如何提升全光纖激光干涉測速儀的靈敏度

來源：四川物科光學精密機械有限公司 2025年05月29日 18:27

　　全光纖激光干涉測速儀的靈敏度提升是優化光學結構、增強信號處理與抑制噪聲的綜合過程。以下從光纖耦合器設計、傳感光纖結構優化、環境噪聲抑制、光源穩定性控制及信號處理算法等關鍵方面展開論述：

　　一、光纖耦合器優化：提升干涉信號對比度

　　1. 采用3×3耦合器替代傳統2×2耦合器

　　傳統2×2耦合器在干涉儀中產生的兩路信號易受環境擾動影響，導致相位差不穩定。研究表明，3×3耦合器通過三路輸出信號的相位差特性，可顯著提高探測器對微弱振動的靈敏度。其原理在于三路信號的對稱性設計能有效抑制共模噪聲，并通過差分處理放大相位變化信號，尤其適用于薩格納克干涉儀等場景。

　　2. 熔融拉錐型耦合器的數學模型改進

　　通過優化耦合區的錐度與光纖間距，可調控耦合比以匹配干涉儀的需求。例如，3×3耦合器在熔融拉錐過程中形成的特殊折射率分布，能增強干涉條紋的對比度，從而提升靈敏度。

　　二、傳感光纖結構設計：延長有效感知長度

　　1. 增加光纖線圈長度與層數

　　傳感光纖的長度直接影響干涉儀的相位變化量。例如，在薩格納克干涉儀中，50米多層線圈結構可將語音振動信號轉換為更顯著的相位差，最小可檢測壓力可達337 μPa/Hz¹⁄?(1 kHz)。光纖長度的增加通過積累微小相位變化，顯著提高了低速或弱振動信號的探測能力。

　　2. 優化光纖纏繞幾何形狀

　　光纖線圈的排列方式(如單層、多層或螺旋形)會影響方向靈敏度。通過有限元仿真與實驗驗證，特定幾何結構可增強對目標方向振動的響應，同時抑制垂直方向的干擾。

　　三、環境噪聲抑制：降低振動與溫度干擾

　　1. 超低加速度靈敏度支架設計

　　環境振動引起的光纖微彎會導致相位噪聲。研究提出一種超低加速度靈敏度光纖支架，通過有限元優化使其水平/垂直加速度靈敏度分別達3.25×10?¹²/g和5.38×10?¹²/g，有效隔離外界振動。此類設計可減少環境擾動對干涉信號的污染。

　　2. 溫度補償與恒溫控制

　　溫度變化引起光纖折射率波動，導致相位漂移。采用恒溫封裝或溫度補償算法(如參考臂溫度匹配)可穩定干涉儀 baseline，避免誤觸發。

　　四、光源與信號處理優化

　　1. 激光器頻率噪聲抑制

　　使用全光纖邁克耳孫干涉儀作為頻率參考，可壓制激光器的頻率抖動，例如通過兩套激光系統對比獲得0.67 Hz線寬的拍頻信號。頻率穩定后，干涉條紋的長期穩定性顯著提升。

　　2. 高分辨率信號處理算法

　　結合鎖相放大、小波變換等算法提取微弱信號，并利用機器學習動態濾除噪聲。例如，薩格納克干涉儀中通過優化頻率響應算法，可在5米距離內清晰捕捉人聲信號。

　　五、其他潛在優化方向

　　1. 多模干涉與折射率調諧

　　通過設計雙折射光纖或保偏光纖，增大干涉臂間的有效折射率差(Δn)，可增強相位差對外界擾動的響應。

　　2. N×N耦合器擴展

　　理論分析表明，采用更高階(如4×4)耦合器可能進一步增加信號維度，通過多路差分處理抑制噪聲，但需權衡系統復雜度與實際增益。

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