, 而参考反射镜固定不动. 参考反射镜与测量反射镜的回光再经分光棱镜合束送入到光谱分析仪(横河 AQ6370D)中, 光谱仪上显示的就是被光谱干涉条纹调制后的光谱. 图6显示的就是参考镜和测量镜在不同相对距离的情况下被调制后的光谱图, 为了方便后续数据处理, 将纵坐标(功率)转换为线性坐标, 此时有效的光谱宽度还有约26 nm, 对应测距分辨力约为92.3 μm. 从图6可以看出, 参考镜和测量镜的相对位置不同, 光谱上光谱干涉包络的频率也不同, 解调出这个包络频率, 就可以解算出被测距离. 不过在解算出距离之前, 还要使用前文所述的等频率间隔重采样算法进行预处理. 图 6 参考臂与测量臂在不同相对位置下的光谱干涉图 (a)相对位置0.3 mm; (b)相对位置0.6 mm; (c)相对位置1 mm; (d)相对位置2 mm Figure6. Spectral interferogram of reference arm and measuring arm at a relative position of (a) 0.3 mm, (b) 0.5 mm, (c) 1 mm, (d) 2 mm.
图7显示了在参考臂与测量臂的相对位置为2 mm的时候进行等频率间隔重采样的数据处理过程. 首先使用寻峰算法得到干涉光谱上的包络信号, 如图7(a)所示. 如果直接对包络信号进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT), 解算后将得到如图7(c)所示的结果. 可以看到FFT后的脉冲有一些展宽, 脉冲峰值的位置也未必准确. 将图7(a)中的光谱横坐标转换成频率, 并按照等频率间隔进行重新采样, 得到图7(b)所示的频域信号, 再对这个信号进行FFT处理, 并将横坐标换算为距离, 就可以得到图7(d)所示的结果. 此时, 脉冲形状相对7(c)中有了明显的改善, 峰值位置也有所修正. 图 7 等频率间隔重采样数据处理过程图 (a)寻峰算法处理后的光谱干涉图; (b)横坐标转化成频率后的光谱干涉图; (c)对图(a)做傅里叶变换后的结果; (d)对图(b)做傅里叶变换后的结果 Figure7. Data processing of equal frequency interval resampling. (a) Spectral interferogram processed by peak seeking algorithm; (b) spectrum interferogram after the abscissa is converted into frequency; (c) Fourier transform of panel (a); (d) Fourier transform of panel (b).
另外, 依据前文所述, 由于分辨力不足, 如果直接取脉冲峰值附近的数据点作为测距结果将会造成很大的测量误差. 在实验中, 将脉冲峰值前后三个数据点合起来做一元二次方程拟合, 提取拟合后曲线的峰值点作为最终测量点, 测距结果将会得到进一步修正(如图8所示). 图 8 脉冲峰值数据二次方程拟合过程图(插图是对脉冲及拟合曲线的放大) Figure8. Peak position fitting according to quadratic equation. The inset is an enlargement of the pulse and the fitted curve.