CN101187556A - 一种光纤测距方法及装置 - Google Patents

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唐才杰
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一种光纤测距方法及其装置，包括波长扫描光源(1)，光纤耦合器(2、2′、2″)，光纤光栅(3、3′)，光纤准直器(4)，待测物体表面(5)，光电探测器(6、6′)，A/D转换器(7)和计算机(8)。波长扫描光源的输出光经光纤耦合器分成两路，一路光进入两只不同中心波长的光纤光栅，光纤光栅的反射光由光电探测器探测；另一路光进入光纤准直器，在准直器的端面部分反射，出射光被待测物体表面部分反射回光纤准直器，两束反射光干涉后由光电探测器探测；光电探测器的输出信号经A/D转换器输入计算机，通过傅立叶变换白光干涉相位解调法计算出光纤准直器端面和待测物体表面间的距离。

Description

一种光纤测距方法及装置
技术领域
本发明属于光学方法测量距离的技术领域，特别是一种光纤测距方法及其装置。
背景技术
高精度绝对距离测量是当今测量技术的重要发展方向。为提高测量精度和实现非接触绝对距离测量，人们引入了光学干涉技术；同时，为了减小测量仪器的体积、简化光路结构和提高光路的稳定性，结合光纤传感技术，提出了光纤干涉测距的方法和仪器(CN 1095536C，CN 1147702C)。光纤干涉测距可以采取马赫-曾德尔、迈克尔逊或者法布里-珀罗干涉仪(实际上是菲索干涉仪)结构，其中法布里-珀罗腔结构的双光束菲索干涉型光纤测距系统的测量基准面和被测物体反射面可以位于同一光路，测量基准容易确定，光路结构简单，环境对传导光纤的干扰不影响测量结果，具有较大的优势。用于法布里-珀罗绝对腔长解调的方法，如白光干涉解调、双波长或多波长相位解调等，都可以应用于双光束干涉型光纤测距系统的距离信号解调。双波长相位解调利用两束不同波长的窄带光经过法布里-珀罗干涉仪后产生的相位差来解调腔长，该相位差可以通过计数扫描波长时产生的干涉条纹数目来获得(李天初，R.G.May，WangAnbo，R.O.Claus.绝对测量小距离的波长扫描-光纤双干涉仪系统(英文)[J].计量学报，1998，(1))，这种方法测量精度较低，测量范围小；专利CN 1147702C提出的全光纤位移测量仪，采用两个不同波长的光源，正弦调制两个光源的波长，通过傅立叶变换得出两束光通过干涉仪产生的相位差，测量相位差的范围为π弧度，为了增大测量距离，所选的两个激光光源的中心波长相距很近，测量结果易受激光器中心波长波动的影响，同时测量系统复杂。
发明内容
本发明的目的是针对现有光纤干涉测距方法及其装置的测量精度低和系统复杂、可靠性差的问题，旨在提供一种测量精度高、结构简单的光纤测距方法及其装置。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明的一种光纤测距方法及其装置，包括波长扫描光源、光纤耦合器、光纤光栅、光纤准直器、待测物体表面、光电探测器、A/D转换器和计算机。波长扫描光源的输出光经一只光纤耦合器分成两路，一路光经另一只光纤耦合器进入两只不同中心波长的光纤光栅，光纤光栅的反射光由光电探测器探测；另一路光经第三只光纤耦合器进入光纤准直器，在准直器的端面部分反射，出射光被待测物体表面部分反射回光纤准直器，两束反射光干涉后由光电探测器探测；光电探测器的输出信号经A/D转换器输入计算机进行处理，从而得到光纤准直器端面和待测物体表面间的距离。
波长扫描光源可以是波长扫描光纤激光器，也可以是自发辐射光源和可调谐光纤滤波器的组合，波长扫描范围很宽，一般可以超过30nm；扫描的起止波长由两只光纤光栅的中心波长来确定。
光纤准直器端面和待测物体表面间的距离通过傅立叶变换白光干涉相位解调法计算出：监测两只光纤光栅的反射中心波长获得扫描的起止波长；对光纤准直器端面和待测物体表面的两束反射光干涉产生的白光光谱作傅立叶变换，傅立叶谱以两束反射光的光程差决定的频率为载频，在频率空间分开为对称的两组载频分量，滤出其中一组分量作反傅立叶变换和取复对数运算，相位信息作为对数运算结果的虚部从光源光谱轮廓和干涉条纹对比度形成的背景中分离出来；针对运算过程中相位信息的2π相位跃变作相位展开，得到的相位信息不受2π相位限制；根据扫描的起止波长和波长扫描时产生的相位差计算出光纤准直器端面和待测物体表面间的距离。
所述的光纤测距方法及其装置可以多路复用，实现多个点的同时测量。
扫描光源的波长，探测光纤准直器端面和待测物体表面的两束反射光干涉的白光光谱。监测两只光纤光栅的反射中心波长获得扫描的起始波长λ1和终止波长λ2；对光纤准直器端面和待测物体表面的两束反射光干涉产生的白光光谱作傅立叶变换，傅立叶谱以两束反射光的光程差决定的频率为载频，在频率空间分开为对称的两组载频分量，滤出其中一组分量作反傅立叶变换并取复对数运算，相位信息作为对数运算结果的虚部从光源光谱轮廓和干涉条纹对比度形成的背景中分离出来，提取出波长从λ1扫描到λ2时产生的相位差Δφ(λ)；针对运算过程中相位信息的2π相位跃变作相位展开，得到的相位差不受2π相位限制；测量的距离为
本发明的效果：本发明的光纤测距方法及其装置，两束反射光经同一根光纤传输，传输路径不影响测量结果，且可以远距离测量；通过傅立叶变换白光干涉相位解调法计算出测量的距离，相位信息的解调精度高；通过接入两只波长稳定的光纤光栅来确定扫描的起止波长，测量结果不受波长扫描过程的非线性影响。
附图说明
图1是本发明的光纤测距方法及其装置的一种实施方案的结构示意图；
图2是本发明的光纤测距方法及其装置的另一种实施方案的结构示意图；
图3是本发明的光纤测距方法及其装置的一种复用方案的结构示意图；
图4是本发明的光纤测距方法及其装置的另一种复用方案的结构示意图。
图中：1-波长扫描光源，2-光纤耦合器、2′、2″，3-光纤光栅、3′，4-光纤准直器4′，5-待测物体表面5′，6-光电探测器、6′、6″，7-A/D转换器，8-计算机，9-自发辐射光源，10-可调谐光纤滤波器，11-光纤分路器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。如图1所示，波长扫描光源1的输出光经一只光纤耦合器2分成两路，一路光经另一只光纤耦合器2′进入两只不同中心波长的光纤光栅3、3′，光纤光栅3、3′的反射光由光电探测器6探测；另一路光经第三只光纤耦合器2″进入光纤准直器4，在准直器4的端面部分反射，出射光被待测物体表面5部分反射回光纤准直器4，两束反射光干涉后由光电探测器6′探测；光电探测器6、6′的输出信号经A/D转换器7输入计算机8进行处理。扫描光源的波长，探测光纤光栅3、3′的反射光，获得扫描的起止波长；探测光纤准直器4端面和待测物体表面5的两束反射光干涉产生的白光光谱，通过傅立叶变换白光干涉相位解调法计算出光纤准直器4端面和待测物体表面5间的距离L。
波长扫描光源1可以是可调谐光纤激光器，也可以是如图2所示的自发辐射光源(ASE)9和可调谐光纤滤波器10的组合。
本发明的光纤测距方法及其装置可以多路复用，实现多个点的同时测量，如图3所示。波长扫描光源1发出的光经光纤分路器11分成多路，其中一路光通过一只光纤耦合器2接光纤光栅3、3′，其余的每一路光都可以通过一只光纤耦合器2′、2″、…接一只光纤准直器4、4′、…来测量一个待测物体表面5、5′、…的距离。
本发明的光纤测距方法及其装置还可以采用如图4的方法实现复用。波长扫描光源1发出的光经一只光纤耦合器2分成两路，其中一路光通过另一只光纤耦合器2′接光纤光栅3、3′；另一路光通过第三只光纤耦合器2″分成多路，当测量的距离不同时，每一路光都可以接一只光纤准直器4、4′、…来测量一个待测物体表面5、5′、…的距离；由于不同的测量距离，在白光光谱傅立叶变换后，对应的载频位置不同，分别滤出不同的频谱，再作本发明所述的处理，就可以实现多点同时测量。

