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摘要： 提出并优化设计了一种结合光波导谐振技术的窄谱干涉的测速（或测长）技术及其系统，该技术兼有白光干涉的绝对测量和单色光干涉响应多普勒频移的特点。工作光波由分布式反馈激光器经双环石英波导谐振后提供，两支同源窄带光经多普勒频移后叠加干涉，干涉结果包含了速度信息。优化设计采用了多目标优化SPEA2算法，数值仿真结果显示，系统可以达到0.01 mm/s速度变动的测试响应。
关键词： 光波导技术； 环形波导谐振； 窄谱干涉； Pareto进化算法； 多普勒频移
中图分类号： TN 252 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.016
文章编号： 1005-5630（2016）05-0461-05
引 言
随着“中国制造2025”国家战略的推进，智能制造技术已成为重要的创新焦点。智能制造的发展重点关注八类核心技术及其关联设备，包括工业现场的新型传感技术及其系统[1-2]。有关机床精密加工的实时测长，涉及的精密光学传感监测技术包括双频单色光的外差干涉和白光干涉。双频单色光干涉采用谱线极细的气体激光器，该激光器体积大、光路稳定性要求很高。作为绝对测量的白光干涉[3]的相干长度在微米量级，实测的动态范围过小。为了改善光源体积和动态范围问题，本工作研究一种新的方法，提出并优化设计一种结合光波导谐振技术的窄谱干涉的测速（或测长）技术及其系统，工作光波由分布式反馈激光经双环石英波导谐振后提供，光源系统结构紧凑稳定，相干长度可达米量级。优化设计及其数值仿真结果显示，本系统可以达到0.01 mm/s速度变动的测试响应。
1 测速系统结构和工作原理
窄谱干涉介于单色光干涉和白光干涉之间，兼有白光干涉的绝对测量、良好的稳定性、高精度[4]和单色光干涉响应多普勒频移的特点。测试系统的基本结构如图1所示，一定谱宽的中心波长为1 310 nm半导体激光经光纤耦合进入双环波导谐振器，双环谐振器除了两个谐振腔的直径略有差异以外，其它光路完全对称。选择1 310 nm波段的半导体激光的光谱，使得两个谐振腔形成谱宽为δv的单峰输出，与环1和2环对应的谐振峰的中心频率分别为ν—1和ν—2。这两支出射光经光纤阵列对接耦合分别进入左右两根单模光纤光路，两根光纤的出射端均置有准直透镜GL。一路光纤的出射光经反射镜和三个半反镜HM后通往探测器，反射镜固定在机床的移动刀具的夹具座上。另一路光纤的出射光经反射镜和三个半反镜HM后，两支光波合流。一侧光路的温控仪提供热光效应，用于微调两支光波的工作点光程差。
图6给出了优化情况与非优化情况的数值结果的比较，优化系统的光强对速度变化的敏感性远高于非优化的情况，前者是后者的22倍以上。图7显示了光强测量对光源谱宽变动的优化降敏效果，横坐标表示光源谱宽变动量，纵坐标是对应的归一化光强变动量的绝对值，进刀速度选择机器的精密切削档的标称值为0.08 mm/s。图7显示，随着光源谱宽变动量从0～240 MHz变动时，优化情况的归一化光强的变动量有一个从缓慢增加再缓慢减小的特点，谱宽变动量为光源谱宽标称值的40%附近有光强最大变动量5%。对于非优化情况，同样点位的光强变动量达25%，是优化情况的5倍。另外，与优化情况对谱宽变动呈现明显不同的降敏效果，非优化情况的归一化光强的偏差随光源谱宽变动的增加呈线性增大的特点，当光源谱宽变动高达标称值的100%（240 MHz）时，对应的光强变动达到了47%，接近优化情况光强变动量的47倍。测试系统设计参考的光源是AGX公司的尾纤输出DFB激光模块（ALM3HPU2），中心波长在1 305～1 314 nm范围内可选，带宽是1.1 GHz（谱宽约0.006 nm），输出光功率是15 dBm。石英波导谐振器的单个谐振环的插入损耗的实测值在1 dB左右，对于标称0.08 mm/s的精密切削档，进刀速度变动0.01 mm/s对应的光强变化约为-55 dBm，可以采用基于ΣΔ技术 [9-10]设计A/D转换电路方式[11]的光功率计进行光功率检测，根据文献[12]报道，这种设计方式设计的光功率计可以响应的光功率变动达到-70 dBm。
3 结 论
本工作提出并优化设计了一种结合光波导谐振技术的窄谱干涉的测速（或测长）技术及其系统，该技术兼有白光干涉的绝对测量特点和单色光干涉响应多普勒频移的特点。工作光波由分布式反馈激光器经双环石英波导谐振后提供，两支同源窄带光经多普勒频移后叠加干涉，干涉结果包含了速度信息。优化设计采用了多目标优化SPEA2算法，数值仿真结果显示，设计系统具有较低的理论测量误差和较高的灵敏度，为进一步实现多普勒测速系统的小型化提供了参考。
参考文献：
[1] 马爱文.第四次工业革命给计量测试带来的思考[J].工业计量，2015，25（2）：1-4.
