光源相位噪聲對干涉傳感系統信噪比影響分析

黎 珉，洪煒寧，錢良存，周宗立 (安徽農業大學理學院，安徽 合肥 230036)

光源相位噪聲對干涉傳感系統信噪比影響分析

黎 珉，洪煒寧，錢良存，周宗立 (安徽農業大學理學院，安徽 合肥 230036)

以窄線寬光纖激光器為光源，基于馬赫-曾德干涉儀，利用相位載波零差解調技術，通過在信號臂上改變光纖延遲線的長度，對大光程差干涉系統中光源相位噪聲對系統信噪比的影響進行了分析。結果表明，窄線寬光纖激光器對光源相位噪聲有較好的抑制作用，但當光程差很大時，光源相位噪聲對系統信噪比仍有一定的影響。

干涉傳感；光源相位噪聲；窄線寬光纖激光器；馬赫-曾德干涉儀；信噪比

在干涉傳感系統中，光源相位噪聲主要取決于光源的相干長度和系統的光程差[1-4]。如果光源的相干長度較短(光源線寬較大)或系統光程差較大，光源相位噪聲通過干涉儀所形成的相位-強度噪聲就會較高，使干涉傳感系統的解調信號產生畸變并降低系統信噪比。

針對上述情況，干涉傳感系統多采用線寬很窄的光纖激光器[5-7]為光源，因為其相干長度長，可較好地抑制光源相位噪聲，但在光程差較大的遠距離測量中，光源相位噪聲明顯增加，此時窄線寬光源對光源相位噪聲的抑制效果以及系統信噪比的變化尚缺乏試驗研究。為此，筆者針對光源相位噪聲對大光程差激光干涉系統信噪比的影響進行試驗分析，基于馬赫-曾德干涉儀，利用相位載波零差解調[8-9]技術，通過在信號臂上改變光纖延遲線的長度，考察系統在大光程差條件下信噪比的變化，為干涉測量系統的量化設計提供指導?安徽農業大學校長青年基金項目(2010zr07)。。

1 機理分析

考慮光源相位隨機擾動的情況，在馬赫-曾德干涉儀中，輸出端光源相位噪聲的功率譜密度函數為[1]：

(1)

從式(1)中可以看出，在光強一定的情況下，光源相位噪聲主要與光源的相干時間以及干涉儀的時延(光程差)有關。當干涉系統光程差與光源相干長度相比很大時，即|T|/τc?1，式(1)可化為：

(2)

此時光源相位噪聲將不再隨著延遲線長度的增加而變化，只由光源的相干時間決定。

當光源相干時間遠大于干涉儀的時延，即干涉系統光程差與光源相干長度相比很小時，|T|/τc?1，式(1)可化為：

(3)

此時光源相位噪聲主要由干涉系統的光程差決定。

以上分析說明，光源相干性越好，系統受光源相位噪聲影響就越小。所以，在干涉測量中多選取窄線寬光纖激光器為光源，其相干長度可以達到幾十至幾百千米，這時光源相位噪聲主要由干涉系統的光程差所決定。對于光程差較短的干涉系統(|T|/τc?1)，相位噪聲數值較小，但當光程差很大時，尤其在遠距離干涉測量系統中，光源相位噪聲會隨光程差增加而明顯增大，成為系統主要的噪聲源。

2 試驗分析

2.1試驗裝置

圖1 試驗裝置圖

試驗裝置如圖1所示，選取窄線寬光纖激光器為光源，基于馬赫-曾德干涉儀，采用全保偏光纖結構，C1，C2為3dB耦合器，由PZT加載模擬信號，D為光電管，通過解調電路處理，可測得待測信號。

2.2不同長度延遲線下系統信噪比的變化

試驗中選取線寬為1kHz的光纖激光器，分別考查延遲線長度為20m和1km時系統的信噪比。為了保證更換光纖延遲線后輸出的光功率一致，在延遲線兩端均用法蘭盤連接。在每次更換延遲線后，首先將延遲線所在一臂通過法蘭盤與光電管直接相連，再通過調節延遲線另一端的法蘭盤來控制光強的大小，使得每次更換延遲線長度后，輸出光強保持不變，目的是為了消除因光纖延遲線增加引起的輸出功率損耗對系統信噪比的影響，從而進一步精確研究光源相位噪聲對系統信噪比的影響。

圖2 20m，1km延遲線系統信噪比對比

為了更明顯地區分不同長度延遲線下系統信噪比的變化，分別在20m延遲線時加載頻率為1kHz的信號，在1km延遲線時加載1.2kHz的信號。從圖2中可以看出，光纖延遲線長度從20m增加至1km時，系統信噪比下降約2dB。系統光程差增加到1km后，信噪比有所下降，說明光源相位噪聲對結果有一定影響。但注意到噪聲本底沒有明顯變化，分析原因是光源線寬很窄(相干長度達到100km以上，相比于1km延遲線還是很大)，光源相位噪聲仍被明顯抑制。如果光程差繼續增大至接近光源相干長度時，光源相位噪聲對系統的影響會更大。同時看到延遲線從20m增加至1km時，環境擾動比較明顯，在低頻出現較高的噪聲峰，可以估計如延遲線繼續增加，環境噪聲的干擾也會進一步加大。

3 結 語

通過對以窄線寬光纖激光器為光源的干涉系統在大光程差下信噪比變化的試驗分析表明，窄線寬光纖激光器對光源相位噪聲有較好的抑制作用，但當光程差較大時，光源相位噪聲對系統信噪比仍有著一定的影響。使用線寬約為1kHz的窄線寬光纖光源，當光程差從20m增加至1km時，系統信噪比下降約2dB。預計在光程差更大的遠距離探測系統中，光源相位噪聲將成為系統主要噪聲源，同時隨著光程的增加，降低環境擾動的影響也是提高干涉系統信噪比的要素之一。光源相位噪聲的理論分析和系統信噪比的試驗研究為干涉傳感系統的量化設計提供了一定的依據。

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10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.001

TN247

A

1673-1409(2012)08-N001-02

2012-05-24

黎珉(1982-)，男，2005年大學畢業，碩士，助教，現主要從事光纖傳感、生物信息方面的教學與研究工作。

[編輯] 洪云飛