Claims (4)

1.一种光纤测距方法及其装置，包括波长扫描光源(1)，光纤耦合器(2、2′、2″)，光纤光栅(3、3′)，光纤准直器(4)，待测物体表面(5)，光电探测器(6、6′)，A/D转换器(7)和计算机(8)，其特征在于：波长扫描光源的输出光经一只光纤耦合器分成两路，一路光经另一只光纤耦合器进入两只不同中心波长的光纤光栅，光纤光栅的反射光由光电探测器探测；另一路光经第三只光纤耦合器进入光纤准直器，在准直器的端面部分反射，出射光被待测物体表面部分反射回光纤准直器，两束反射光干涉后由光电探测器探测；光电探测器的输出信号经A/D转换器输入计算机进行处理，从而得到光纤准直器端面和待测物体表面间的距离。
2.根据权利要求1所述的光纤测距方法及其装置，其特征在于：波长扫描光源(1)可以是波长扫描光纤激光器，也可以是自发辐射光源和可调谐光纤滤波器的组合，波长扫描范围很宽，一般可以超过30nm；扫描的起止波长由两只光纤光栅的中心波长来确定。
3.根据权利要求1所述的光纤测距方法及其装置，其特征在于：光纤准直器端面和待测物体表面问的距离通过傅立叶变换白光干涉相位解调法计算出：监测两只光纤光栅的反射中心波长获得扫描的起止波长；对光纤准直器端面和待测物体表面的两束反射光干涉产生的白光光谱作傅立叶变换，傅立叶谱以两束反射光的光程差决定的频率为载频，在频率空间分开为对称的两组载频分量，滤出其中一组分量作反傅立叶变换和取复对数运算，相位信息作为对数运算结果的虚部从光源光谱轮廓和干涉条纹对比度形成的背景中分离出来；针对运算过程中相位信息的2π相位跃变作相位展开，得到的相位信息不受2π相位限制；根据扫描的起止波长和波长扫描时产生的相位差计算出光纤准直器端面和待测物体表面间的距离。
4.根据权利要求1所述的光纤测距方法及其装置，其特征在于：可以多路复用，实现多个点的同时测量。
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