[2] 马爱文.第四次工业革命-计量测试无法回避的新课题[J].中国计量，2015（4）：41-43.
[3] 王留留.基于白光干涉的绝对距离测量方法的研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.
[4] WANG D N，NING Y N，GRATTAN K T V，et al.Three-wavelength combination source for white-light interferometry[J].IEEE Photonics Technology Letters，1993，5（11）：1350-1352.
[5] 马科斯·玻恩，埃米尔·沃耳夫.光学原理[M].杨葭荪，译.北京：电子工业出版社，2006：459-475.
[6] ZITZLER E，LAUMANNS M，THIELE L.SPEA2：improving the strength pareto evolutionary algorithm[R].Swiss Federal Institute of Technology （ETH），TIK-Report103，2001.
[7] 杨春霞，王诺.基于SPEA2算法的泊位调度多目标优化[J].工业工程与管理，2010，15（3）：100-104.
[8] 郁道银，谈恒英.工程光学[M].3版.北京：机械工业出版社，2011：348.
[9] STEWART R W.An overview of sigma delta ADCs and DAC devices[C]//Proceedings of the IEE Colloquium on Oversampling and Sigma-Delta Strategies for DSP.London，UK 1995：204-206.
[10] MORIZIO J C，HOKE I M，KOCAK T，et al.14 bit 2.2 MS/s sigmadelta ADC’s[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2000，35（7）：968-976.
[11] 陈树毅，马琪.A/D转换技术及其发展趋势[J].杭州电子科技大学学报，2006，26（6）：57-61.
[12] 周真，杨军，秦勇.基于PIN光电二极管的光功率计[J].仪表技术与传感器，2013（6）：43-45.
关键词： 光波导技术； 环形波导谐振； 窄谱干涉； Pareto进化算法； 多普勒频移
中图分类号： TN 252 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.016
文章编号： 1005-5630（2016）05-0461-05
引 言
随着“中国制造2025”国家战略的推进，智能制造技术已成为重要的创新焦点。智能制造的发展重点关注八类核心技术及其关联设备，包括工业现场的新型传感技术及其系统[1-2]。有关机床精密加工的实时测长，涉及的精密光学传感监测技术包括双频单色光的外差干涉和白光干涉。双频单色光干涉采用谱线极细的气体激光器，该激光器体积大、光路稳定性要求很高。作为绝对测量的白光干涉[3]的相干长度在微米量级，实测的动态范围过小。为了改善光源体积和动态范围问题，本工作研究一种新的方法，提出并优化设计一种结合光波导谐振技术的窄谱干涉的测速（或测长）技术及其系统，工作光波由分布式反馈激光经双环石英波导谐振后提供，光源系统结构紧凑稳定，相干长度可达米量级。优化设计及其数值仿真结果显示，本系统可以达到0.01 mm/s速度变动的测试响应。
1 测速系统结构和工作原理
窄谱干涉介于单色光干涉和白光干涉之间，兼有白光干涉的绝对测量、良好的稳定性、高精度[4]和单色光干涉响应多普勒频移的特点。测试系统的基本结构如图1所示，一定谱宽的中心波长为1 310 nm半导体激光经光纤耦合进入双环波导谐振器，双环谐振器除了两个谐振腔的直径略有差异以外，其它光路完全对称。选择1 310 nm波段的半导体激光的光谱，使得两个谐振腔形成谱宽为δv的单峰输出，与环1和2环对应的谐振峰的中心频率分别为ν—1和ν—2。这两支出射光经光纤阵列对接耦合分别进入左右两根单模光纤光路，两根光纤的出射端均置有准直透镜GL。一路光纤的出射光经反射镜和三个半反镜HM后通往探测器，反射镜固定在机床的移动刀具的夹具座上。另一路光纤的出射光经反射镜和三个半反镜HM后，两支光波合流。一侧光路的温控仪提供热光效应，用于微调两支光波的工作点光程差。
