低频激光测振仪中等光程问题的研究

摘 要：介绍了用1台低频激光测振仪对地震计做水平与垂直振动校准的原理。通过对测振仪光电信号的理论计算，得出了要获得最佳信号必须使垂直与水平测量光路保持等光程。据此设计并制出了高性能的低频测振仪，成功的应用于针对地震计设计的低频振动校准系统中。
关键词：激光测量；绝对法校准；等光程

1引言
在低频振动计量校准中，低频激光测振仪被用来给出标准振动信号，从而实现对振动传感器的绝对校准。我们最新研制用于地震计校准的低频振动校准系统，其中的低频激光测振仪通过光路切换，可分别对两台振动台进行校准。但发现由于激光测振仪设计得较大、光程较长、光程又需切换，导致初始试验中光电信号信噪比较小，经理论分析得：由于垂直光路、水平光路以及参考光路的光程不一致导致了光电信号的质量下降，只有当三者光程相等时才能获得最佳光电信号，最后的试验结果证明了这一结论。??
2双用低频激光测振仪原理
低频激光测振仪的激光波长为长度绝对标准。对振动台振幅A进行测量与测量振动周期的绝对时间标准配合，可测得振动表面振幅、速度、加速度等各振动参数，最终对振动传感器的位移、速度和加速度等振动参数进行绝对标定。本系统利用条纹计数法对振动平台的台面振动进行了测量，振幅和条纹数之间的关系可以用下式算出^[1]：

式中A――振动台的振幅
N――条纹数
λ――激光的波长
该测量系统的光路图，如图1所示。图中A向视图为激光到垂直振动台的视图，C向视图为水平振动台的视图。在图1中参考光路为：激光至M₁、B₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆反射镜，并由M₆自准直后再返回至分光镜B₁，经B₁透射后入射至光电倍增管。为使参考光路长短可调，M₄可以前后移动，以平衡参考光路和实际的水平台和垂直台测量光路。

垂直台测量光路为：激光至M₁、B₁反射后至M₉、M₁₁（此时反射镜M₁₀退出光路，见A向视图）。经自准直后，由M₁₁沿原路返回M₉、B₁，并透过B₁至光电倍增管，于是参考光及测量光相干涉，产生干涉条纹。水平台测量光路为：激光至M₁、B₁，此时经反射镜M₁₀进入光路，光由M₁₂至M₁₃（C向视图），经自准直调节后，由M₁₃返回M₁₂、B₁至光电倍增管，此时，水平台测量光与参考光干涉，产生干涉条纹。
这样,通过将反射镜M₁₀的移进与移出实现了用1台低频激光测振仪对地震用传感器进行水平与垂直振动校准。
3 等光程问题理论分析
在系统调试中发现，激光测振仪对2台振动台测量时，输出光电信号的质量是不同的。针对这个问题对测量系统进行了计算和分析，发现主要原因为：
（1）系统中用到的He-Ne激光管发出的激光波长总是有一定宽度的，测量振幅时，不同波长会得出的N值是不同的。结果使干涉条纹黑白不同，使对比下降，从而导致光电倍增管接收到的光信号信噪比下降。
（2）激光的出射光是有一定的发散角的，因此用不同角度的光波量振动振幅时，结果是不同的。
计算干涉光的光强的公式为^[4]：??

式中I₁――测量光的光强
I₂――参考光的光强
λ――激光的波长
l₁――测量光路的光程
在校准水平台上的传感器时，
l₁=B₁-M₉-M₁₁；
在校准垂直台上的传感器时,
l₁=B₁-M₁₀-M₁₂-M₁₃
l₂――参考光路的光程
l₂=B₁-M₂-M₃-M₄-M₅-M₆
y――振动台台面振幅，暂不考虑y的变化，即研究静止时的干涉条纹
因λ是在一定范围内变化的数，不同的λ有不同的I。l₁、l₂对不同方向入射的光也是不同的。设在τ（τ为探测器的频响时限）时间内观察到的平均值为：

(1) 由于激光波长λ不纯，引起4πλ变化，设中心波长为λ₀。
以中心波长λ₀产生的相位为基准，不同波长产生的相位将使干涉条纹模糊。令模糊程度为Γ₁：

从式（4）可以看出，当光程差l₂-l₁等于单色光的相干长度时^[5]，干涉条纹消失；而当光程差l₂-l₁等于“零”时，即便是白光也能产生干涉条纹。所以，保证光程差相等降低了对光源的要求。
（2） 由于激光的发散、反射镜的激光非垂直入射至振动台台面等，使干涉条纹模糊。当光源发散角为α，入射角为i′时，仪器产生的光程差δ不是常数。


从式（7）可以看出，由于光程差不是常数，当附加光程差Δ=λ时，干涉条纹消失；而当光程差l₂-l₁相等时，允许光源发散角较大。
从以上的分析可以看出：在满足等光程条件以后，就可以降低对激光波长稳定度和激光发散角的要求，降低了系统结构的复杂程度，保证了仪器的质量。
4 结 论
在设计系统中，利用1台激光测振仪对水平振动台和垂直振动台进行水平和垂直振动量的测量。由于激光到水平台距离较远，所以为了保证获得高信噪比的振动光电信号，在激光光路的设计中调整了参考光的光路利用多面反射镜使光在仪器内往返，拉长光路以获得与垂直振动台的测量光路和激光到水平台的测量光路三者均相等的光程长度。
在对激光测振系统进行了结构调整以后，针对B&K公司生产的4321三向加速度计进行校准。对系统进行了测试获得了预期的效果。目前制作出的低频激光测振仪已经分别在重庆地震仪器厂和中国地震局投入使用。

参考文献

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