图6给出了优化情况与非优化情况的数值结果的比较，优化系统的光强对速度变化的敏感性远高于非优化的情况，前者是后者的22倍以上。图7显示了光强测量对光源谱宽变动的优化降敏效果，横坐标表示光源谱宽变动量，纵坐标是对应的归一化光强变动量的绝对值，进刀速度选择机器的精密切削档的标称值为0.08 mm/s。图7显示，随着光源谱宽变动量从0～240 MHz变动时，优化情况的归一化光强的变动量有一个从缓慢增加再缓慢减小的特点，谱宽变动量为光源谱宽标称值的40%附近有光强最大变动量5%。对于非优化情况，同样点位的光强变动量达25%，是优化情况的5倍。另外，与优化情况对谱宽变动呈现明显不同的降敏效果，非优化情况的归一化光强的偏差随光源谱宽变动的增加呈线性增大的特点，当光源谱宽变动高达标称值的100%（240 MHz）时，对应的光强变动达到了47%，接近优化情况光强变动量的47倍。测试系统设计参考的光源是AGX公司的尾纤输出DFB激光模块（ALM3HPU2），中心波长在1 305～1 314 nm范围内可选，带宽是1.1 GHz（谱宽约0.006 nm），输出光功率是15 dBm。石英波导谐振器的单个谐振环的插入损耗的实测值在1 dB左右，对于标称0.08 mm/s的精密切削档，进刀速度变动0.01 mm/s对应的光强变化约为-55 dBm，可以采用基于ΣΔ技术 [9-10]设计A/D转换电路方式[11]的光功率计进行光功率检测，根据文献[12]报道，这种设计方式设计的光功率计可以响应的光功率变动达到-70 dBm。
3 结 论
本工作提出并优化设计了一种结合光波导谐振技术的窄谱干涉的测速（或测长）技术及其系统，该技术兼有白光干涉的绝对测量特点和单色光干涉响应多普勒频移的特点。工作光波由分布式反馈激光器经双环石英波导谐振后提供，两支同源窄带光经多普勒频移后叠加干涉，干涉结果包含了速度信息。优化设计采用了多目标优化SPEA2算法，数值仿真结果显示，设计系统具有较低的理论测量误差和较高的灵敏度，为进一步实现多普勒测速系统的小型化提供了参考。
参考文献：
[1] 马爱文.第四次工业革命给计量测试带来的思考[J].工业计量，2015，25（2）：1-4.
[2] 马爱文.第四次工业革命-计量测试无法回避的新课题[J].中国计量，2015（4）：41-43.
[3] 王留留.基于白光干涉的绝对距离测量方法的研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.
[4] WANG D N，NING Y N，GRATTAN K T V，et al.Three-wavelength combination source for white-light interferometry[J].IEEE Photonics Technology Letters，1993，5（11）：1350-1352.
[5] 马科斯·玻恩，埃米尔·沃耳夫.光学原理[M].杨葭荪，译.北京：电子工业出版社，2006：459-475.
[6] ZITZLER E，LAUMANNS M，THIELE L.SPEA2：improving the strength pareto evolutionary algorithm[R].Swiss Federal Institute of Technology （ETH），TIK-Report103，2001.
[7] 杨春霞，王诺.基于SPEA2算法的泊位调度多目标优化[J].工业工程与管理，2010，15（3）：100-104.
[8] 郁道银，谈恒英.工程光学[M].3版.北京：机械工业出版社，2011：348.
[9] STEWART R W.An overview of sigma delta ADCs and DAC devices[C]//Proceedings of the IEE Colloquium on Oversampling and Sigma-Delta Strategies for DSP.London，UK 1995：204-206.
[10] MORIZIO J C，HOKE I M，KOCAK T，et al.14 bit 2.2 MS/s sigmadelta ADC’s[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2000，35（7）：968-976.
[11] 陈树毅，马琪.A/D转换技术及其发展趋势[J].杭州电子科技大学学报，2006，26（6）：57-61.
[12] 周真，杨军，秦勇.基于PIN光电二极管的光功率计[J].仪表技术与传感器，2013（6）：43-45.